巖質(zhì)滑坡變形破壞機(jī)制及結(jié)構(gòu)面影響因素分析
——以貴州省安龍縣總科組巖質(zhì)滑坡為例

李青峰

（貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局117地質(zhì)大隊(duì)，貴州 貴陽 550018）

巖質(zhì)滑坡是地質(zhì)災(zāi)害防治工程重要的研究災(zāi)害類型之一，在我國(guó)西部的貴州山區(qū)，受地質(zhì)構(gòu)造作用，普遍地區(qū)淺表層第四系覆蓋層較薄，大量的基巖出露地表，形成各種類型的巖質(zhì)斜坡，隨著近年來國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水利、公路、鐵路、城市建設(shè)等各類建設(shè)工程對(duì)原有的巖質(zhì)斜坡體進(jìn)行了不同程度的改造及破壞，形成了大小不一的各類巖質(zhì)滑坡體（或潛在滑坡體）。由于實(shí)際巖體中含有大量不同構(gòu)造、產(chǎn)狀和特性等不連續(xù)結(jié)構(gòu)面（比如層面、節(jié)理、裂隙、軟弱夾層、巖脈和斷層破碎帶等），給巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定分析帶來了巨大的困難。由于巖體的重量較大，一般巖質(zhì)滑坡的規(guī)模普遍較大，一旦發(fā)生巖質(zhì)滑坡，其威脅范圍及造成的后果相對(duì)于其它土質(zhì)滑坡較大，且?guī)r質(zhì)滑坡的治理成本相對(duì)于其它土質(zhì)滑坡往往較高。因此，研究巖質(zhì)滑坡的變形破壞機(jī)制及影響因素對(duì)巖質(zhì)滑坡的穩(wěn)定性分析及治理方案的設(shè)計(jì)尤其重要。為了對(duì)巖質(zhì)滑坡進(jìn)行準(zhǔn)確的穩(wěn)定性分析，從而采取適當(dāng)?shù)姆乐未胧瑖?guó)內(nèi)外學(xué)者和巖土工程人員提出了許多理論和方法，大大促進(jìn)了巖質(zhì)滑坡穩(wěn)定性分析方法的發(fā)展。本文中筆者以貴州省黔西南州近期發(fā)生的總科組巖質(zhì)滑坡為例，分析巖質(zhì)滑坡的變形破壞機(jī)制及結(jié)構(gòu)面對(duì)滑坡的影響，為今后類似的巖質(zhì)滑坡地質(zhì)災(zāi)害變形破壞模式及穩(wěn)定性分析提供參考。

1 總科組滑坡的基本概況

總科組滑坡位于貴州省西南地區(qū)安龍縣境內(nèi)，滑坡于2021年3月10日發(fā)生，平面形態(tài)近似“長(zhǎng)舌形”，滑坡縱長(zhǎng)142m，滑坡平均寬度約80m，滑體平均厚度約18m，滑坡體積20.5×104m3，為一中型中層牽引式順層巖質(zhì)滑坡。該滑坡所處地貌為碳酸鹽巖區(qū)低中山溶蝕緩斜坡地貌，斜坡體為一單面坡，坡向110°（與滑動(dòng)方向一致），坡度20°～40°，斜坡前緣為平坦的“山間壩子”，后緣為“凹”型的山坳與山脊組合地貌，滑坡區(qū)淺表層零星分布第四系殘坡積層，厚度0～1.0m，滑坡體主要為楊柳井組（T2y）淺灰色薄至中厚層塊狀白云巖、泥質(zhì)白云巖夾泥巖，強(qiáng)風(fēng)化層厚度5～20m 不等，強(qiáng)風(fēng)化段巖體破碎呈碎塊狀，滑帶為一厚度5～10cm 灰色薄層狀泥巖夾層，滑坡滑動(dòng)后呈泥化硬塑狀；滑床為中厚層狀中風(fēng)化白云巖。滑坡區(qū)地下水埋藏較深，未見巖溶發(fā)育、未見裂隙水、泉點(diǎn)發(fā)育、地表水亦不發(fā)育總體水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，滑坡滑動(dòng)后在前緣公路形成堆積體，后緣及左側(cè)緣形成大規(guī)模的“拉陷槽”[1]。如圖1、圖2所示。

