重慶豐都縣城區(qū)紅層邊坡變形破壞模式與穩(wěn)定性評價

蔣 正,倪化勇,宋 志

(1.中國地質(zhì)科學院，北京 100037；2.中國地質(zhì)大學(北京)，北京 100083；3.中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，四川 成都 610081)

0 引言

紅層是指以紅色陸相沉積為主的碎屑沉積巖層，以砂巖、泥巖、粉砂巖以及泥質(zhì)巖、砂質(zhì)巖為主，巖性組合特征以互層為主[1-3]。紅層具有巖體強度低，工程地質(zhì)性質(zhì)差，透水性差，親水性強，浸濕后巖體強度降低，失水后容易產(chǎn)生崩解等特征，因此紅層邊坡穩(wěn)定性問題較顯著。

前人對紅層邊坡已經(jīng)進行了廣泛而深入的研究，主要包括以下幾方面，在紅層邊坡分類方面，胡厚田等[4]選取了4個對紅層巖體及邊坡穩(wěn)定性影響最大的因素將中國紅層邊坡進行了系統(tǒng)的分類，形成了詳細的分類表，為中國紅層邊坡的進一步研究打下了堅實的基礎；周應華[5]將堆積體邊坡進一步分類，按堆積體和坡頂形狀主要分為M形堆積土和層狀邊坡巖體二元結構和雙 M形堆積土和層狀邊坡巖體二元結構兩類。魏瑞等[6]按不同的堆積地區(qū)，進一步細化了紅層堆積體邊坡分類 ,為進一步研究紅層堆積體高邊坡的破壞機理和致災模式提供了初步依據(jù)；在影響紅層邊坡穩(wěn)定性的因素方面，邱恩喜等[7]通過對四川地區(qū)80個紅層軟巖邊坡的幾何形狀、結構面產(chǎn)狀、邊坡巖體強度等特征研究提出了回彈比，并指出回彈比是對邊坡穩(wěn)定性影響的一個重要因素，確定了各因素對坡度的影響的重要性依次是塊度、回彈值、回彈比、JRC和坡高；楊旭等[8]通過構建紅層邊坡相似模型，研究了不同降雨條件下紅層邊坡的災變過程及規(guī)律；向章波等[9]采用數(shù)值模擬法研究了西南地區(qū)降雨強度、降雨歷時等因素對紅層路塹邊坡穩(wěn)定性的影響，為邊坡的支護位置與支護參數(shù)提供了參考；在紅層邊坡的變形失穩(wěn)過程及機制方面，駱銀輝等[10]通過對云南紅層巖土工程特性的研究以及工程建設實踐，分析和介紹了紅層巖土體的物理力學特性，認為紅層邊坡變形破壞過程分為蠕變、剪切、滑移3個階段并且三個階段呈周期性擴展；陳從新等[11]通過室內(nèi)三軸壓縮試驗、現(xiàn)場承壓板壓縮試驗及流變試驗研究了紅層軟巖的變形特性并進行了系統(tǒng)分析，對反傾邊坡的防治具有重要意義；王喚龍等[12]通過野外調(diào)查結合有限元分析研究了4種類型的紅層堆積體邊坡的開挖變形特征，為進一步研究紅層堆積體高邊坡打下了基礎，為紅層堆積體高邊坡治理提供了理論依據(jù)；肖尚德等[13]通過對恩施盆地紅層邊坡的野外工程地質(zhì)調(diào)查并結合室內(nèi)及現(xiàn)場試驗，將紅層邊坡變形破壞劃分為:順層巖質(zhì)滑坡、墜落式崩塌、傾倒式崩塌3種，對恩施盆地及同類型地區(qū)的紅層邊坡變形破壞的防治具有指導意義及參考價值；胡斌等[14]采用強度理論方法研究了西南地區(qū)軟硬互層紅層反向坡的穩(wěn)定性系數(shù)，采用數(shù)值模擬研究了邊坡最小主應力與豎向位移的分布特征；在紅層邊坡的防治與生態(tài)防護方面，張俊云等[15]研究了紅層邊坡的生態(tài)防護機制，總結出生態(tài)防護主要通過消除紅層泥巖風化碎屑的沖蝕、改變紅層泥巖坡體淺層的溫度場和含水量三方面的功能來控制紅層泥巖邊坡的快速風化；曹興松等[16]通過對西南紅層邊坡特征進行充分分析及在紅層地區(qū)野生植被群落結構調(diào)查的基礎之上，結合現(xiàn)有國內(nèi)研究資料,因地制宜地提出了西南紅層邊坡的植物選擇和配置模式,以指導西南紅層邊坡生態(tài)防護中科學、合理地選配適生植物。

