紅砂巖邊坡降雨入滲變形機(jī)理分析

余靖輝， 付　敏， 穆　程， 王　博

(1.湖南省永龍高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 永順　416700；　2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院， 湖南 長沙　410008)

?

紅砂巖邊坡降雨入滲變形機(jī)理分析

余靖輝1， 付敏2， 穆程2， 王博1

(1.湖南省永龍高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 永順416700；2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院， 湖南 長沙410008)

[摘要]為詳細(xì)研究湘西紅層邊坡在降雨入滲作用影響下的變形機(jī)理，在收集已有資料的基礎(chǔ)上對湘西紅砂巖的特性進(jìn)行了歸納總結(jié)，分析了紅層邊坡在不同變形階段時的降雨入滲機(jī)理。表明：坡體在不同變形階段其滲透系數(shù)大小不同；滲透系數(shù)差異決定了坡體變形破壞的形態(tài)；隨著含水量的增加，軟弱夾層的C、ф值也隨之下降，最終達(dá)到殘余強(qiáng)度；隨著地下水位的升高，坡體的安全系數(shù)也隨之下降。結(jié)合朱雀洞滑坡的治理，說明對小型坡體進(jìn)行預(yù)加固、大的坡體可采用排水廊道措施，可以確保工程的安全經(jīng)濟(jì)，為類似邊坡的勘察設(shè)計提供參考。

[關(guān)鍵詞]紅砂巖； 降雨入滲； 地下水； 朱雀洞滑坡； 排水廊道

1紅砂巖及其特性

本文所指紅砂巖主要是指湘西南地區(qū)廣泛存在的侏羅系、白堊系、第三系的內(nèi)陸相，紅色巖層和第四系的“紅化”沉積物，包括泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂巖及頁巖等，因其鐵質(zhì)氧化物含量高，多呈紅色、深紅色或褐色，統(tǒng)稱“紅砂巖”[1]。

該類巖體受構(gòu)造運(yùn)動影響嚴(yán)重，其邊坡主要工程地質(zhì)特性為[2]： ①呈層狀，且有巖性不均、軟硬互層的特征(見圖1)。紅砂巖體主要由砂巖泥巖、泥巖砂巖、粉砂巖等組成，且多呈互層狀，單層厚度變化多在10 cm～3 m左右，地層在巖性上有明顯的不均勻性。 ②受構(gòu)造運(yùn)動作用影響，巖體內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理發(fā)育，易風(fēng)化，易崩解。層面節(jié)理較發(fā)育，節(jié)理與層面大角度相交，多微張，主要以泥質(zhì)膠結(jié)物為主，局部可見硅質(zhì)膠結(jié)。 ③巖層在褶皺與傾斜過程中，層間相對運(yùn)動所形成的巖屑在地下水的浸泡下易泥化，成為坡體內(nèi)的軟弱夾層，該夾層具有粘聚力低，內(nèi)摩擦角小的特點(diǎn)，特別是在含水量變化的情況下，夾層的黏聚力及內(nèi)摩擦角急劇變小[3](見圖2)。 ④多為單斜狀，且?guī)r層傾角較緩，多在5°～30°左右，邊坡巖體破碎，地下水易沿節(jié)理裂隙下滲。

圖1　紅砂巖邊坡特點(diǎn)Figure 1　Characteristics of red sandstone slope

圖2　紅砂巖泥化夾層抗剪強(qiáng)度—含水量變化關(guān)系　　　(據(jù)張可能)Figure 2　The relationship between the shear strength and the 　　　water content of the red sandstone(By Keneng Zhang)

2紅砂巖邊坡降雨入滲機(jī)理

降雨入滲主要指大氣降雨由地表滲入到下伏土體、巖體以致飽和帶的階段性過程，地下水的運(yùn)動規(guī)律一般服從達(dá)西法則。一次降雨補(bǔ)充到地下水的水量與該次降雨量的比值稱為次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)，影響該系數(shù)的因素主要有：土壤性質(zhì)、地形地貌、植被覆蓋、降雨強(qiáng)度、降雨時空分布、雨前地下水埋深及其它人為因素。

2.1邊坡特征

谷德振教授將地質(zhì)體的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型劃分為六類，孫廣忠先生將前6類歸納為：統(tǒng)一含水體、層狀含水體、脈狀含水體及管道含水體等四類[4]。根據(jù)紅砂巖地質(zhì)特點(diǎn)，筆者認(rèn)為該類地層邊坡的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型主要為層狀含水體和脈狀含水體兩類的組合。隨巖體埋深的增加，結(jié)構(gòu)面的密度和張開度相應(yīng)減小，所以巖體的滲透性也隨深度增加而減小。

