順向河谷陡傾角層狀巖體邊坡變形破壞模式及特征

李進(jìn)元，施裕兵

（中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院，成都 610072）

順向河谷陡傾角層狀巖體邊坡變形破壞模式及特征

李進(jìn)元，施裕兵

（中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院，成都 610072）

我國西部地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，大量順向河谷中存在陡傾角層狀巖體傾向坡外的邊坡，具較高的地質(zhì)災(zāi)害危險性。該類邊坡在漫長的地質(zhì)歷史過程會發(fā)生位移～彎曲，經(jīng)歷輕微彎曲、強(qiáng)烈彎曲隆起階段和變形破壞階段。特殊的坡體結(jié)構(gòu)在較長時間內(nèi)使該類邊坡可基本穩(wěn)定，但地震、爆破、工程開挖切腳及水庫蓄水等易使其失穩(wěn)。本文通過典型實例探討了順向河谷陡傾角層狀巖體且傾向坡外邊坡的變形破壞模式和特征。

邊坡；順向河谷；陡傾角層狀巖體；變形破壞

DO I：10.3969/j.issn.1006-0995.2014.01.025

我國西部地區(qū)處于隆升強(qiáng)烈且海拔最高的第一階梯帶內(nèi)，具有河谷深切的高山峽谷地貌，外營力對淺表巖體改造強(qiáng)烈、地震活動相對較活躍，從而造就了西部地區(qū)成為地形和地質(zhì)條件極其復(fù)雜的區(qū)域，且在客觀上具有較高的地震危險性和地質(zhì)災(zāi)害危險性[1]。而我國西部地區(qū)蘊藏著豐富的水力、礦產(chǎn)等資源，交通較落后。隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略實施，該區(qū)域內(nèi)的水電、礦產(chǎn)資源將得到大規(guī)模開發(fā)，道路橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也正規(guī)劃實施中。順向河谷陡傾角層狀巖體且傾向坡外邊坡的變形破壞模式和特征的研究具有重要意義。

1 典型實例分析

1.1 唐家山滑坡

唐家山位于北川縣通口河右岸，岸坡高約250～400m，約以1 350m為界，上部地形較緩，坡度25°～30°，下部地形相對較陡，坡度35°～45°。坡面上下游各分布一條小型沖溝，上游為大水溝，下游為小水溝，兩溝相距約500m，沖溝下切深度約20～40m。通口河以N70°E流經(jīng)唐家山然后折轉(zhuǎn)為S40°E，唐家山一帶上下游分別有大水溝、小水溝切割，正面被通口河切割，形成三面臨空且略向左岸凸出的山體，坡體結(jié)構(gòu)為典型的層狀地層中傾坡外的縱向河谷。

該河段位于青林口倒轉(zhuǎn)復(fù)背斜的核部附近，出露地層為寒武系下統(tǒng)清平組上部（∈1c）灰黑色薄～中厚層狀長石云母粉砂巖、硅質(zhì)板巖夾薄～極薄層泥灰?guī)r、泥巖和千枚巖，巖層呈軟硬相間，巖層總體產(chǎn)狀N60°～80°E/NW∠35°～45°。坡腳一帶有基巖出露，坡頂及坡面分布厚約5～15m厚的殘坡積碎石土層，植被茂盛。坡腳為苦竹壩電站庫區(qū)，枯水期水面高程664～665m，水面寬100～130m。水深0.5～4m，河床中堆積有厚約15～20m的含泥粉細(xì)砂層。

受青林口倒轉(zhuǎn)復(fù)背斜影響，地層發(fā)生強(qiáng)烈揉皺，巖體較破碎。該套地層中主要發(fā)育以下4組裂隙：①N70°～80°W/NE（SW）∠35°～45°，為層面裂隙，延伸長，層間順層擠壓帶較發(fā)育，寬約5～15cm，局部達(dá)50cm，風(fēng)化強(qiáng)烈；②N25°～30°E/NW∠10°～15°，延伸5～10m，間距一般為1～5m；③N80°～85°E/NW∠70°～80°，延伸5～8m，間距一般為3～5m；④N20°～40°E/NW（SE）∠60°～70°，延伸1～3m，間距一般為0.5～2m。此外因構(gòu)造強(qiáng)烈擠壓作用，巖體隱裂隙十分發(fā)育，將巖體切割為大小20～60cm塊體。強(qiáng)風(fēng)化強(qiáng)卸荷帶厚度約10～30m，弱風(fēng)化弱卸荷帶厚度基本相當(dāng)，約50～80m。