重慶豐都縣位于四川盆地東部，屬于西南紅層地區(qū)，主要為古川滇湖區(qū)的河湖相沉積形成，城市建設大多位于紅層地層上。由于西南地區(qū)雨季長，年降雨量大，雨季為地質(zhì)災害多發(fā)期，降雨對邊坡穩(wěn)定性具有顯著影響。本文基于豐都縣城典型紅層邊坡工程地質(zhì)調(diào)查和剖面測量，對豐都縣城區(qū)紅層邊坡類型進行了劃分，分別分析了不同結構類型紅層邊坡的變形破壞機制，并在此基礎上進行了穩(wěn)定性評價和安全開挖利用研究，以期為豐都縣城紅層邊坡開挖利用、城市與工程規(guī)劃建設提供地質(zhì)依據(jù)。

1 地質(zhì)環(huán)境條件

豐都縣位于長江上游(圖1)，地處三峽庫區(qū)腹心，為三峽庫區(qū)八個重點移民縣之一，也是一個跨江整體搬遷的縣城，長江左岸和右岸分別為豐都老縣城和新縣城。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡圖Fig.1 Geological map of the study area

豐都縣位于四川盆地東部，構造上屬于川東褶皺帶 (即川東平行嶺谷帶 )。川東褶皺帶主要發(fā)育華鎣山掃狀褶皺；以近于平行的窄背斜和寬向斜組合而成所謂的隔擋式右行雁列褶皺帶，其中的單個褶曲的軸線常呈“S”型彎曲，該帶中的次級褶皺及壓性斷裂均顯右行雁列。區(qū)內(nèi)發(fā)育有眾多隱伏構造。

研究區(qū)自西北-東南分別為珍溪場向斜-忠縣背斜-豐都-忠縣向斜-方斗山背斜，呈北東向近于平行的雁列展布，背斜窄并且高陡。呈平行隔擋式，向斜寬而地層產(chǎn)狀平緩，背斜窄而地層產(chǎn)狀陡傾。方斗山背斜核部出露二疊系上統(tǒng)長興組碳酸鹽，兩翼發(fā)育三疊系砂泥巖互層及少量灰?guī)r，忠縣背斜核部為侏羅系下統(tǒng)珍珠沖組砂泥巖互層。豐都-忠縣向斜與珍溪場向斜均由侏羅系紅色砂泥巖組成。豐都縣城位于豐都-忠縣向斜核部及兩側，向斜向西南傾伏，長江穿過其核部，長江兩側地層傾向均朝向江心，長江沿岸的工程建設開挖易形成順向坡與順層斜向坡。

研究區(qū)發(fā)育侏羅系及三疊系全套地層，最老地層為二疊系上統(tǒng)長興組，最年輕地層為第四系全新統(tǒng)。豐都縣城位于侏羅系砂泥巖互層上，主要出露三組侏羅系地層，由新到老為J3p、J2sn、J2s2，區(qū)內(nèi)地層多為近水平-緩傾狀，傾角4°～20°。傾向具有顯著差異，大致以長江為界，右岸巖層傾向約300°，左岸巖層傾向約120°。巖性以砂巖、泥巖、粉砂巖為主。

豐都縣位于著名的川東多雨區(qū)，屬于亞熱帶季風性濕潤氣候，年降雨量在1 000 mm以上，區(qū)內(nèi)水系主要為長江及其支流龍河、大沙溪等。

研究區(qū)內(nèi)主要為低山丘陵地貌類型，其中雙桂山出露較新地層蓬萊鎮(zhèn)組J3p新近剝蝕，為低山地貌，其次為緩、低丘，僅在河谷、山谷間有狹小的平壩，地勢由兩岸向長江逐漸變緩。