圖2 總科組滑坡體全貌

2 巖質(zhì)滑坡的變形破壞演化過程

總科組滑坡所處的斜坡坡腳遭受過2 次的人為工程改造，第一次為20世紀(jì)90年代坡腳公路修建對(duì)坡腳進(jìn)行了開挖，但開挖深度不大，向坡內(nèi)開挖深度約5m，對(duì)斜坡巖體結(jié)構(gòu)擾動(dòng)輕微，第二次為近期坡腳修建房屋向坡體內(nèi)進(jìn)行了大面積的開挖，在原有的基礎(chǔ)上向坡內(nèi)開挖深度約25m，兩次總計(jì)向坡內(nèi)開挖深度達(dá)到30m 左右，為滑坡滑動(dòng)提供空間條件的同時(shí)極大地改變了斜坡的應(yīng)力狀態(tài)。如圖3～圖5所示。

圖3 總科組滑坡所屬斜坡開挖前狀態(tài)

圖5 總科組滑坡所屬斜坡房屋修建開挖后未滑動(dòng)前狀態(tài)

圖4 總科組滑坡所屬斜坡公路修建開挖后狀態(tài)

當(dāng)自然巖質(zhì)斜坡坡腳未遭受開挖破壞時(shí)，巖體應(yīng)力處于平衡狀態(tài)，此時(shí)斜坡體最大主應(yīng)力σ1為斜坡自重應(yīng)力，方向垂直向下，最小主應(yīng)力σ3為水平向，圖3狀態(tài)所示；當(dāng)坡腳開挖形成一定臨空面后，坡體外側(cè)成為無限變形的空間，坡體中的應(yīng)力將自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整進(jìn)行應(yīng)力重分布，以達(dá)到新的平衡，應(yīng)力重分布表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是坡體內(nèi)的應(yīng)力發(fā)生偏轉(zhuǎn)，原先垂直的的最大主應(yīng)力σ1轉(zhuǎn)為與坡面大致平行，原先水平的最小主應(yīng)力σ3轉(zhuǎn)為與坡面近乎垂直，在坡面及坡頂處的最小主應(yīng)力可能成為拉應(yīng)力[2]（圖5）；二是坡體內(nèi)的應(yīng)力向強(qiáng)度薄弱處（多為軟弱結(jié)構(gòu)面附近）轉(zhuǎn)移，在結(jié)構(gòu)面的端點(diǎn)、轉(zhuǎn)折和交匯處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，在順坡向結(jié)構(gòu)面出現(xiàn)剪應(yīng)力和拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，在反坡向結(jié)構(gòu)面出現(xiàn)壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大剪應(yīng)力和拉應(yīng)力多出現(xiàn)在坡體最大主應(yīng)力跡線與結(jié)構(gòu)面呈30°～40°斜交情況下。伴隨應(yīng)力的調(diào)整，坡體發(fā)生變形與巖體破裂，變形破裂出現(xiàn)在軟弱結(jié)構(gòu)面附近，表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)面的擴(kuò)張、錯(cuò)動(dòng)和“關(guān)鍵阻滑塊體”剪段等局部失穩(wěn)形式，這種局部失穩(wěn)，首先在最容易產(chǎn)生屈服破壞的薄弱部位發(fā)生（如斜坡的底部、坡面及軟弱夾層），并沿結(jié)構(gòu)面向坡體內(nèi)部延伸發(fā)展。

當(dāng)自然巖質(zhì)斜坡坡腳未被開挖或開挖高度不是很大時(shí)，由坡體重力產(chǎn)生的下滑力小于結(jié)構(gòu)面上的摩阻力與粘聚力之和，斜坡就能維持自穩(wěn)能力而處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)，由應(yīng)力集中造成的結(jié)構(gòu)面的局部失穩(wěn)區(qū)，只是孤立無序和隨機(jī)地出現(xiàn)，對(duì)斜坡的整體穩(wěn)定性影響不大（圖2）。隨著斜坡坡腳開挖高度增大，結(jié)構(gòu)面的剪切應(yīng)力和法向應(yīng)力也加大，原有的“阻滑關(guān)鍵塊體”即鎖固段被破壞或被剪斷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面上的平均粘聚力逐漸減小，原先呈孤立無序的各個(gè)失穩(wěn)區(qū)不再單獨(dú)作用，而以有序的滑動(dòng)和擴(kuò)張的方式，力圖將潛在的滑面貫通，最后，當(dāng)滑面完全貫通時(shí)，滑體就沿滑動(dòng)面快速向臨空面方向滑動(dòng)，斜坡整體失穩(wěn)破壞，造成滑坡災(zāi)害（圖2）。巖質(zhì)斜坡自坡腳開挖至尋求到新的力學(xué)平衡（包括發(fā)展至失穩(wěn)破壞），其間的應(yīng)力調(diào)整會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，調(diào)整時(shí)間的長(zhǎng)、短受坡高、坡體結(jié)構(gòu)、巖性、地面荷載、地下水等因素影響，有時(shí)，對(duì)于大型巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜的巖質(zhì)斜坡，坡體應(yīng)力調(diào)整可持續(xù)數(shù)年。