陳志堅[5]，將層狀巖體的巖性分為四類：互層狀薄層軟、硬巖組合體；互層狀中厚層、厚層軟、硬巖組合體；厚層、中厚層硬巖夾薄層軟巖組合體；厚層、中厚層軟巖夾薄層硬巖組合體。根據(jù)巖體中軟弱夾層、裂隙等結(jié)構(gòu)面的分布規(guī)律，厚～中厚層狀硬巖夾薄層狀軟巖組合體透水性強(qiáng)。

軟巖邊坡巖體變形強(qiáng)度與其本身強(qiáng)度有關(guān)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明[6]，在單軸壓縮下，巖質(zhì)較軟的泥巖，其破壞形式為具有塑性特征的剪切破壞，粉砂巖為剪切破壞，細(xì)砂巖為脆性剪切破壞，并帶有縱向劈裂。

2.2覆蓋層的作用

紅砂巖邊坡的覆蓋層一般主要由殘坡積黏土夾碎石組成，其厚度一般在1～10 m左右，具有孔隙率大、結(jié)構(gòu)松散、透水性好等特征。降雨多以孔隙水形式儲存在覆蓋層中，并向下伏基巖以垂直入滲方式進(jìn)行補(bǔ)給，當(dāng)覆蓋層下伏強(qiáng)、中風(fēng)化基巖節(jié)理裂隙發(fā)育時，孔隙水會將覆蓋層中細(xì)小的黏粒淋濾到節(jié)理裂隙中，起到“封堵”裂隙的作用，而裂隙中的黏粒在濕熱交替環(huán)境中，會產(chǎn)生脹縮，對巖體產(chǎn)生“劈裂”作用，產(chǎn)生新的裂隙，進(jìn)一步降低巖體的完整性。

3紅砂巖邊坡降雨入滲的作用

3.1紅砂巖邊坡不同階段的降雨入滲情況

根據(jù)紅砂巖邊坡的入滲補(bǔ)給系數(shù)不同，結(jié)合邊坡的不同變形階段，可將紅砂巖邊坡降雨入滲特點(diǎn)歸結(jié)為以下幾點(diǎn)：

穩(wěn)定邊坡降雨入滲：此時坡體巖體完整性相對較好，節(jié)理裂隙多閉合，巖體的滲透性小，巖體的滲透性為微～弱透水性，滲透系數(shù)10-6～10-4cm/s，單次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)K0隨降雨量的變化不大。

極限穩(wěn)定階段的降雨入滲：巖體內(nèi)節(jié)理裂隙逐漸張開，覆蓋層出現(xiàn)細(xì)小裂縫，巖體的滲透性為弱～中透水性，滲透系數(shù)10-5～10-3cm/s，此時坡體的次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)K1隨降雨量、坡體的變形量呈逐漸增大的趨勢。

滑移變形階段的降雨入滲：在該階段，坡體表面出現(xiàn)張拉裂縫、巖體內(nèi)部的節(jié)理裂隙逐漸拉張，隨后被剝蝕的巖石碎片或黏粒充填，使裂隙的抗剪強(qiáng)度降低[7]，巖體滲透性為強(qiáng)～極強(qiáng)透水性，此時的次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)為K2，相對K1急劇增大。隨著大量的水進(jìn)入坡體，坡體內(nèi)的泥化夾層在水軟化的作用下，強(qiáng)度急劇下降，導(dǎo)致坡體變形加速，變形的結(jié)果又會導(dǎo)致入滲量的增加，從而形成惡性循環(huán)。

滑移后穩(wěn)定階段的降雨入滲：此時坡體變形趨于穩(wěn)定，該階段降雨將覆蓋層的黏粒淋濾到基巖裂隙中，且?guī)r體本身在水浸泡的作用下會產(chǎn)生崩解、軟化，節(jié)理裂隙漸漸被泥質(zhì)填充，巖體滲透系數(shù)降低，此時沿節(jié)理方向的次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)K3將會逐漸降低。

