庫區(qū)高陡邊坡破壞模式機理與模擬研究

羅祥明 王 路

(1.重慶市秀山縣公路局，重慶 409900； 2.江蘇省鎮(zhèn)江市交通局，江蘇 鎮(zhèn)江 212100)

1 概述

三峽庫區(qū)涉及面積極廣，湖北省、重慶市多個區(qū)縣均在其內(nèi)。庫區(qū)多個庫區(qū)段，在蓄水時由于水位逐漸上升，靜水壓力的不斷增大而出現(xiàn)破壞變形現(xiàn)象。并且，新城區(qū)的建設(shè)和庫區(qū)移民，從而導(dǎo)致形成了大量的高陡邊坡，因為人工開挖或者庫區(qū)水位的上漲而形成的高切邊坡其地質(zhì)條件極為復(fù)雜，并且?guī)r層容易風(fēng)化，巖體破碎，逐漸暴露出來諸多嚴(yán)重問題。該庫區(qū)與地震帶有一定交集，有頻繁的地質(zhì)災(zāi)害廣泛分布，其每年所造成的損失占自然災(zāi)害方面經(jīng)濟損失的1/5，嚴(yán)重制約了當(dāng)今社會的可持續(xù)發(fā)展。

故而，在相關(guān)方面，國內(nèi)外學(xué)者對其進行了大量的研究，例如常中華等針對奉節(jié)縣城庫區(qū)地段的邊坡巖土體結(jié)構(gòu)類型及特征加以研究，劃分出了庫岸邊坡土石和基巖的分布區(qū)域，進一步明晰了庫岸邊坡的結(jié)構(gòu)類種；董金玉等則研究了庫區(qū)當(dāng)中硬軟交互層近地層高切邊坡的崩塌問題，且提出了一系列對策；殷躍平等針對庫區(qū)邊坡開挖前后的破壞過程加以分析，并詳細了解了庫區(qū)所涉及的邊坡結(jié)構(gòu)分類；羅元華等將庫區(qū)內(nèi)存在失穩(wěn)崩塌隱患的邊坡進行歸類，針對不同類型的失穩(wěn)崩塌隱患邊坡提出防護措施建議；祝介旺等人則對于庫區(qū)高切坡的防護措施、破壞模式、致災(zāi)因素等進行了分析；沈強等人以庫區(qū)某一水平面層狀巖質(zhì)邊坡為例，研究了庫區(qū)水平面層狀邊坡的多種破壞模式和穩(wěn)定性。

本文參考已有的研究基礎(chǔ)，并結(jié)合三峽庫區(qū)其存在的高切邊坡崩塌失穩(wěn)隱患，以及邊坡體破壞性，并深入研究了段邊坡崩壞形成的機制，及針對治理病害的措施。

2 庫區(qū)邊坡崩塌模式及機理分析

邊坡崩塌，指的是在一些高陡邊坡上存在有失穩(wěn)隱患的巖體，其在自重作用下脫離邊坡，繼而引發(fā)一系列的土石崩塌，最后堆積在坡腳后趨于穩(wěn)定的地質(zhì)現(xiàn)象。其多發(fā)生在大于60°～70°的斜坡之上。崩塌會造成大量經(jīng)濟損失，故而對于具有崩塌隱患的邊坡需加以研究。崩塌的規(guī)模大小、堆積形式、活動方式、破壞能力、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、運動途徑、物質(zhì)組成等差異性極大，但是所形成的機制則是有一定規(guī)律可循的。據(jù)調(diào)查，在庫區(qū)發(fā)生的崩塌災(zāi)害可分為數(shù)種破壞模式。

2.1 傾倒式崩塌

庫區(qū)段所在地勢位于峽谷兩岸，巨大而直立的巖體較為常見，其沖溝地段與其他陡坡上，其以垂直裂縫或節(jié)理與穩(wěn)定巖體分離，斷裂形式見圖1，這種巖體窄而高，橫向穩(wěn)定力不足，當(dāng)其發(fā)生失穩(wěn)時會以坡腳某一點作為支點旋轉(zhuǎn)繼而崩塌。

2.2 滑移式崩塌

某些陡坡的不穩(wěn)定的巖體下方有向下傾斜的軟弱面或者光滑結(jié)構(gòu)面。一般來說這種崩塌如果巖體的重心偏移出了陡坡，則會發(fā)生崩塌，此外連續(xù)大雨導(dǎo)致巖土體的裂縫中滲入雨水，雨水產(chǎn)生相應(yīng)的動水壓力和靜水壓力軟化土體軟弱面，以及重力的影響，均為巖體滑移的各類誘發(fā)因素。某些條件下，地震也可以引發(fā)這類崩塌。

2.3 鼓脹式崩塌

如果陡坡上的不穩(wěn)定巖體層下存在較厚的軟巖層，巖層存在長節(jié)理，分離開了穩(wěn)定巖土體和不穩(wěn)定的巖土體，再加上雨水或者地下水的影響，其下部較厚軟弱層或者軟巖層會被軟化?；蚴菐r土體本身是軟巖層，也可能會出現(xiàn)這種情況。上部巖土體由于重力作用，軟巖將會被擠出穩(wěn)定巖體，因為其壓應(yīng)力會超過軟巖天然狀態(tài)下無側(cè)限抗壓強度，隨后發(fā)生向外的鼓脹。不穩(wěn)定巖體將會不斷下沉外移，變形的不斷延伸，并且?guī)r體出現(xiàn)了傾斜，重心偏離開了陡坡，見圖2。所以下部的軟弱巖土層是這類邊坡崩塌是否產(chǎn)生的關(guān)鍵。