2008年5月12日汶川特大地震造成唐家山發(fā)生突發(fā)性滑坡（圖1），形成著名的唐家山堰塞湖。據(jù)現(xiàn)場實地調(diào)查，唐家山滑坡規(guī)模巨大，堰塞體頂部長約803m，寬約612m，面積約30.7萬m2，滑坡體厚度達(dá)50～75m，體積約2 037×104m3。堰塞壩最高點高程793.9m，堰塞體底部高程669.5m，最大壩高124.4m，低洼埡口處壩高82.6m。2008年6月9日堰塞湖回水至上游約25km治城一帶，水位達(dá)743.1m，堰塞湖總?cè)莘e約2.43億m3。

唐家山位于5.12汶川大地震發(fā)震的龍門山中央斷裂上盤，距斷裂直線距離約2km。據(jù)洪時中[1]，唐家山位于本次地震Ⅺ度區(qū)內(nèi)，龍門山斷裂帶附近50多個地震臺站獲得大于100Gal地震加速度記錄，什邡八角、綿竹清平、汶川臥龍臺記錄到最大加速度達(dá)到633.1、842.1、957.7Gal，可見汶川地震對唐家山一帶邊坡影響是十分劇烈的。

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和地震幸存者描述，山體滑坡時，漫天塵土，煙塵避日，滑坡體將河谷中的粉細(xì)砂層幾乎刨殆蝕盡，左岸元河壩處直徑約5m的混凝土吊橋橋墩向上卷高了約100m余，左岸坡體80m范圍內(nèi)原有植被和土層不翼而飛，露出光禿的基巖，較遠(yuǎn)部位樹木上的枝葉和樹皮均被剝光。而滑坡體上樹木未完全傾到，地物仍基本保持原狀。發(fā)生的這一切持續(xù)時間尚不足 1分鐘，可見唐家山滑坡具有高速性、突發(fā)性、規(guī)模和能量較大性等特點。經(jīng)初步估算，唐家山滑坡速度高達(dá)36～42m/s。

發(fā)生唐家山滑坡的根本原因在于其特殊的坡體結(jié)構(gòu)，而強(qiáng)震是觸發(fā)因素。唐家山一帶為典型的順向中傾坡外的岸坡，下游受大水溝和小水溝切割，正面被通口河切割，形成三面臨空且向左岸凸出的山體。地層為受構(gòu)造擠壓并發(fā)生強(qiáng)烈揉皺的軟硬相間的砂板巖夾泥巖和千枚巖，且順層擠壓破碎帶較發(fā)育。特殊的坡體結(jié)構(gòu)決定其在漫長的地質(zhì)歷史時期內(nèi)易發(fā)生“滑移～彎曲”。根據(jù)資料，唐家山岸坡中下部于高程830～900m一帶有輕微隆起現(xiàn)象，地層產(chǎn)狀存在一定變化。說明在滑坡發(fā)生前，邊坡已經(jīng)發(fā)生滑移～彎曲，形成潛在滑坡體，在無外因條件下，邊坡尚可在相當(dāng)長的時間內(nèi)保持穩(wěn)定，強(qiáng)烈地震成為滑坡發(fā)生的觸發(fā)因素，并最終導(dǎo)致邊坡發(fā)生突發(fā)、高速、大規(guī)模、高能量破壞。

1.2 雅礱江某工程進(jìn)場公路邊坡

雅礱江某工程進(jìn)場公路分布于雅礱江左岸，該段河谷總體較平順，河流流向為 S5°W。自然邊坡高陡，岸坡高約300～500m，坡度60°～80°。地層產(chǎn)狀N15°～25°E/SE∠60°～65°，走向與河流近于平行，為典型層狀地層中傾坡外的縱向河谷。

該段河谷基巖為三疊系（T）中厚層狀變質(zhì)砂巖夾薄層狀板巖，坡面局部分布2～4m的崩坡積塊碎石土。邊坡巖體內(nèi)除層面裂隙外還主要節(jié)理有2組，第①組產(chǎn)狀為N70°～80°W/NE∠70°～80°，延伸長大，一般5～10m。第②組產(chǎn)狀為N20°～30°E/NW∠20°～30°，延伸較段小，一般1～3m。因受第①組結(jié)構(gòu)面切割，坡面上形成多個錯列分布的縱向基巖陡坎，高5～8m。