對比這四種類型的入滲補(bǔ)給系數(shù)，有如下關(guān)系：K2>K3>K1>K0。

3.2降雨對邊坡地下水的影響

降雨會導(dǎo)致坡體內(nèi)地下水位升高，在坡體內(nèi)形成靜水壓力及揚(yáng)壓力。由于紅砂巖本身具有成層性，根據(jù)前人研究[8、9](見圖3)，沿層面滲透系數(shù)大于垂直層面的滲透系數(shù)，當(dāng)巖層傾向坡內(nèi)時，反向坡的滲透系數(shù)高于順坡向節(jié)理組的滲透系數(shù)，此時坡體內(nèi)的地下水位較高，坡面附近的水壓增大，順坡向的節(jié)理裂隙中靜水壓力大，會產(chǎn)生“劈裂”作用，此時坡體會形成臺階狀滑坡(見圖3(a))；當(dāng)巖層陡傾且順坡向時，沿層面滲透系數(shù)遠(yuǎn)大于傾向坡內(nèi)的節(jié)理組滲透系數(shù)，層面靜水壓力高，易使巖體沿層面產(chǎn)生外傾，形成潰曲或崩塌破壞，在坡體內(nèi)形成折線破壞面；當(dāng)巖層順坡向緩傾角時，地下水易從坡面沿巖層層面滲出，坡體內(nèi)地下水位面近平行層面，一旦開挖形成臨空面，則會產(chǎn)生順層滑坡(見圖3(c))。此外，如坡腳處有自由水面，坡體內(nèi)的地下水位面易受坡外水面變化的影響。

圖3　不同滲透系數(shù)-巖層傾角下坡體地下水及破壞情況Figure 3　Ground water and damage of rock slope with 　　　different permeability coefficient

3.3降雨對紅砂巖邊坡巖體力學(xué)性能的影響[1]

紅砂巖的主要礦物成分為蒙脫石、伊利石和高嶺石等碎屑礦物，具有比表面積大、親水性強(qiáng)、浸水時膨脹、軟化的特點(diǎn)。蒙脫石礦物的結(jié)構(gòu)單位層間為氧—氧聯(lián)結(jié)，其鍵力很弱，易為具有氧鍵的強(qiáng)極化水分子楔入所分開。其八面體中的鋁離子Al4+常為低價的其它離子(如鎂Mg2+)所置換，在八面體淺層面上出現(xiàn)多余的負(fù)電荷，從而吸附水中的陽離子，使極化水分子成為水化陽離子，進(jìn)入結(jié)構(gòu)單位層間使層間距離增大而呈現(xiàn)較大的膨脹等工程特性。此外，鐵質(zhì)礦物也易因磁作用而導(dǎo)致風(fēng)化，并可能引起軟質(zhì)紅砂巖的膨脹和破碎。此外，紅砂巖的沉積構(gòu)造也將影響其崩解特性，層面和層理形成弱面，水較易沿弱面產(chǎn)生軟化帶，并被吸入到該結(jié)構(gòu)空隙形成粒間水而導(dǎo)致巖體膨脹，巖石中的裂隙在反復(fù)干濕過程中也為巖石的崩解提供了條件。巖石愈弱，裂隙的頻率一般也愈高，干燥過程中，由于負(fù)的孔隙水壓力導(dǎo)致的孔隙水壓力梯度，使巖石破裂成多邊形，這種干裂與已有裂隙、紋理在侵蝕引起的應(yīng)力釋放效應(yīng)下，可在數(shù)月內(nèi)迅速將大部分巖石崩解成塊狀集合體，其崩解時間隨干濕頻率及巖石的礦物成分和結(jié)構(gòu)的不同而不同。

3.4地下水對軟弱夾層力學(xué)性能的影響

水對坡體穩(wěn)定性影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面：降低滑面處的有效應(yīng)力；在滑坡后緣產(chǎn)生靜水壓(推)力；降低滑帶土體強(qiáng)度；降低坡體土體滲透系數(shù)。

水的浮托作用降低了滑體在滑面處的有效法向應(yīng)力，從而降低滑面的抗滑力。坡體的變形，在坡體后緣產(chǎn)生張裂縫，張裂縫中水的壓力水深度呈線性增加，其作用在滑體后緣的合力沿斜面向下，同時在巖體與張裂縫交界面處對巖體產(chǎn)生上舉力u(見圖4)降低該部位有效法向應(yīng)力，計算公式如式(1)所示。

圖4　裂隙水作用圖Figure 4　Effect of fissure water

τ=c+(σ-u)tanφ

(1)

水對巖體不連續(xù)面的粘結(jié)和摩擦性能的影響取決于充填物和膠結(jié)物的性能。充填物為砂質(zhì)土或者礫石時，其土體強(qiáng)度c、φ值不會受到水的影響；

但是粘粒含量較大的充填物，在水的作用下，土體的c、φ值隨土體水含量的多少而有很大的變化(見圖2)；當(dāng)充填物為斷層泥或粘土?xí)r，其滲透系數(shù)比坡體巖體低三到四個數(shù)量級，使得地下水滯留在巖體內(nèi)，對坡體穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響。從表1中的示例可以看出：坡體內(nèi)地下水位每上升3～4 m，坡體的安全系數(shù)降低約0.1，可見，坡體內(nèi)地下水對坡體的穩(wěn)定性有很大的影響。

