強(qiáng)降雨下巖質(zhì)高邊坡變形成因機(jī)制研究

柳 旻 周 奎 張 超 姚晨輝 黃 磊 劉爭宏

（1.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安 710043；2.陜西省特殊巖土性質(zhì)與處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710043）

0 引言

在我國“一帶一路”戰(zhàn)略進(jìn)程中，中資企業(yè)采取EPC、BOT 等模式在海外大量承攬公路、橋梁、機(jī)場等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，礦產(chǎn)資源開采以及水利水電開發(fā)等項(xiàng)目，開發(fā)建設(shè)過程對工程區(qū)地質(zhì)環(huán)境帶來不同程度的改變，其中常涉及高邊坡工程。

前述工程實(shí)踐所遇高邊坡多為巖質(zhì)邊坡。這類巖質(zhì)邊坡在自然與工程的雙重力系作用下很有可能打破原有平衡，引起坡體發(fā)生連續(xù)性變形破壞響應(yīng)，導(dǎo)致坡體失穩(wěn)變形。大量工程實(shí)踐表明，巖質(zhì)邊坡變形破壞的基礎(chǔ)是其內(nèi)部薄弱結(jié)構(gòu)面，包括節(jié)理、軟弱夾層、斷層等，水的作用則是變形破壞的誘因。針對邊坡變形響應(yīng)機(jī)制，張御陽等[1]認(rèn)為碎裂巖質(zhì)邊坡的變形破壞主要受自身結(jié)構(gòu)及內(nèi)部相對長大結(jié)構(gòu)面控制；黃志鵬等[2]得出錦屏水電站料場邊坡變形破壞主要受層內(nèi)剪切軟弱夾層及斷層控制；陳 菲等[3]認(rèn)為白格滑坡裂縫區(qū)主滑區(qū)的兩組控制性結(jié)構(gòu)面是邊坡變形演變過程中節(jié)理相互連接貫通的結(jié)果；張靈熹等[4]提出云盤頭滑坡形成的主要原因是坡體經(jīng)過開挖導(dǎo)致軟弱夾層出露，隨著坡腳關(guān)鍵塊體沿著軟弱層面向臨空面滑移，后部塊體隨之滑動導(dǎo)致坡體整體發(fā)生滑移；樊友慶等[5]進(jìn)行大量的野外調(diào)研，揭示贛南地區(qū)巖質(zhì)邊坡的變形破壞模式為沿著原有結(jié)構(gòu)面滑動；曾榮福等[6]在分析西藏某水電站近壩庫岸滑坡穩(wěn)定性時(shí)，認(rèn)為滑動帶是堆積體下部碎石混合土這一軟弱層；焦國木[7]在研究某市政公路高變坡時(shí)，提出該邊坡的破壞形式以楔形體破壞與淺層失穩(wěn)掉塊為主；姬永尚等[8]通過模擬，認(rèn)為F9 斷層是影響阿爾塔什水利樞紐工程壩址右岸高邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素；冉 濤等[9]認(rèn)為導(dǎo)致川西某巖質(zhì)邊坡變形破壞的最主要因素是軟弱夾層及巖體結(jié)構(gòu)；黃鎮(zhèn)偉等[10-11]、楊建成等[12]通過研究傾倒邊坡，認(rèn)為其穩(wěn)定性取決于結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體特征。喻永祥等[13]認(rèn)為雪浪山橫山寺西側(cè)邊坡的滑動面為軟弱夾層，暴雨會加速滑坡的產(chǎn)生；宋婭芬等[14]以宜巴高速公路沿途彭家灣軟硬巖互層邊坡為工程依托，認(rèn)為該類軟硬巖互層邊坡的破壞模式是以深部軟層為滑動面的整體滑移，水是滑坡發(fā)生的條件和誘因；劉震濤等[15]結(jié)合邊坡變形監(jiān)測數(shù)據(jù)和降雨資料，擬合日均降水量和日位移速率曲線，顯示兩者呈對數(shù)關(guān)系。

東南亞某在建水電站屬“一帶一路”兩優(yōu)項(xiàng)目，在大壩右岸邊坡開挖過程中，由于削方開挖及降雨等因素引起變形及局部滑坡，本文在現(xiàn)場調(diào)查和地質(zhì)編錄基礎(chǔ)上，分析碎裂巖體結(jié)構(gòu)特征，通過建立地表變形監(jiān)測系統(tǒng)，全面監(jiān)測該邊坡在滑移起動后的變形過程，系統(tǒng)分析了該邊坡在滑移過程中的變形特征。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合該邊坡的地形地貌特征、工程地質(zhì)特征、結(jié)構(gòu)面特性，研究了該邊坡的變形破壞機(jī)制，為后續(xù)的開挖及支護(hù)方案提供依據(jù)及參考。