現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查表明，坡面巖體風(fēng)化較弱，但卸荷較強(qiáng)烈，沿層面裂隙多見卸荷裂隙，一般張開1～3cm，內(nèi)充填巖屑夾次生泥。卸荷裂隙延伸長大，多從坡頂貫穿至坡腳。

該路段按礦二標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，路基寬12m，該公路利用原簡易公路（寬約4.5～5.0m）采用坡內(nèi)開挖施工方式，在原路的基礎(chǔ)上向內(nèi)擴(kuò)挖7～8m。

因地層巖性差異，樁號K41+840~K42+004段薄層狀板巖含量較高，設(shè)計開挖邊坡1：0.6，每高8m設(shè)一級馬道，馬道寬1m；樁號K42+004~K42+518段主要為堅硬的中厚層狀變質(zhì)砂巖，設(shè)計開挖邊坡1：0.2，每20m高設(shè)一馬道，馬道寬1m。

2004年2月20日中時約12：00～12：30，施工單位對樁號K42+070～K42+150段實施路基擴(kuò)挖爆破，爆破參數(shù)設(shè)置為采用5個炮孔，孔深4～5m，每孔裝藥量200kg。爆破2小時后約2：30分已開挖完畢段（樁號K41+870～K41+930）產(chǎn)生突發(fā)性高速滑坡。

圖1 唐家山滑坡工程地質(zhì)剖面圖（破壞后狀態(tài)）

滑體呈略近梯形，寬30～60m，長180m～200m，厚5～8m，體積約5～8萬m3。滑坡瞬間于江中形成一長100～150m，寬80～100m，高約10m的水上堆積體，并將雅礱江阻斷成庫，庫容約200萬m3，回水長約3km，上下游水位差5～7m。坡腳處工棚被拋至約120m將對岸，經(jīng)初步計算，滑坡速度可達(dá)21～25m/s。

據(jù)錢七虎、楊佑發(fā)等[2-3]爆破產(chǎn)生地震震級經(jīng)驗公式（1）及最大地震動加速度公式（2）：

（K為介質(zhì)系數(shù)；c為衰減系數(shù)；Q為裝藥量，單位 kg；R為距爆心的距離，單位m）

圖2 雅礱江某工程進(jìn)場公路滑坡工程地質(zhì)剖面圖（破壞后狀態(tài)）

本次開挖爆破產(chǎn)生地震震級僅為0.65級，而最大地震動加速度可達(dá) 0.10～0.15g，影響烈度可達(dá)Ⅶ度。由此可見爆破對邊坡巖體影響是比較強(qiáng)烈的。

發(fā)生滑坡的根本原因在于其特殊的坡體結(jié)構(gòu)，而開挖坡腳及爆破是觸發(fā)因素。該路段為典型的順向中傾坡外的岸坡，后緣層面裂隙發(fā)育并伴隨強(qiáng)烈卸荷作用，側(cè)向受第①組裂隙切割，在岸坡形成的漫長地質(zhì)歷史過程中，夾薄層狀板巖的層狀變質(zhì)砂巖發(fā)生滑移～彎曲，但因處于初階段變形尚不明顯。路基開挖對層狀巖體邊坡切腳和爆破震動，破壞了坡體穩(wěn)定性，使得側(cè)向切割面進(jìn)一步貫通并最終導(dǎo)致于坡交處發(fā)生剪切破壞，發(fā)生突發(fā)、高速、大規(guī)模、高能量滑坡。

2 順向河谷中陡傾角層狀巖體邊坡變形破壞模式

張倬元、王士天、王蘭生等[4-6]對順向河谷中陡傾角層狀巖體邊坡變形破模式進(jìn)行了深入研究，并提出“滑移～彎曲”變形破壞模式。巖體是一種粘彈性介質(zhì)，其力學(xué)特性取決于巖體的應(yīng)變速率，當(dāng)巖體的應(yīng)變速率大于其臨界應(yīng)變速率，巖體為彈性介質(zhì)并表現(xiàn)為脆性破壞，當(dāng)巖體的應(yīng)變速率小于其臨界應(yīng)變速率，巖石呈粘性狀態(tài)并表現(xiàn)為粘性流動變形。在無外力及巖體所處的地質(zhì)環(huán)境不發(fā)生重大變化條件下，經(jīng)極其漫長的地質(zhì)歷史過程，順向河谷中陡傾角且傾向坡外的層狀巖體可發(fā)生滑移～彎曲。

