上硬下軟結(jié)構(gòu)斜坡的失穩(wěn)模式及機理研究
--以四川李家寨危巖崩塌為例

■楊春光 湛丹

（河北省地礦局第二地質(zhì)大隊河北唐山063000）

上硬下軟結(jié)構(gòu)斜坡的失穩(wěn)模式及機理研究
--以四川李家寨危巖崩塌為例

■楊春光 湛丹

（河北省地礦局第二地質(zhì)大隊河北唐山063000）

上硬下軟結(jié)構(gòu)斜坡的失穩(wěn)模式和機理，一直是工程地質(zhì)研究領(lǐng)域的熱點問題。這類斜坡往往上部為灰?guī)r、砂巖等硬脆巖層，下部為頁巖、泥巖等軟弱巖層，在長期的卸荷、風(fēng)化等作用下，斜坡被節(jié)理切割，容易失穩(wěn)。本文以李家寨山體斜坡為例，對上硬下軟結(jié)構(gòu)斜坡的失穩(wěn)模式和機理進行研究，結(jié)果表明，這類斜坡主要以傾倒式和滑移式崩塌兩種模式失穩(wěn)破壞。由于長期卸荷及風(fēng)化作用，在斜坡體內(nèi)發(fā)育兩組平行和垂直于坡面的節(jié)理，加上差異風(fēng)化在軟硬巖接觸部位發(fā)育的凹腔，巖體被切割成獨立于母體的危巖體。另外，降雨通過后緣節(jié)理裂隙滲入坡體內(nèi)，產(chǎn)生近似水平向和垂向的靜水壓力，增加了危巖體的下滑力、減小了抗滑力，在這些因素的綜合作用下，斜坡失穩(wěn)。

上硬下軟地層 斜坡 失穩(wěn)模式 失穩(wěn)機理 靜水壓力

1　引言

上硬下軟結(jié)構(gòu)巖質(zhì)斜坡的破壞模式和失穩(wěn)機理，是目前工程地質(zhì)研究的熱點問題[1]。對于這類地層結(jié)構(gòu)邊坡的失穩(wěn)模式和機理研究，目前成果較多，殷躍平認(rèn)為上部硬巖中富水而下部軟巖隔水的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)是斜坡失穩(wěn)的關(guān)鍵；劉傳正認(rèn)為上部厚層硬質(zhì)巖石、下伏相對軟弱層組成的上硬下軟地層結(jié)構(gòu)條件下斜坡易發(fā)生崩塌破壞。上硬下軟結(jié)構(gòu)巖質(zhì)斜坡形成危巖體和發(fā)生崩塌災(zāi)害的例子較多。比如，三峽庫區(qū)鏈子崖危巖體上部是硬質(zhì)的灰?guī)r、下部相對軟弱的煤系地層；貴州關(guān)嶺大寨崩塌-滑坡上部為灰?guī)r、白云巖，中部為相對較緩的砂巖地層，下部為局部含煤的頁巖、泥巖地層，總體為上硬下軟結(jié)構(gòu)；胡斌等認(rèn)為上硬下軟邊坡崩塌形成的主要原因是由于差異風(fēng)化在下部軟巖部位形成凹腔，導(dǎo)致上部硬巖產(chǎn)生拉裂并逐漸貫通，而陳洪凱等[8]以三峽庫區(qū)危巖下部巖腔內(nèi)常見的泥巖為例，探索了區(qū)別于差異風(fēng)化的泥巖壓裂風(fēng)化作用；鄒威[2]等通過大型振動臺試驗研究認(rèn)為，上硬下軟巖質(zhì)邊坡破壞主要是巖層后緣拉裂后整體剪切錯動，最終形成崩塌；王根龍[3]等認(rèn)為上硬下軟邊坡中軟弱巖層在上部巖體壓力作用、遇水軟化、長期風(fēng)化剝落等因素作用下，不斷壓縮并向臨空方向塑性流動，導(dǎo)致上覆較堅硬巖層拉裂，形成塑流--拉裂式危巖體。

本文以四川省南江縣紅四鄉(xiāng)李家寨山體斜坡為例，在現(xiàn)場調(diào)查和勘測的基礎(chǔ)上，查明斜坡的工程地質(zhì)條件，揭示其失穩(wěn)模式和失穩(wěn)機理，為危巖穩(wěn)定性評價和治理工作提供科學(xué)依據(jù)。