1 右岸F11 斷層帶邊坡工程地質(zhì)概況

該水電站大壩右岸邊坡最高開挖高程約EL.1110 m，形成的最大臨空高差約138 m，其中壩肩永久邊坡高64 m，開挖坡比為1∶0.75～1∶1.20（見圖1）。

圖1 右岸邊坡全貌

該邊坡主要巖性為砂礫巖，層面產(chǎn)狀N 25°～75° E、NW∠55°～65°，強(qiáng)風(fēng)化-弱風(fēng)化，灰白色，碎裂-碎塊結(jié)構(gòu)，鈣質(zhì)膠結(jié)，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，完整性較差-較破碎。部分強(qiáng)風(fēng)化巖體砂化，裂面高嶺土化現(xiàn)象較明顯，礫巖有溶蝕現(xiàn)象。

該邊坡原始地形陡峻，巖體中發(fā)育有與河道近平行的中、陡傾角節(jié)理，岸坡巖體卸荷現(xiàn)象明顯，巖體卸荷下限基本位于弱風(fēng)化下帶處。卸荷帶內(nèi)多發(fā)于卸荷裂隙，裂隙一般呈張開-微張狀，局部見寬張裂隙。

該邊坡第四系坡積物主要分布于邊坡下游側(cè)邊緣，呈散體結(jié)構(gòu)；全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化巖體主要分布于EL.1020～1025 m 以上。斷層帶內(nèi)礫巖透鏡體及泥質(zhì)板巖條帶多呈強(qiáng)風(fēng)化狀，碎裂結(jié)構(gòu)，巖體完整性為較破碎-破碎，其中泥質(zhì)板巖遇水易軟化，工程性能較差；弱風(fēng)化巖體主要分布于EL.1020 ～1025 m 以下，巖層多呈中厚層-厚層狀結(jié)構(gòu)，該層巖體層厚較大，卸荷不明顯（見圖2）。

圖2 右岸F11 斷層帶邊坡開挖地質(zhì)展視圖

邊坡開挖揭示的主要構(gòu)造為F11 和F22 斷層。其中F11 斷層在EL.1046 m 以下整體產(chǎn)狀為N25°E、NW∠77°，寬約11～18 m，由泥質(zhì)板巖條帶、構(gòu)造角礫巖及碎粉巖組成，膠結(jié)較差，斷層帶內(nèi)紫紅色泥質(zhì)板巖條帶、碎粉巖物質(zhì)等遇水易泥化、軟化。

2 邊坡開挖變形特征

2.1 邊坡結(jié)構(gòu)特征

右岸下游側(cè)邊坡上部開口線位于EL.1046 m 左右。坡向大致為N36°E，與巖層面走向近乎平行。邊坡外側(cè)靠河流下游側(cè)為第四系覆蓋層和全風(fēng)化巖體，屬土質(zhì)邊坡；EL.1046～1025 m 多為強(qiáng)風(fēng)化巖層，屬碎裂巖體邊坡；EL.1025 m 以下以弱風(fēng)化巖體為主，為橫向坡。

F11 斷層帶走向與開挖邊坡坡向近垂直，但與下游側(cè)沖溝形成的邊坡近平行，且傾向偏于坡內(nèi)。

2.2 變形體基本特征

2018年9月19日，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)右岸EL.1046 m 邊坡出現(xiàn)裂縫，裂縫寬約3 mm，走向N40°E，貫穿壩頂公路至EL.1046 m 以上邊坡?，F(xiàn)場踏勘后認(rèn)為裂縫成因是雨水沿噴錨邊緣下滲，F(xiàn)11 斷層中物質(zhì)吸水軟化，加之開挖后應(yīng)力場重分布，導(dǎo)致沉降產(chǎn)生。由于2018年12月前該裂縫變化不顯著，未對裂縫進(jìn)行封閉處理。

2018年12月上旬，工程區(qū)連續(xù)發(fā)生兩次較大降雨，右岸下游F11 斷層帶部位邊坡在EL.1046～1010 m斷續(xù)新增多條裂縫，且原有裂縫明顯加寬，出現(xiàn)錯(cuò)臺現(xiàn)象；EL.1025 m 馬道內(nèi)緣有較為明顯的鼓脹現(xiàn)象?，F(xiàn)場踏勘后初步判斷雨水入滲導(dǎo)致斷層帶物質(zhì)軟化，引起邊坡局部淺表層變形，以及坡體上部破碎巖體在重力作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)滑移破壞。降雨起到了明顯的觸發(fā)作用。