研究區(qū)內(nèi)地形起伏較大，最大高差相差700多米，紅層地層在構造及人類活動作用下 ,易形成大量的傾斜巖層邊坡，且川東地區(qū)雨季長，年降雨量大，因此川東地區(qū)屬于典型的地質(zhì)災害多發(fā)區(qū)，以及紅層屬于易滑地層且工程性質(zhì)特殊，雨季經(jīng)常發(fā)生大量的紅層坡體塌滑災害，紅層滑坡中順層滑坡占有較大的比例。三峽庫區(qū)水位的升降對長江及其支流兩岸斜坡穩(wěn)定性也有顯著影響。

2 紅層邊坡分類及其變形破壞模式

2.1 紅層邊坡分類

根據(jù)馮君等[17]對不同傾向與坡向夾角紅層邊坡的研究，隨巖層傾向與坡向之間的夾角增大，對緩傾邊坡穩(wěn)定性影響減小(圖2)，并且在夾角為30°附近出現(xiàn)了拐點，60°以后夾角對穩(wěn)定性的變化基本無影響。

圖2 邊坡走向與巖層走向夾角對邊坡穩(wěn)定性的影響(據(jù)馮君，略有修改)Fig.2 Influence of intersection angle between slope aspect and stratum trend on slope stability

根據(jù)上述認識，結合豐都地區(qū)邊坡實際特征，將研究區(qū)內(nèi)緩傾紅層邊坡按巖層傾向與坡向之間的夾角大小將緩傾紅層邊坡分為三類，代表性剖面如圖3所示。第一類是順向坡(圖3a)，巖層傾向與坡向相同且夾角<30°；第二類是順層斜向坡(圖3b)，巖層傾向與坡向相同且夾角30°～90°；第三類是反向坡(圖3c)，巖層傾向與坡向相反。

研究區(qū)內(nèi)不同類型紅層邊坡的分布具有一定的特征，由于豐都縣老縣城與新縣城分布在長江兩岸，并且位于豐都-忠縣向斜兩翼，所以在沿江道路、房屋建設開挖形成的邊坡往往為順向坡或順層斜向坡，即順向坡與順層斜層坡多沿江分布。反向坡多發(fā)育在規(guī)劃區(qū)內(nèi)挖填方形成的開挖邊坡，由于挖填方體積大，形成的邊坡多發(fā)育卸荷裂隙，坡面多破碎，形成大量且體積大小不等的危巖體。

2.2 紅層邊坡變形機制

順向坡變形機制。邊坡開挖后，切斷巖層面，坡面臨空，巖層傾向與坡向一致且夾角<30°，巖層傾角小于坡角，巖層面剪出坡面。由于研究區(qū)緩傾紅層邊坡主要為砂巖、泥巖以及粉砂巖等軟巖的互層結構，開挖順層斜向坡變形機制。在邊坡開挖后，切斷巖層面，坡面臨空，巖層傾向與坡向一致且夾角>30°。此時邊坡穩(wěn)定性主要受節(jié)理裂隙相互組合的影響，主要以節(jié)理裂隙切割形成的楔形自由塊體發(fā)生滑動為主，滑面為多個平面，楔形塊體的下滑力主要由自重及其他外力提供，兩個滑面上的內(nèi)摩擦力等提供抗滑力，當下滑力大于抗滑力時，塊體發(fā)生滑動(圖5)。

圖3 豐都代表性斜坡剖面示意圖Fig.3 Typical slope sections in the study area

后在卸荷與重力作用下，坡體后緣產(chǎn)生拉張裂隙，坡體沿軟弱面發(fā)生蠕滑，并且在坡體內(nèi)常發(fā)育兩組節(jié)理，在降雨作用下，雨水沿著節(jié)理面下滲至下部泥巖層，導致泥巖層發(fā)生軟化、泥化作用，強度降低，蠕滑作用加強，發(fā)生累進性破壞，在強降雨作用下，后緣拉裂隙內(nèi)可能產(chǎn)生靜水壓力，由此，坡體中的軟弱巖層轉(zhuǎn)化為軟弱結構面，成為潛在的滑動面，可能產(chǎn)生滑塌(圖4)。