表1 水位升降對坡體安全系數(shù)的影響(理正巖土計算)Table1 Effectofwaterlevelonthesafetyfactoroftheslope(Lizhenggeotechnical)結(jié)構(gòu)面參數(shù)粘聚力/kPa6內(nèi)摩擦角/(°)9水位標(biāo)高/m272.9274.9276.9278.9安全系數(shù)0.960.9430.8800.803

4工程實(shí)例介紹

4.1工程概況[10]

朱雀洞滑坡位于瀘溪縣潭溪鎮(zhèn)朱雀洞村，屬于構(gòu)造剝蝕的丘陵區(qū)，坡頂高程282 m，坡腳高程125 m左右，斜坡坡度10°～20°。坡腳為丹青河，此段河道呈U型拐彎。高速公路位于河流沖刷岸的山體中部，路基距離河道170～270 m，距山頂200～250 m，路線所在的山坡位于河流彎道的沖刷岸。該段坡體覆蓋層厚度較小，約0～3 m，下伏基巖為白堊系上統(tǒng)(K2)中厚層狀鈣質(zhì)砂巖與鈣泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖互層，各巖性單層厚度一般2～4 m。

該段坡體于2007年7月份，因持續(xù)降水及洪水驟漲淘蝕河岸發(fā)生了大型山體滑坡(見圖5)，滑體前緣沖入丹青河造成河道阻塞形成堰塞湖，2007年8月疏通河道后，河床高度抬升至127～130 m。

圖5　朱雀洞滑坡全景圖Figure 5　Landslide panorama of zhouquedong

根據(jù)鉆探及地質(zhì)調(diào)繪，該滑坡為一典型的牽引式滑坡，滑動面的埋深主要表現(xiàn)為后淺前深，滑坡后部滑面埋深約0～11 m，上部邊坡滑床已經(jīng)出露；滑坡前部滑面埋深13～20 m。

滑坡體的剪出口位于滑坡發(fā)生前的丹青河岸邊，根據(jù)調(diào)查，滑坡剪出口的標(biāo)高約124～125 m，基本平原河床，為滑坡的滑動源。表2為各勘探剖面在不同水位時安全系數(shù)計算情況。

表2 各剖面參數(shù)驗(yàn)算情況Table2 Checkingcalculationofparametersofeachsection計算斷面安全系數(shù)下滑段抗剪強(qiáng)度抗滑段抗剪強(qiáng)度常水位高水位粘聚力C/kPa內(nèi)摩擦角?/(°)粘聚力C/kPa內(nèi)摩擦角?/(°)B-B’1.1460.8487141925C-C’1.2710.9667141925D-D’1.1280.9567141926E-E’1.0480.9147141926F-F’1.0210.9877141926

4.2降雨入滲在該滑坡中的作用

降雨入滲在該滑坡形成的過程中起到的作用有以下幾點(diǎn)：

① 內(nèi)部作用。降雨沿淺部較破碎強(qiáng)風(fēng)化巖體中垂直的節(jié)理裂隙下滲，在相對完整的巖體上層蓄積，順層向的排水通道不能及時的將雨水排出，坡體內(nèi)的地下水不斷蓄積，從而形成浮托力、靜水壓力及揚(yáng)壓力。同時地下水對巖體內(nèi)的節(jié)理裂隙、層里面填充物也起到軟化作用。

此外，坡體在產(chǎn)生滑坡之前由于連續(xù)降雨已經(jīng)產(chǎn)生變形，致使坡體內(nèi)部節(jié)理裂隙逐漸張開，坡體滲透性急劇增大，為降雨入滲形成了有利的條件。

② 外部作用。該段自然坡體坡腳為丹青河，河水流量具有典型的山區(qū)河流的特點(diǎn)，暴雨季節(jié)水量驟漲，直接沖切、掏蝕坡體前端凹岸坡腳，形成臨空面；河流水位的抬高，反過來也補(bǔ)給坡體內(nèi)的地下水，也對坡體前部巖體造成浸泡作用。

③ 施工影響。發(fā)生滑移前，坡體中后部的路基已經(jīng)填筑成型，但排水措施尚未全部完成，該段路基對坡體中后部的滲流場形成一定的影響，同時由于排水施設(shè)尚未發(fā)揮作用，從而路堤本身則成為一“土壩”。