圖3 滑移～彎曲破壞演化圖（據(jù)王蘭生等[6]）

筆者在生產(chǎn)實踐及科研中接觸了大量順向河谷層狀巖體邊坡，隨地層傾角不同，邊坡呈現(xiàn)出的變形破壞特征各異。傾角小于30°～35°的緩傾坡外層狀巖體邊坡，其變形破壞以塑流拉裂或壓致拉裂為主，傾角大于65°～70°的陡傾坡外層狀巖體邊坡，其變形破壞以傾倒拉裂為主。而地層傾角在35°～65°之間且傾向坡外層狀巖體邊坡，變形破壞主要表現(xiàn)為滑移～彎曲，并十分常見?；啤珡澢冃纹茐哪Ｊ揭话憬?jīng)歷三個階段（圖3），第一階段為輕微彎曲階段，邊坡順層面拉裂，局部巖體被壓碎，坡面輕微隆起，巖體發(fā)生較輕微松動；第二階段為強(qiáng)烈彎曲隆起階段，彎曲部位顯著擴(kuò)容并出現(xiàn)剖面“X”剪節(jié)理，巖體進(jìn)一步松動，局部產(chǎn)生崩落現(xiàn)象；第三階段為剪切面貫通并發(fā)生滑坡。

中陡傾角且傾向坡外層狀巖體邊坡，因?qū)用嫣貏e是層間錯動帶、擠壓破碎帶等原生結(jié)構(gòu)面和構(gòu)造結(jié)構(gòu)面存在而構(gòu)成潛在滑移面。在河谷下切過程中，邊坡發(fā)生應(yīng)力調(diào)整，在該過程中，外營力作用下發(fā)生風(fēng)化、卸荷等物理地質(zhì)現(xiàn)象會進(jìn)一步加速潛在滑移面的貫通和形成。在邊坡巖體自身重力作用下，滑移面的貫通和形成與邊坡發(fā)生滑移～彎曲彼此相互促進(jìn)，累進(jìn)發(fā)展?；泼娴呢炌ê托纬蔀橹卸竷A角且傾向坡外層狀巖體邊坡發(fā)生滑移～彎曲提供了條件，而邊坡發(fā)生滑移～彎曲會進(jìn)一步促進(jìn)滑移面的貫通和形成。

通過數(shù)值模擬方法對順向中陡傾角且傾向坡外層狀巖體邊坡進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)：①坡體上部存在拉應(yīng)力相對集中區(qū)；②破腳一帶產(chǎn)生壓應(yīng)力相對集中區(qū)；③當(dāng)坡體中存在軟弱夾層或強(qiáng)度較低的千枚巖等地層時，坡體中剪應(yīng)力集中現(xiàn)象更明顯。從側(cè)面說明，該類邊坡坡體結(jié)構(gòu)決定了其易發(fā)生滑移～彎曲變形；坡頂產(chǎn)生拉應(yīng)力區(qū)為外營力改造坡體提供通道。外營力對坡體改造及軟弱夾層存在會進(jìn)一步促進(jìn)邊坡發(fā)生滑移～彎曲變形。

3 順向河谷中陡傾角層狀巖體邊坡變形破壞特征

通過上述兩個工程實例分析并結(jié)合筆者接觸到的大量順向河谷中陡傾角層狀巖體且傾向坡外的邊坡，該類邊坡具有如下一些變形破壞特征：

1）順向河谷中陡傾角層狀巖體且傾向坡外的邊坡發(fā)生滑移～彎曲變形破壞必然經(jīng)過漫長的地質(zhì)歷史過程。在河谷下切后的漫長地質(zhì)歷史時期內(nèi)，部分已經(jīng)發(fā)生滑動并形成古滑坡，地表呈現(xiàn)出較明顯滑坡地形地貌，主要表現(xiàn)為河流急劇轉(zhuǎn)彎，岸坡常形成凸岸，坡體上圈椅狀地形明顯等。部分處于強(qiáng)烈彎曲隆起階段，在邊坡中下部地形常表現(xiàn)為“鼓肚皮”，并見大量近水平的張裂隙，地層產(chǎn)狀變化明顯。而大部分處仍于輕微彎曲階段，邊坡巖體變形特征不明顯，在天然狀態(tài)下較長時間內(nèi)可基本保持穩(wěn)定。