圖4 順向坡失穩(wěn)模式圖Fig.4 Sketch map of failure mode of the dip slope

反向坡變形機制。反向坡的穩(wěn)定性主要受風化作用及節(jié)理裂隙控制。在節(jié)理裂隙作用下，坡體內(nèi)結構面相互交叉組合，切割坡體產(chǎn)生楔狀、板柱狀塊體，發(fā)生滑動-崩塌或傾倒-崩塌；由于紅層邊坡易風化、強度低等特征，隨著時間風化逐漸加強，風化深度逐漸加深，由于砂巖、泥巖抗風化能力的差異，導致砂巖體下部形成巖腔，砂巖體突出懸于坡面，局部拉應力集中，可能使突出巖體發(fā)生拉裂-崩塌破壞，以墜落式崩塌為主(圖6)。

圖5 楔形體滑動示意圖Fig.5 Sketch map of sliding of the wedge-shaped rockmass on the diagonal slope

圖6 反向坡崩塌失穩(wěn)過程圖Fig.6 Sketch map of failure mode of the reversal slope

3 邊坡穩(wěn)定性評價

3.1 評價方法

研究邊坡穩(wěn)定性的方法主要分為定性分析和定量分析兩種，定性分析主要有地質(zhì)歷史分析法、工程地質(zhì)類比法和圖解法[18]。定量分析主要包括極限平衡法、數(shù)值模擬、滑移線場法和極限分析法等，目前世界范圍內(nèi)應用比較廣泛的方法有Janbu法[19]、Bishop法[20]、Lowe-Karafiath法[21]、Morgenstem-Priee法[22]、Spenner法[23]和Sarma法[24]。國內(nèi)越來越多學者關注極限平衡法確定邊坡穩(wěn)定性問題，并已做較深入的研究[25-28]。本文根據(jù)豐都縣城斜坡結構特征，分別采用極限平衡法(Sarma法)、赤平投影法(楔體分析法)[29]和極限平衡理論(巖石強度理論)[30]對順向、順斜和反向斜坡進行穩(wěn)定性評價。

3.1.1極限平衡法-Sarma法[16]

Sarma法的核心思想是假定巖土體是理想的塑性材料，按極限平衡原則進行力和力矩的分析，認為邊坡滑動體必須破裂成可以相對滑動的塊體才能發(fā)生整體移動，也就是滑體滑動時不僅要克服主滑面的抗剪強度，而且還要克服滑體本身的強度。

紅層順向坡砂巖層內(nèi)常發(fā)育節(jié)理裂隙，并且常含有多組軟弱夾層，Sarma法相較于Janbu法、Bishop法等定量評價方法在分析節(jié)理巖體邊坡穩(wěn)定方面更有優(yōu)勢，因為該法考慮了滑體本身的強度，可以處理具有復雜結構面的邊坡，可以根據(jù)坡體內(nèi)的各類結構面來劃分條塊并且不要求各條塊保持垂直，因此本文選擇Sarma法對順向坡進行穩(wěn)定性評價。

3.1.2赤平投影法-楔體分析法[21]

赤平投影法主要對三種典型巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)模式(平面破壞、楔形體破壞和傾倒破壞)進行評價，其中平面和楔形體兩種破壞模式，失穩(wěn)的判定原則是：βp>β>φ，其中βp為放坡坡角視傾角，β為結構面交線的傾角，φ為結構面內(nèi)摩擦角，對邊坡穩(wěn)定性做出快速、定性的判斷。楔體分析法一般針對楔形滑面，各滑面均為平面，以各滑面總抗滑力和楔形體總下滑力確定穩(wěn)定系數(shù)。

紅層順向斜向坡穩(wěn)定性主要受節(jié)理裂隙相互組合的影響，以節(jié)理裂隙切割形成的楔形自由塊體發(fā)生滑動為主。針對這種紅層邊坡內(nèi)的楔形體滑動破壞，用赤平投影法判定其是否形成楔形體，具有簡單，便捷，準確的優(yōu)勢，再利用楔形體分析法對形成的楔形體進行進一步評價，以定性+定量的方式對順向斜向坡進行評價。