圖1　危巖體分布及其周邊概況圖

圖2　李家寨山體斜坡典型剖面，圖1中I-I'剖面

2　李家寨山體斜坡基本特征

李家寨位于四川省南江縣紅四鄉(xiāng)，是鄉(xiāng)政府所在地（圖1），距離南江縣城南西30km。李家寨山體在平面上呈一北西至南東向橢圓形，山頂平緩，四周為斷崖。山體西側(cè)、東側(cè)相對平緩地帶為鄉(xiāng)政府、鄉(xiāng)衛(wèi)生院、鄉(xiāng)糧站及鄉(xiāng)獸醫(yī)站所在地，惠民村一社村民主要居住場所，并有紅四鄉(xiāng)至長赤鎮(zhèn)鄉(xiāng)級水泥路（長紅路）、紅四鄉(xiāng)至沙河鄉(xiāng)村公路（紅沙路）通過。如圖1所示，目前，沿李家寨山體周圍，發(fā)育13處危巖，其中2008年汶川地震中及其隨后的降雨危巖1、3、8、9、10已經(jīng)失穩(wěn)，并且還有再次失穩(wěn)的可能，其余危巖也均有失穩(wěn)的可能，嚴(yán)重威脅山體周圍居民的生命財產(chǎn)安全。

南江縣地形以中低山為主，境內(nèi)河流切割深度較大，河谷多較狹窄，形成諸多峽谷地貌。在南江縣總體地貌格局的控制下，李家寨山體表現(xiàn)為長約500m、寬80～110m的北西-南東向低山，山頂平緩，四周為斷崖，陡崖壁總長1.2km，崖高15～30m，崖下坡面陡峻，一般35°～45°，局部達60°，與山頂相對高差達50～80m（圖2）。

南江縣降雨充沛，年平均降雨量達到1198.7mm。降雨在時間分布不均勻性，多集中在 4-10月。1983年降水量最高，達1832.5mm，1979年最低為829.3mm，1974年9月出現(xiàn)日最大降雨量，達258.8mm。大雨開始期平均在4月20日左右，大雨結(jié)束期平均在10月3日前后。全年平均降水量日數(shù)為141天。

李家寨山體斜坡地層主要是白堊系劍門關(guān)組和第四系，自上至下依次為：①青灰色強風(fēng)化-弱風(fēng)化厚至巨厚層中細粒砂巖，產(chǎn)狀為145～169°∠9～10°，厚度15～30m，其間夾含礫砂巖、細粒砂巖構(gòu)成軟弱夾層（厚度0.2～0.4m），坡面均直立狀，構(gòu)成一級陡崖，節(jié)理裂隙發(fā)育，為危巖體的主要原生層；②棕紅色強風(fēng)化-弱風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，產(chǎn)狀145～169°∠9～10°，總厚度4～10m，其抗風(fēng)化能力較上覆粉砂質(zhì)砂巖弱，差異風(fēng)化導(dǎo)致砂巖與粉砂質(zhì)泥巖的接觸部位形成凹巖腔，促進了危巖體的產(chǎn)生；③厚層細粒砂巖，產(chǎn)狀145～169°∠9～10°，總厚度2～8m，顆粒較細，強度稍弱，在山體東側(cè)較發(fā)育，構(gòu)成二級陡崖，節(jié)理裂隙發(fā)育地段亦構(gòu)成危巖體；④棕紅色粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖互層，產(chǎn)狀135～145°∠5～8°，分布至山腳溝谷，其下部表層基本覆蓋第四系崩坡積物和殘坡積物，坡面稍緩，坡角35～45°，局部達60°以上。地層在剖面上的分布如圖2。

由于受到長期的構(gòu)造、卸荷和風(fēng)化作用，李家寨山體中節(jié)理發(fā)育，主要的節(jié)理有四組，它們的產(chǎn)狀分別為：第一組：40°～90° ∠80°～90°、第二組：135°～180°∠70°～85°、第三組：185° ～250°∠75°～90°、第四組：300°～357°∠75°～85°。這四組節(jié)理的走向分別與橢圓形山體四周的坡面走向大致平行，對于傾向一個方向的坡面，一般受到平行于坡面的一組卸荷節(jié)理與另一組垂直于坡面節(jié)理裂隙的切割，就形成了柱狀巖體。

3　李家寨山體斜坡失穩(wěn)模式

對李家寨山體周圍已經(jīng)發(fā)生的幾處崩塌和潛在崩塌的巖體結(jié)構(gòu)和形成機制進行調(diào)查總結(jié)，發(fā)現(xiàn)李家寨危巖體均發(fā)育于斜坡上部的硬脆性巖層即厚層的中粗粒砂巖中，控制危巖體穩(wěn)定性的因素主要有兩個：

（1）節(jié)理裂隙切割。李家寨山體四面陡崖，都受到與崖面平行和垂直的兩組節(jié)理裂隙切割，形成了柱狀的巖體。例如7～11號危巖體，受到了與坡面平行的第一組節(jié)理和與坡面垂直的第二組節(jié)理切割，形成了柱狀巖體。

（2）巖體凹腔。由于上部粗粒砂巖和下部粉砂質(zhì)泥巖的差異風(fēng)化，使兩者接觸部位形成大量凹腔。這些凹腔起到兩個作用，第一是和節(jié)理裂隙一起，把巖體切割成獨立于母體的危巖體，第二是使上部的硬脆性巖體失去支撐，容易失穩(wěn)。

