典型邊坡變形機理分析

(成都理工大學 四川 成都 610059)

中國西部地區(qū)高邊坡地質災害不僅發(fā)生頻繁，而且具有規(guī)模大、機理復雜、危害大、防治難度高的特點。由于青藏高原的唯一性，致使這些特點在全世界范圍內也具有典型性和獨特性。由此建立了西南地區(qū)高邊坡變形破壞的地質-力學模式及相應的災害控制原理。

一、滑移-拉裂-剪斷“三段式滑坡”

(1)坡體下部受特定近水平或緩傾軟弱結構面控制的高邊坡，前緣沿結構面發(fā)生緩慢的蠕滑變形，后緣拉裂，伴隨這兩部分變形的發(fā)展，形成中部的鎖固段。最終鎖固段發(fā)生脆性剪斷破壞，形成高速滑坡[1-2]。

(2)可能產(chǎn)生這類變形破壞模式的邊坡往往具有以下的地質結構：

1.坡體主體由相對均質的脆性巖體或半成巖體構成，但坡腳發(fā)育近水平或緩傾坡外的結構面；

2.以堅硬巖體為主體，夾有相對較薄軟弱夾層構成的互層狀邊坡。

黃潤秋等(1983)提出邊坡沿坡腳軟弱結構面發(fā)生重力剪切蠕滑條件[3]：K≥Kc=(1+C-tgφlctg2α)/(1-C-tgφlctg2α)

張倬元、劉漢超等(1983)提出根據(jù)后緣拉裂的發(fā)育深度對該類邊坡的失穩(wěn)破壞進行預報[4]:Hcr=0.5763H-27.0992

黃潤秋等(1991)提出考慮鎖固段效應的邊坡穩(wěn)定性可采用下式來評價：FS=K·Fb

其中Fs為考慮鎖固段效應后的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，F(xiàn)b為假定滑面貫通情形的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，K為鎖固段破壞的超載系數(shù)，由物理模擬試驗或數(shù)值模擬得出。

(3)穩(wěn)定性或災害控制原理：核心問題是鎖固段不被破壞。重點應通過上部坡體的加固阻止后緣拉裂段的擴展，或在蠕滑段提供足夠的抗剪力。

二、“擋墻潰決型”邊坡變形及滑坡

(1)坡體下部存在軟弱基座,中部為相對堅硬巖體。這時,上部巖體沿特定面的蠕滑在中部受阻,形成應力集中鎖固段。伴隨上部蠕滑發(fā)展和下部軟弱基座的擠出變形,鎖固段發(fā)生脆性剪斷破壞，形成高速滑坡。

“鎖固段”的剛度遠高于下部軟弱基座的剛度，因此，它如一座擋墻，承擔了上部坡體沿潛在滑動面?zhèn)鬟f下來的大部份荷載。因此，鎖固段是坡體的應力集中部位。隨著時間的延長，軟弱基座在上部坡體的壓縮作用下，將發(fā)生向臨空方向擠出的緩慢蠕變，致使應力向“鎖固段”進一步轉移；最終發(fā)生突發(fā)的脆性破壞，導致滑坡發(fā)生。

(2)穩(wěn)定性或災害控制原理：保護“擋墻”的完整性不被破壞，同時對上部坡體進行支護加固或削方減載。

三、反傾層狀巖體的傾倒變形

(一)模式1：脆性折斷型

通常發(fā)生在中等-堅硬的層狀巖體或被陡傾節(jié)理分割的堅硬塊狀巖體中，以中厚層狀為主，如中厚層狀的灰?guī)r、變質砂巖等。變形的本質是巖體的“結構變形”，即受結構面控制的“剛性”轉動變形。

一般地說，這類傾倒的范圍較小，以20m深度以外居多，表現(xiàn)為淺層穩(wěn)定性問題。這類變形還通常出現(xiàn)在山梁表部地形較陡部位。由于潛在破裂面呈鋸齒狀，這類傾倒很難表現(xiàn)為整體破壞，而是以局部由前部向后部逐次擴展。