2）處于輕微彎曲階段雖可基本保持穩(wěn)定，但地震、爆破、工程開挖切腳及水庫蓄水等均可能成為誘發(fā)因素，觸發(fā)其從輕微彎曲階段直接進(jìn)入變形破壞階段。

3）而一旦順向河谷中陡傾角層狀巖體且傾向坡外的邊坡發(fā)生變形破壞，具有突發(fā)性、滑動速度高、規(guī)模較大、破壞力較強(qiáng)等特點并可造成重大人員傷亡及財產(chǎn)損失。

4 結(jié)語

1）通過較典型順向河谷中陡傾角層狀巖體且傾向坡外的邊坡實例分析，探討了該類邊坡發(fā)生滑移～彎曲變形破壞模式及變形破壞特征。

2）順向河谷中陡傾角層狀巖體且傾向坡外的邊坡發(fā)生滑移～彎曲是較普遍存在的。

3）順向河谷中陡傾角層狀巖體且傾向坡外的邊坡發(fā)生變形破壞，其根本原因在于其特殊的坡體結(jié)構(gòu)，地震、爆破、工程開挖切腳及水庫蓄水等易成為其發(fā)生變形破壞的觸發(fā)因素。

4）順向河谷中陡傾角層狀巖體且傾向坡外的邊坡發(fā)生變形破壞，具有突發(fā)性、滑動速度高、規(guī)模大、破壞力強(qiáng)等特點。

5）該類邊坡處于強(qiáng)烈隆起階段或已發(fā)生滑動破壞，因地形地貌特征較明顯，前期勘察易發(fā)現(xiàn)。但處于輕微彎曲階段，因地層受構(gòu)造及沉積環(huán)境影響，產(chǎn)狀出現(xiàn)一定變化實屬正常，測量本生亦存在一定誤差，變形很難被發(fā)現(xiàn)，勘察中往往被忽略。

6）我國西部地區(qū)順向深切河谷眾多，山高坡峻，交通較落后，水電、礦產(chǎn)等資源豐富，而地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜且脆弱并具較高的地震及地質(zhì)災(zāi)害危險性。開發(fā)西部地區(qū)水電及礦產(chǎn)等資源、進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)必然觸及大量順向河谷中陡傾角層狀巖體且傾向坡外的邊坡，在勘察過程中必須對該類邊坡予以足夠的重視。

7）對該類邊坡勘察，首先應(yīng)對構(gòu)成坡體結(jié)構(gòu)的地形地貌、地層巖性、結(jié)構(gòu)面等進(jìn)行宏觀把握，其次對坡體側(cè)向及后緣切割面進(jìn)行分析，最后應(yīng)對輕微產(chǎn)狀變化等細(xì)節(jié)進(jìn)行認(rèn)真分析判斷。

[1] 宋勝武．汶川大地震工程震害調(diào)查分析與研究[M]．科學(xué)出版社，2009年：4~5，159~167．

[2] 錢七虎，陳士海．爆破地震效應(yīng)[J]．爆破，2004，21（2）：1~5．

[3] 楊佑發(fā)，崔波．爆破震動速度峰值的預(yù)測[J]．振動與沖擊，2009，28（10）：195~198．

[4] 張倬元，等．工程地質(zhì)探索與開拓[M]．成都科技大學(xué)出版社，1996年.1：34~45．

[5] 王士天，等．復(fù)雜環(huán)境中地質(zhì)工程問題分析的理論與實踐[M]．四川大學(xué)出版社，2002年：130~137．

[6] 王蘭生，等．地殼淺表圈層與人類工程[M]．地質(zhì)出版社，2004年：1~8，193~203．

M odel and Characteristics of Slope Failure of Steep-Dipping Stratified Rock M ass in a Consequent Valley

LI Jin-yuan SHI Yu-bing
(Chengdu Hydroelectric Investigation & Design Institute, CHECC, Chengdu 610072)

The geological environment is very complicated in west China where steep-dipping stratified rock masses are well developed in consequent valleys which often results in slope failure. This paper makes an approach to the model and characteristics of this slope failure by two typical examples.

consequent valley; steep dipping stratified rock mass; slope failure

P642.2

A

1006-0995（2014）01-0104-05

2013-03-12

李進(jìn)元（1969-），男，河北崇禮人，碩士，高級工程師，主要從事地質(zhì)工程、巖土工程勘察及科研工作