變形集中在EL.1046～1010 m 的邊坡上，主要為淺表滑動，裂縫發(fā)育情況見圖3，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，將變形區(qū)劃分為3 個(gè)區(qū)域（見圖4）：

圖3 右岸F11 斷層帶邊坡裂縫平面分布圖

圖4 右岸F11 斷層帶邊坡分區(qū)圖

（1）1 區(qū)域（Zone 1）為EL.1046～1025 m 的邊坡，包括靠近混凝土加工系統(tǒng)側(cè)的臨空面和水墊塘正面邊坡。邊坡形態(tài)外凸，表面開裂破壞集中在邊坡凸起部位及F11 斷層帶部位。其中EL.1046 m 平臺裂縫寬度最大達(dá)8 cm，并有錯(cuò)臺現(xiàn)象，該裂縫屬邊坡后緣拉裂縫，主拉裂縫位于EL.1046 m 平臺，由外至內(nèi)約5 m，裂縫延伸長約20～30 m（見圖5）；邊坡坡面有多處張拉裂縫，且有輕微鼓脹現(xiàn)象，但裂縫未貫穿坡面（見圖6）；EL.1025 m 馬道內(nèi)側(cè)見明顯的膨脹裂縫，屬邊坡變形剪出口部位（見圖7）。

圖5 EL.1046 m 主拉裂縫

圖6 邊坡外凸處裂縫發(fā)育

圖7 EL.1025 m 馬道內(nèi)緣鼓出開裂

（2）2 區(qū)域（Zone 2）為EL.1025～1010 m 的邊坡，其變形特征主要為沿馬道外緣的開裂（見圖8），坡體上張拉裂縫發(fā)育、噴射混凝土局部輕微鼓脹變形。

圖8 EL.1025 ～ 1010 m 邊坡開裂

（3）3 區(qū)域（Zone 3）為EL.1010～995 m、位于F11 斷層帶下游側(cè)的邊坡。前期開挖此處邊坡時(shí)，發(fā)生過兩處塊體失穩(wěn)事件，均發(fā)生于EL.1010 m 馬道內(nèi)緣，其失穩(wěn)楔形體由兩組側(cè)向陡傾節(jié)理和一組底部中傾坡外節(jié)理組合切割而成（見圖9）。

圖9 右岸邊坡F11 斷層帶處開挖期間滑塌區(qū)

2.3 變形體組成物質(zhì)及厚度

（1）1 區(qū)域（Zone 1）內(nèi)下游側(cè)面邊坡多為第四系覆蓋層和全風(fēng)化巖體，水墊塘正面邊坡區(qū)域多以全風(fēng)化-強(qiáng)風(fēng)化巖體為主。1 區(qū)域的變形體主要為F11斷層，根據(jù)裂隙張開分布情況及反演的潛在滑動面，推測1 區(qū)域變形體厚度較薄，一般為1～3 m，最大不超過5 m（見圖10）。

圖10 EL.1025 ～ 1010 m 邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)開裂主要特征

（2）2 區(qū)域（Zone 2）總體為橫向結(jié)構(gòu)邊坡，邊坡巖體以強(qiáng)風(fēng)化-弱風(fēng)化砂礫巖為主，局部夾灰綠色泥質(zhì)板巖。2 區(qū)域的變形體主要為F11 斷層下盤碎裂巖體（見圖11），根據(jù)裂隙張開分布情況、EL.1010 m 以上可能的牽引式滑動區(qū)及反演的潛在滑動面，推測2 區(qū)域變形體厚度亦較薄，水平厚度一般為1～3 m。EL.1010 m 馬道寬度達(dá)3 m，且EL.1010 m底部變形不明顯，整體判斷2 區(qū)域（Zone 2）潛在滑動方量不大。

圖11 EL.1025 ～ 1010 m F11 斷裂帶處邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)開裂主要特征

（3）3 區(qū)域（Zone 3）邊坡變形體主要為弱風(fēng)化砂礫巖體，為不利節(jié)理組合切割形成的不穩(wěn)定楔形塊體（見圖12）。經(jīng)現(xiàn)場測量前期開挖時(shí)的兩次失穩(wěn)范圍，不穩(wěn)定楔形體厚度約2.5 m、寬5～10 m，兩處失穩(wěn)方量分別約3946.5 m3和4450.2 m3，方量較大。

圖12 3 區(qū)域塌方區(qū)域赤平投影圖

2.4 變形體破壞特征

監(jiān)測資料顯示，2018年12月14-19日，EL.1046 m 平臺裂縫累計(jì)最大水平位移為101 mm（見圖13），累計(jì)最大垂直下沉值達(dá)115 mm。表明1 區(qū)域滑動面基本形成，上緣拉張變形影響區(qū)清晰，整體向下方河面產(chǎn)生滑移，滑動方向N36°E。