2.4 拉裂式崩塌

一些陡坡其巖層組成包含軟巖層和硬巖層，由于風(fēng)蝕或者水蝕作用，軟巖層剝落而使硬巖層以懸臂梁的形式懸凸出，見圖3。除了重力的長期作用之外，震動等各類風(fēng)化，尤其是寒冷地區(qū)的冰劈作用，均會促進產(chǎn)生這種崩塌。

2.5 錯斷式崩塌

邊坡村子柱、板式的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)時，在某些因素作用之下，使長柱狀、板狀不穩(wěn)定巖體的下部發(fā)生剪切破壞而發(fā)生錯斷式崩塌，因為不穩(wěn)定巖體的自重增加或是下部斷面減小，破壞形式見圖3。

3 崩塌模擬實驗

本次實驗利用變坡試驗槽進行模擬試驗，研究邊坡產(chǎn)生崩塌的機理。該變坡試驗槽長6 m寬2 m高1.3 m，槽上方設(shè)置最大降雨強度為100 mm/h的降雨設(shè)備，且雨量可調(diào)。模擬人工降雨試驗槽見圖4。2 mm以下的天然沙與粉粘土(含量約為24%)按一定比例混合成實驗用沙。粘土含量4%,8%,12%，而河沙、粉粘土及粘土含量是8%。試驗用沙顆粒級配曲線見圖5。

在坡面形態(tài)是平面情況時，選坡度30°,35°,40°三種坡度進行對崩塌影響的試驗，因為土質(zhì)邊坡最易崩塌，并且出現(xiàn)崩塌之時坡度是30°～40°。對于坡度35°進行6種不同的坡面形態(tài)試驗。因為有六種坡形和三種坡度，所以有一種方案是重合的。試驗8組。其他條件見表1。

表1 試驗條件匯總表

位移計距槽底40 cm，設(shè)置在變坡槽的中心線、其末端以上4.0 m?？紫端畨河嫷奶筋^距槽底5 cm設(shè)置于變坡槽的中心線、其末端以上1.5 m處。試驗過程當(dāng)中測量了土體移動量隨累積雨量的變化規(guī)律和孔隙水壓力。

結(jié)果顯示，邊坡崩塌與否的受控因素包括裂隙擴張以及卸荷裂隙的伸展。節(jié)理裂隙和結(jié)構(gòu)面的組合是重要因素。邊坡崩塌防止其理論依據(jù)是對已經(jīng)出現(xiàn)的危巖進行加固處理，防止其掉落，同時減緩阻止裂隙繼續(xù)發(fā)展，以保持陡坡穩(wěn)定。

4 邊坡崩塌治理分析

對于庫區(qū)段高陡易塌邊坡的治理，需要有的放矢。歸結(jié)具體治理措施如下三類：1)減少或消除水對于誘導(dǎo)崩塌滑坡的影響；2)改變崩塌體土石質(zhì)，從而阻滯崩塌滑坡體的活動；3)改變坡體外形來增加抗滑力。以下為具體措施。

4.1 遮擋避讓

對于加固成本高，或是直接加固困難的高陡巖坡，可采用遮擋避讓防治崩塌病害，是針對如公路和鐵路等經(jīng)過峽谷區(qū)的線路工程的邊坡崩塌防治方法。

4.2 攔截

可以在坡腳或者半坡上設(shè)攔截構(gòu)筑物來處理僅在雨后才有墜石和小型崩塌的地段。例修建擋石墻以攔墜石，或是落石平臺、落石槽以停積崩塌物質(zhì)；也可利用廢鋼軌、鋼絲、鋼釬編制鋼軌或者鋼釬棚欄來攔截，這種方法也可用于鐵路工程。

4.3 支擋

可用于支撐的結(jié)構(gòu)種類很多，有抗滑樁、抗滑垛、抗滑墻等，在巖石凸出或是不穩(wěn)定的大孤石下修支柱、支擋墻或用廢鋼軌支護。

4.4 掛網(wǎng)噴護與錨固

用錨桿和掛網(wǎng)噴護錨固危巖體，從而減緩阻止裂隙發(fā)展，并可加固現(xiàn)有危巖體，用于裂隙密集的卸荷裂隙區(qū)及危巖區(qū)。牽引區(qū)加固后可減緩或阻止擴展區(qū)卸荷裂隙擴張及卸荷裂隙區(qū)發(fā)展。

4.5 護墻、護坡

對緩坡進行水泥護坡，或是對于易風(fēng)化剝落的邊坡地段可修建護墻，一般邊坡均可采用。

4.6 排水

一些存在積水或流水的區(qū)段，可通過設(shè)置排水構(gòu)筑物等來進行疏導(dǎo)或攔截積水。

5 結(jié)語

對于崩塌防治應(yīng)以防為主，防治結(jié)合。平日應(yīng)注重收集數(shù)據(jù)，在必要時做前期監(jiān)測工作，并認(rèn)真分析邊坡危害的原因。如果需要，就對現(xiàn)有的危巖進行加固，防止其脫落，并減緩或者阻止裂隙的發(fā)展，以保持邊坡的相對穩(wěn)定。

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