3.1.3極限平衡理論-巖石強度理論[22]

巖石強度理論是研究巖石在各種應力狀態(tài)下的強度準則或破壞判據(jù)，其中包括最大主應力強度理論、庫倫強度理論、莫爾強度理論、莫爾-庫倫強度理論及格里菲斯強度理論等，各種理論各有優(yōu)缺點，其中莫爾-庫倫強度理論適用于塑性、脆性巖石的剪切破壞，同時考慮了巖石的拉、壓、剪，并可以判斷破壞方向，具有簡單、方便的優(yōu)點。

以極限平衡理論與巖石強度理論建立危巖穩(wěn)定性計算方法，通過分析危巖體的應力狀態(tài)，計算在滑移破壞面上的抗滑力矩與滑動力矩之比即穩(wěn)定系數(shù)來判斷危巖體的穩(wěn)定性，這種方法簡單可行，結果明確，在三峽庫區(qū)危巖穩(wěn)定性評分析中得到應用，已經(jīng)成為目前工程實踐中最常用的危巖體穩(wěn)定性分析方法。紅層反向坡以砂巖的危巖體崩塌破壞為主，危巖體的穩(wěn)定性主要受差異性風化作用形成的巖腔及拉張裂隙的貫通率控制，因此，本文采取極限平衡理論與巖石強度理論對紅層反向坡危巖穩(wěn)定性進行分析。

3.2 順向坡穩(wěn)定性評價

緩傾順向坡主要失穩(wěn)機制為滑移-拉裂，以巖層面為潛在滑面，滑面的抗剪強度參數(shù)由巖層面決定，認為后緣拉裂隙與滑面相互貫通時，表明滑動面形成。通過統(tǒng)計野外調(diào)查數(shù)據(jù)可知，研究區(qū)內(nèi)順向坡體內(nèi)存在一組優(yōu)勢結構面產(chǎn)狀300°∠75°，節(jié)理裂隙間距約為1～5 m，坡高約25～35 m，滑體后緣拉裂隙傾角為45°～55°，與巖體的破裂角接近。

根據(jù)以上統(tǒng)計出的豐都縣城區(qū)及周邊順層邊坡的幾何參數(shù)特征以及坡體內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育特征，建立概化模型(圖7)，模型高30m，裂隙間距采用平均間距為3m，后緣拉裂隙傾角采用50°，研究區(qū)巖土體物理力學參數(shù)見表1。

圖7 順向坡計算模型Fig.7 Calculation model of the stability of dip slope

類型彈性模量/GPa容重/(kN·m-3)泊松比黏聚力/ kPa內(nèi)摩擦角/(°)巖體1.326.50.241 00030結構面///9020

根據(jù)以上參數(shù)，分別研究邊坡在降雨和天然兩種工況下，坡角對邊坡穩(wěn)定系數(shù)的影響，采用Sarma法計算不同坡角條件下邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，得出穩(wěn)定系數(shù)隨坡角的變化趨勢(圖8)。

圖8 天然工況與降雨工況下穩(wěn)定系數(shù)變化趨勢圖Fig.8 Trend diagram of stability coefficients change under natural and rainfall conditions

由圖8可知，降雨條件下的邊坡的穩(wěn)定系數(shù)較無降雨天然工況條件下邊坡的穩(wěn)定系數(shù)下降約10%，但天然工況和降雨條件下紅層邊坡的穩(wěn)定系數(shù)隨坡角的變化總趨勢基本一致，均表現(xiàn)為邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨坡角增大而減小，以坡角50°為轉(zhuǎn)折點，在[30°，50°]穩(wěn)定系數(shù)下降較快，天然工況下下降了約23.29%，降雨工況下下降了約21.24%；在[50°，75°]穩(wěn)定系數(shù)下降較慢，天然工況和降雨條件下均下降了約8.23%左右。