圖13 EL.1046 m 平臺5#主拉裂縫寬度監(jiān)測數(shù)據(jù)

3 變形體成因機(jī)制分析

根據(jù)開挖編錄資料、現(xiàn)場調(diào)查和監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合變形體分區(qū)、物質(zhì)組成及形態(tài)特征，認(rèn)為各區(qū)域變形體成因機(jī)制如下：

（1）1 區(qū)域（Zone 1）：整體屬外凸坡，開挖后形成較陡的臨空面，開挖松弛作用較為明顯。巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙面多泥質(zhì)填充。受后期強(qiáng)降雨滲透作用，裂隙中物質(zhì)軟化，使得軟弱結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度弱化；同時(shí)降雨產(chǎn)生裂隙水壓力和滲流壓力，加速裂隙向深部延伸發(fā)展，進(jìn)一步軟化深部巖土體。變形體壓縮蠕變量逐漸累積增大，滑面貫穿形成后，產(chǎn)生了較大的后緣拉裂。由于邊坡側(cè)向臨空，巖體縱向壓縮過程中伴隨有一定程度的側(cè)向擴(kuò)張，這種現(xiàn)象在坡腳處或馬道處表現(xiàn)得最為明顯，形成彎曲隆起的鼓丘前緣，為鼓脹剪出變形，具有明顯的“剪出口”特征。因此，1區(qū)域邊坡主要破壞形式為松散介質(zhì)邊坡經(jīng)開挖松弛、遇水軟化后沿最大剪應(yīng)力面產(chǎn)生滑移-拉裂變形。

（2）2 區(qū)域（Zone 2）邊坡巖體以強(qiáng)風(fēng)化-弱風(fēng)化碎裂巖體為主，整體較1 區(qū)域開挖坡形更平順，因此受開挖松弛影響稍弱；且2 區(qū)域張拉裂縫沿坡面不同高程均有展布，張開度普遍較小，受雨水滲入作用也較1 區(qū)域弱，因此2 區(qū)域壓縮蠕變累計(jì)量較1 區(qū)域小，變形量有限，變形體滑面尚未貫通形成。故其變形體主要形成機(jī)制為F11 斷層帶形成的松散介質(zhì)和碎裂巖體邊坡的局部剪切滑移。

此外，受EL.1010 m 平臺以下兩處開挖期間發(fā)生的塊體失穩(wěn)影響，2 區(qū)域在上部坡體自重應(yīng)力作用下產(chǎn)生斜坡蠕變，上部坡體隨蠕變發(fā)展不斷松弛，產(chǎn)生新的表生破裂面，因而EL.1010 m 上部邊坡產(chǎn)生了多個(gè)牽引式的變形拉裂縫。

（3）3 區(qū)域（Zone 3）邊坡巖體多呈中厚層-厚層狀結(jié)構(gòu)，該區(qū)域巖體層厚較大，處于卸荷帶底部影響范圍內(nèi)，巖體堅(jiān)硬，受降水及基巖裂隙水作用后未發(fā)生軟化，其變形主要表現(xiàn)為楔形體（由中傾坡外的節(jié)理、陡傾結(jié)構(gòu)面和開挖面共同切割而成）的平面滑移。

4 結(jié)論

（1）壩基右岸F11 斷層帶邊坡在開挖后，產(chǎn)生了張拉裂縫、混凝土鼓出等一系列變形響應(yīng)，通過對邊坡形態(tài)、物質(zhì)組成、變形特征及監(jiān)測數(shù)據(jù)等進(jìn)行綜合分析，將變形區(qū)劃分三個(gè)區(qū)域，得出各區(qū)邊坡變形破壞機(jī)制。

（2）各區(qū)域變形機(jī)制如下：

①1 區(qū)域?yàn)樗缮⒔橘|(zhì)邊坡，經(jīng)開挖松弛、遇水軟化后，發(fā)生蠕滑-拉裂型破壞。兩次強(qiáng)降雨起到了軟化巖土體、產(chǎn)生滲流壓力、加速裂縫延伸的作用。

②2 區(qū)域?yàn)樗缮⒔橘|(zhì)和碎裂巖體，開挖坡型較平緩，開挖松弛作用不強(qiáng)烈、雨水下滲影響較小，未形成貫通滑裂面，疊加發(fā)生于開挖期的下部塊體失穩(wěn)影響，發(fā)生局部剪切滑移破壞。

③3 區(qū)域巖體為中厚層-厚層狀結(jié)構(gòu)，巖質(zhì)堅(jiān)硬，受降水的不利影響小，破壞模式體現(xiàn)為不利結(jié)構(gòu)面組合切割的楔形體的平面滑移。