4.3防護(hù)及處治措施

綜合滑坡產(chǎn)生的原因，經(jīng)過多次分析論證，最后對該滑坡提出的處治措施如下：抗滑樁+排水廊道+漿砌片石擋墻。

排水廊道的設(shè)置主要是為了降低坡體內(nèi)的地下水位，從而降低水對坡體穩(wěn)定性的不良影響。

排水廊道施工過程中便可見坡體內(nèi)地下水下滲(見圖6)，施工完成后，坡體內(nèi)仍有大量的水滲出(見圖7)。由次可見：排水廊道起到了預(yù)期的作用。

圖6　施工過程中廊道內(nèi)泄水情況

Figure 6The discharge

of the corridor in the

construction process圖7施工完成后廊道口排水情況

Figure 7After the completion of construction of corridor crossing drainage

5結(jié)論及建議

紅砂巖由于其獨(dú)特的工程地質(zhì)特性，在該類地層的邊坡尤其是順向坡應(yīng)特別重視；

根據(jù)坡體變形的不同階段，其降雨入滲系數(shù)有所不同，加速變形階段其次降雨入滲系數(shù)大；

在不同巖層傾向的坡體中，地下水位是不一致的，并對坡體的變形起到一定的影響；

降雨入滲既能軟化坡體巖體，又能對坡體內(nèi)的軟弱夾層產(chǎn)生軟化作用，隨著含水量的增加，軟弱夾層的抗剪強(qiáng)度急劇降低；

該類型的滑坡處治過程中，應(yīng)對地下水的作用進(jìn)行重點(diǎn)研究，制定針對性的截排水措施，降低坡體地下水位，確保工程安全的同時，又能有效的節(jié)約工程造價。

[參考文獻(xiàn)]

[1]中華人民共和國區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告芷江幅1：200000.G-19-Ⅱ地質(zhì)部分[R].湖南省革命委員會地質(zhì)局區(qū)測隊(duì)，1973.

[2]付敏.湘西紅砂巖邊坡施工過程穩(wěn)定性分析及監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用研究 [D].長沙：中南大學(xué)，2006：7-9.

[3]張可能，周斌，彭環(huán)云，等.湘西高速公路紅砂巖工程特性及邊坡穩(wěn)定分析[J].南華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，23(3)：5-9.

[4]孫廣忠，孫毅.巖體力學(xué)原理[M].北京：科學(xué)出版社，2011：39.

[5]陳志堅.層狀巖質(zhì)邊坡地下水分布特征及其控穩(wěn)作用[J]，河海大學(xué)學(xué)報，2001，29(1)：107-110.

[6]程強(qiáng).紅層軟巖開挖邊坡致災(zāi)機(jī)理及防治技術(shù)研究 [D].成都：西南交通大學(xué)，2008：54-57.

[7]P.B 阿特維爾，I.W.法墨.工程地質(zhì)學(xué)原理[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1982：439.

[8]E.Hoek J.W.Bray，(盧世宗等譯)巖石邊坡工程[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1983：9-10.

[9]袁紹國，楊萬根.邊坡巖體裂隙水滲流的計算機(jī)模擬[J].中國礦業(yè)，1995，20(4)：47-49.

[10]湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院.湘西自治州朱雀洞滑坡治理工程工程地質(zhì)勘察報告[R]，長沙：湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院，2008.

Deformation Mechanism of Red Sandstone Slope at Rainfall Infiltration

YU Jinghui1， FU Min2， MU Cheng2， WANG Bo1

(1.Hunan Province Yonglong Highway Construction & Development Co.Ltd.Yongshun， Hunan 416700， China；2.Hunan Provincial Communications Planing， Survey & Design nistitute， Yongshun， Hunan 416700， China)

[Abstract]In study of the deformation mechanism of red-sandstone slope at rainfall infiltration influence in the western of Hunan，base on existing data collection and the characteristics of the red sandstone were summarized，analyzed deformation mechanism in different stages of rainfall infiltration.Indicate that：The permeability coefficient of slope is different in different deformation stages，the difference of permeability coefficient determines the shape of slope deformation and destruction，with the increase of water content，weak inter-layer C，ф value also decreased，and ultimately achieve the residual strength.Along with the rise of the groundwater level，the safety factor of the slope also decreases.Combined with the Zhu-que-dong landslide governance，illustrate the drainage corridor measures to ensure the safety and economy of engineering in small or large slope pre-reinforcement or reinforcement.Provide a reference for the similar slope survey and design.

[Key words]red-sandstone； rainfall infiltration； groundwater； landslide of zhouquedong； drainage corridor

[中圖分類號]U 416.1+4

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1674—0610(2016)02—0221—05

[作者簡介]余靖輝(1972—)，男，湖南岳陽人，高級工程師，主要從事高速公路建設(shè)與管理工作。

[收稿日期]2016—01—08