在上面兩方面因素的控制下，危巖體的失穩(wěn)模式，主要取決于斜坡的坡度及與斜坡坡面平行的卸荷節(jié)理的產(chǎn)狀。卸荷節(jié)理的特點是其產(chǎn)狀與斜坡的坡面基本一致，因此，當(dāng)斜坡坡面較陡時，發(fā)育的卸荷節(jié)理產(chǎn)狀便陡，反之亦反。這組卸荷節(jié)理的產(chǎn)狀控制著危巖體的失穩(wěn)模式（見圖3、圖4）：

圖3　傾倒式崩塌

圖4　滑移式崩塌

（1）傾倒式崩塌。一般發(fā)生在陡坡，且坡體后部存在與邊坡坡向一致的陡傾、斷續(xù)貫通的主控卸荷節(jié)理面，由于差異風(fēng)化危巖體底部凹巖腔發(fā)育，局部臨空，危巖體垂心多位于基座臨空支點外側(cè)，支點為中風(fēng)化巖層外緣點，形成傾倒式破壞。

（2）滑移式崩塌。相對于傾倒式崩塌，此類破壞模式發(fā)育在坡度較緩的斜坡中，相應(yīng)地斜坡后部連續(xù)貫通的節(jié)理面產(chǎn)狀也較緩，因此，被切割的獨立巖體能夠沿著后部節(jié)理面和坡面發(fā)生滑移。

4　李家寨山體斜坡失穩(wěn)機理

李家寨山體斜坡的失穩(wěn)機理，主要包括三個方面，除了節(jié)理切割形成獨立巖體、差異風(fēng)化在軟硬巖接觸部位形成凹腔等斜坡體自身因素外，降雨入滲在坡體內(nèi)產(chǎn)生水平推力和浮托力，是坡體失穩(wěn)的外部誘發(fā)機理。

在李家寨山體斜坡中，上部粗砂巖中節(jié)理裂隙發(fā)育，是很好的儲水介質(zhì)，且為雨水入滲的良好通道。南江縣雨水充沛且極其分布不均勻，在雨季降雨量大，雨水沿節(jié)理裂隙迅速下滲并充滿裂隙，但是砂巖下部的粉砂質(zhì)泥巖，節(jié)理裂隙不發(fā)育，透水性小，是天然的隔水介質(zhì)。入滲的雨水在粗砂巖裂隙和砂泥巖交界處聚集，對已經(jīng)被節(jié)理裂隙切割形成的獨立粗砂巖施加水平向的靜水壓力和豎向的浮托力（圖5），水平力增大了危巖體的下滑力，而浮托力則減小危巖體有效應(yīng)力，進一步減小危巖體的抗滑力，在兩者的作用下，危巖體極易在雨季失穩(wěn)破壞。

圖5　危巖體地下水作用模型

5　結(jié)論

以李家寨山體斜坡為例，在詳細現(xiàn)場調(diào)查的基礎(chǔ)上，對上硬下軟結(jié)構(gòu)斜坡的失穩(wěn)模式和失穩(wěn)機理進行了研究，得出以下兩點結(jié)論：

（1）上硬下軟結(jié)構(gòu)斜坡的失穩(wěn)部分一般來自于上部硬脆性巖層，在長期構(gòu)造、卸荷和風(fēng)化作用下，巖體節(jié)理裂隙和由于差異風(fēng)化形成的巖石凹腔切割成獨立的危巖體，其失穩(wěn)模式一般有兩種：傾倒式和滑移式崩塌，主要取決于斜坡的坡度和平行于坡面的節(jié)理裂隙的產(chǎn)狀。

（2）上硬下軟結(jié)構(gòu)斜坡的失穩(wěn)機理包括三個方面：斜坡巖體受到兩組節(jié)理和軟硬巖接觸部位凹腔的切割形成獨立巖體；巖體凹腔使上部切割形成的危巖體失去支撐；雨水入滲在斜坡體內(nèi)形成水平與垂向兩個方向的靜水壓力，減小了危巖體的抗滑力而增大了它的下滑力。

[1]宋玉環(huán),黃潤秋,巨能攀,趙建軍，許兵.鯉魚塘水庫溢洪道邊坡穩(wěn)定性的巖體結(jié)構(gòu)分析 [J].工程地質(zhì)學(xué)報.2010,18(4):529-533.

[2]鄒威,許強,劉漢香,陳龍,王龍.強震作用下層狀巖質(zhì)斜坡破壞的大型振動臺試驗研究[J].地震工程與工程振動.2011,04:143-149.

[3]王根龍,王根龍,伍法權(quán),祁生文,于國強,蘇天明.塑流-拉裂式崩塌機制及評價方法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報.2013,32（增1），2863-2869.

[4]河北地礦建設(shè)工程集團隧道工程公司.南江縣紅四鄉(xiāng)李家寨崩塌應(yīng)急勘查報告[R],2009.3.

P694[文獻碼]B

1000-405X（2016）-7-306-2

楊春光（1967～），男，大專，地質(zhì)調(diào)查專業(yè)，工程師，研究方向為災(zāi)害地質(zhì)、水文工程地質(zhì)、地?zé)岬刭|(zhì)的勘查與評價。