按照曲線的下降趨勢與穩(wěn)定系數(shù)計算結果對照，豐都縣城紅層邊坡在天然工況下坡角約為60°左右達到極限平衡狀態(tài)。通過多組計算研究對比發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)折點處對應坡角與后緣拉張裂隙傾角相近，即與巖體的破裂角近似。因此，緩傾紅層順向坡在天然工況下的極限穩(wěn)定坡角為60°。在降雨工況下，豐都縣城紅層順向坡的極限穩(wěn)定坡角為45°。

3.3 順層斜向坡穩(wěn)定性評價

通常情況下認為坡向與巖層傾向夾角大于30°時即為順層斜向坡，據(jù)圖3可知，坡向與巖層傾向夾角大于30°時，邊坡受坡向與巖層走向夾角變化影響變小，此時主要受節(jié)理裂隙結構面控制，通過統(tǒng)計優(yōu)勢結構面可知，豐都縣城地區(qū)緩傾紅層順向斜向邊坡坡體內(nèi)主要受四組結構面控制，分別為36°∠41°，254°∠61°，229°∠81°，254°∠82°，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，主要開挖邊坡坡向為275°，坡高約為30 m，巖層產(chǎn)狀為320°∠15°，坡向與巖層傾向夾角為45°。

首先采用赤平投影法判斷節(jié)理能否切割坡體形成楔形體滑塊，并初步判定楔形體的穩(wěn)定性，判定的基本標準為：βp>β>φ，其中βp為放坡坡角視傾角，β為結構面交線的傾角，φ為結構面內(nèi)摩擦角，結果如圖9所示，紅色線條代表節(jié)理，大圓內(nèi)略小的圓代表結構面的內(nèi)摩擦角，齒狀線為坡面線，圖9中節(jié)理在275°方向共形成4個交點，其中4號點位于結構面內(nèi)摩擦角圓外，傾角小于內(nèi)摩擦角，不滿足上述條件，所以楔形體不會發(fā)生滑動，其余1、2、3號點滿足βp>β>φ，有發(fā)生滑動的可能性，需進一步定量評價。采用理正巖土巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析軟件計算上述3個三維楔形體在不同坡角條件下的穩(wěn)定系數(shù)，作出楔形體坡角-穩(wěn)定系數(shù)趨勢圖(圖10)，圖中a，b，c分別對應1，2，3號點對應的楔形體的穩(wěn)定系數(shù)曲線圖。

圖9 順向斜向坡赤平投影圖Fig.9 Stereographic projection diagram of the diagonal slope

圖10 順層斜向坡楔形體坡角-穩(wěn)定系數(shù)關系圖Fig.10 Relationship between the slope of the wedge-shaped rockmass and stability coefficient

由圖10可知，楔形體的穩(wěn)定系數(shù)隨坡角的變化呈先增大，再降低，1號和2號楔形體在75°時，穩(wěn)定系數(shù)達到峰值，3號楔形體在穩(wěn)定系數(shù)約為65°時達到峰值。

通過對比發(fā)現(xiàn)1號楔形體穩(wěn)定系數(shù)>1的坡角區(qū)間為[65°,85°]，峰值對應坡角為75°，2號楔形體穩(wěn)定系數(shù)>1的坡角區(qū)間為[65°,87°]，峰值對應坡角為75°，3號楔形體穩(wěn)定系數(shù)>1的坡角區(qū)間為[48°,85°]，峰值對應坡角為62°，在坡角小于48°時，并不會形成楔形體，此時邊坡為安全狀態(tài)。

3.4 反向坡穩(wěn)定性評價

由前述可知，緩傾紅層反向坡主要的破壞模式為滑動-崩塌、傾倒-崩塌和拉裂-崩塌。結合豐都地區(qū)野外地質(zhì)調(diào)查結果發(fā)現(xiàn)，反向坡巖層緩傾，主要為砂泥巖互層，受差異性風化作用影響明顯，易產(chǎn)生危巖體，發(fā)生拉裂-崩塌(圖11)。