因此，這類傾倒可能變形范圍較小，由于不含軟層，因此，通常表現(xiàn)為“折而立斷”，形成明顯的根部折斷面。由于折斷面形態(tài)較為復雜，因此，一般不會產(chǎn)生沿面的滑動，而多表現(xiàn)為下部開挖失去“支撐”后的逐級后退式破壞。對開挖邊坡來說，這類變形應該有效控制，以防出現(xiàn)折斷失穩(wěn)。

災害防治原則：避免切腳開挖。邊坡開挖過程中，應及時采用長錨桿支護或作預置錨桿。

(二)模式2：延性彎曲型-深部傾倒

通常發(fā)生在軟-中等偏軟、或軟弱片巖帶發(fā)育的坡體部位。變形的本質主要是巖層在長期的地質歷史過程中所發(fā)生的蠕變或流變變形。

一般地說，這類傾倒可能變形范圍較大，以軟弱層狀巖體(片巖、泥質板巖、碳質板巖等)為主。但由于邊坡具有延性彎曲的特點，因此，通?！罢鄱粩唷?；另外，這類變形通常是是在地質歷史時期形成的，整體上屬于一種穩(wěn)定的變形破裂結構。

災害防治原則：主要進行邊坡淺部防護，可在表層清坡后，采用錨桿掛網(wǎng)噴護。

(三)模式3：壓縮-傾倒-錯動型

這類變形通常是具有軟弱基座的反傾層狀巖體邊坡發(fā)育一組與坡面平行、傾向坡外的結構面。壓縮-傾倒變形發(fā)生后，邊坡傾倒的同時，帶動坡體內順坡結構面產(chǎn)生錯動，形成一種特殊的復合變形結構。

由于這組變形結構的非貫通性，因此，通常在開挖結束后，變形也就隨之很快減緩或停止了；除非其連通率較高，否則，這種變形不會導致大規(guī)模的高邊坡整體失穩(wěn)和滑坡的發(fā)生。

災害防治原則：通常不會產(chǎn)生整體滑動，但傾倒會引起上部坡體拉裂松弛，應加強上部支護和變形監(jiān)測。

四、高應力-強卸荷應力釋放型

(一)模式1：錦屏型

由反傾巖體構成的高陡邊坡在上覆巖層的擠壓作用下，由于特定的地質結構，地應力釋放導致堅硬巖層向臨空方向擠出，導致邊坡深部拉裂、錯動。往往形成潛在不穩(wěn)定的邊坡結構：天然情況穩(wěn)定，但在外部因素作用下可導致邊坡失穩(wěn)，工程適宜性差。

災害防治原則：避免對坡腳部位的擾動和切腳開挖。加強對上部坡體的支護，加強坡體的排水。

(二)模式2：向家壩型

由近水平巖層構成的高邊坡。高水平應力在卸荷條件下釋放，驅動邊坡巖體向坡外擠出，形成深部裂縫。邊坡變形將會隨應力釋放而逐漸穩(wěn)定。邊坡開挖過程中會有較大的變形，并形成深部裂縫，但最終應力松弛完成后，是一種穩(wěn)定變形結構。應當加強表面和內部位移監(jiān)測。

五、結論

邊坡變形的發(fā)生機理是一個復雜的地質-力學過程，或者說是一個時效過程，這個過程的發(fā)生是以滑動面的貫穿過程為主體的，滑動面的形成及貫穿往往具有累進性破壞的特征。研究表明，西部地區(qū)的大型巖質滑坡的發(fā)生一般都伴隨有滑動面上“鎖固段”的突發(fā)脆性破壞?！版i固段”在巖質邊坡的變形控制和穩(wěn)定性機理中具有重要的地位，也是邊坡地質災害評價與控制的關鍵。