圖11 反向坡差異性風化Fig.11 Differential weathering of the reversal slope

根據(jù)豐都縣城地區(qū)緩傾紅層反向邊坡調(diào)查結果建立反向坡的計算模型(圖12)，圖中H為危巖體厚度，h為拉張裂隙深度，L為拉張裂隙貫通時長度，裂隙貫通率γ=h/L，β為拉張裂隙傾角，D為巖腔深度，邊坡巖體及結構面物理力學參數(shù)見表1，采用極限平衡法與強度理論結合，計算危巖體的穩(wěn)定性系數(shù)，并繪出裂隙貫通率-穩(wěn)定系數(shù)關系曲線圖，巖腔深度-穩(wěn)定系數(shù)關系曲線圖，危巖體在不穩(wěn)定，基本穩(wěn)定和穩(wěn)定條件下的巖腔深度-后緣裂隙貫通率的關系曲線(圖13)。

圖12 反向坡計算模型Fig.12 Calculation model of the stability of reversal slope

圖13 危巖體巖腔深度、裂隙貫通率、穩(wěn)定系數(shù)關系圖Fig.13 Relationship between cavity depth, penetration rate and stability coefficients

由圖13a可知，在后緣裂隙貫通率為70%條件下，危巖穩(wěn)定性系數(shù)與巖腔深度具有近似反比例函數(shù)的關系K=7.525/D，穩(wěn)定性系數(shù)隨巖腔深度的增大而減小，減小的速率快速降低，在巖腔深度>4 m后，降低速率減小，此時穩(wěn)定系數(shù)約為1.85，當巖腔深度約為7 m時，危巖體達到極限穩(wěn)定狀態(tài)，巖腔深度的變化主要是增大了危巖體的體積及力矩大小，以此來影響危巖體的穩(wěn)定性。

圖13b表明，在巖腔深度為D=9的條件下，危巖體穩(wěn)定系數(shù)隨后緣裂隙貫通率增大而降低，并在貫通率約為60%時達到極限穩(wěn)定狀態(tài)，近似存在線性關系K=-2.137γ+ 2.324，圖中實線所示為胡斌、黃潤秋等研究紅層軟硬巖崩塌體穩(wěn)定性所得的危巖穩(wěn)定系數(shù)與裂隙貫通率關系[8]，本文結論與其有較高的一致性。

圖13c中虛線代表在天然工況條件下，危巖體處于極限穩(wěn)定狀態(tài)時，巖腔深度D與裂隙貫通率γ之間近似存在線性負相關關系D=-19.12γ+ 20.82，該直線及其兩側分別代表危巖體三種狀態(tài)：①當D>-19.12γ+ 20.82時，此時危巖體發(fā)生崩塌破壞；②當D=-19.12γ+ 20.82時，危巖體處于極限穩(wěn)定狀態(tài)；③當D<-19.12γ+ 20.82時，危巖體處于穩(wěn)定狀態(tài)。計算得出，當裂隙貫通率為60%、70%、80%時，巖腔深度分別為9.3 m、7.4 m、5.5 m，當二者同時滿足時，此時危巖體處于極限穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結論與建議

(1)隨邊坡坡度增大，紅層邊坡穩(wěn)定系數(shù)逐漸減小。在天然工況和降雨工況下，豐都縣城地區(qū)紅層順向邊坡開挖極限穩(wěn)定坡角分別為60°和45°，建議紅層順向邊坡開挖坡角小于45°，并加強坡體的排水能力。

(2)豐都縣城地區(qū)紅層順向斜向坡主要分布在豐都縣城區(qū)道路沿線，坡度小于48°時，并不會形成楔形體，邊坡為安全狀態(tài)。紅層順向斜向坡開挖利用過程中，建議開挖坡度小于48°，針對高邊坡應逐級開挖，降低風險。

(3)豐都縣城地區(qū)反向坡在演化過程中巖腔深度、裂隙貫通率與穩(wěn)定系數(shù)存在線性關系，當裂隙貫通率為60%、70%、80%，巖腔深度分別為9.3 m、7.4 m、5.5 m時，此時危巖體處于極限穩(wěn)定狀態(tài)。建議加強危巖識別與穩(wěn)定性預測評價，及時采取清危和工程措施。

致謝：中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心李丹、陳緒鈺、田凱以及成都理工大學陳千洪共同參加野外調(diào)查，西南交通大學馮偉在數(shù)值模擬中給予指導和幫助，一并致謝。