從上述的巖質(zhì)斜坡體應(yīng)力變形調(diào)整過程分析可知：①巖質(zhì)斜坡都有一定的自穩(wěn)能力和相應(yīng)的自穩(wěn)坡體結(jié)構(gòu)（坡度、高度等）；②巖質(zhì)斜坡的應(yīng)力集中和失穩(wěn)區(qū)發(fā)展首先都是沿結(jié)構(gòu)面出現(xiàn)；③巖質(zhì)斜坡的破壞是漸進(jìn)、累積式的過程，是結(jié)構(gòu)面鎖固段被逐個(gè)剪段后，粘聚力減少至消失，導(dǎo)致潛在滑動(dòng)面貫通的結(jié)果；④巖質(zhì)斜坡開挖至破壞，其間應(yīng)力調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)短不同[3]。

3 巖質(zhì)滑坡的變形破壞機(jī)制

巖質(zhì)滑坡的變形破壞模式，是指坡體結(jié)構(gòu)面成為滑動(dòng)面的空間組合形態(tài)特征和滑動(dòng)的機(jī)理，常見的破壞模式有：①單一平面滑動(dòng)型，多發(fā)生在巖質(zhì)斜坡存在一個(gè)單一的，傾向與坡向基本一致的，在坡體內(nèi)聯(lián)系分布的結(jié)構(gòu)面（如巖性分界面，層間剪切密集帶等）時(shí)，其穩(wěn)定性分析可采用赤平極射投影法和極限平衡理論公式法等；②折線平面滑動(dòng)型，多發(fā)生在巖質(zhì)斜坡存在一組（重復(fù)出現(xiàn)）傾向與坡向基本一致，但間距與長(zhǎng)度較小的結(jié)構(gòu)面（如節(jié)理裂隙面）時(shí)，可采用傳遞系數(shù)法進(jìn)行穩(wěn)定性分析；③三維楔形體滑動(dòng)型，多發(fā)生在高陡的巖質(zhì)斜坡中，斜坡為塊狀巖體，存在兩組或兩組以上，傾向與坡向斜交，且其交線傾向與坡向一致的結(jié)構(gòu)面時(shí)（“V”型破壞），穩(wěn)定性分析可采用赤平極射投影法和實(shí)際比例投影法，亦可采用比例投影法；④圓弧滑動(dòng)型，多發(fā)生在邊坡為松散破碎的巖體或節(jié)理發(fā)育，層厚較薄的軟質(zhì)巖，穩(wěn)定性分析通常采用條分法；⑤傾倒破壞型，多發(fā)生在邊坡為堅(jiān)硬塊狀巖體，存在一組走向與坡面一致，傾角較陡（一般大于70°）時(shí)。破壞受巖塊的傾倒力矩控制，即取決于巖塊自重荷載及其空間幾何關(guān)系，穩(wěn)定性分析可采用赤平極射投影法。

上述簡(jiǎn)單的破壞模式可任意組合，形成多種復(fù)雜的破壞模式。破壞模式取決于坡體介質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)、應(yīng)力、結(jié)構(gòu)面、地下水、工程條件、附加荷載和開挖支護(hù)條件等因素，情況十分復(fù)雜多變。故一個(gè)邊坡的不同地段和部位，可能存在不同的破壞模式?？偪平M滑坡的破壞模式為單一平面滑動(dòng)型，其破壞過程為滑移—拉裂—剪段三個(gè)階段，即下部沿緩傾坡外結(jié)構(gòu)面（層面）蠕滑、后緣拉裂、中前部鎖固段（關(guān)鍵阻滑塊體）剪斷破壞。

4 結(jié)構(gòu)面的影響

所謂的結(jié)構(gòu)面，就是存在于坡體內(nèi)的，相對(duì)于坡體巖石軟弱的不連續(xù)面，包括巖體層面、不同風(fēng)化帶界面、斷層、節(jié)理裂隙、剪切密集帶等。其中，在斜坡中單一存在的、規(guī)模較大的，已基本貫通的結(jié)構(gòu)面有地層或巖性分界面、風(fēng)化帶界面、斷層等，在斜坡中重復(fù)出現(xiàn)、規(guī)模較小的、不連續(xù)分布的結(jié)構(gòu)面有節(jié)理裂隙等，這種結(jié)構(gòu)面只有在斜坡中有規(guī)律的重復(fù)出現(xiàn)和有利的方位時(shí)，才可能對(duì)邊坡的破壞產(chǎn)生明顯的影響?？偪平M滑坡是一個(gè)典型的受軟弱結(jié)構(gòu)面控制產(chǎn)生的滑坡，決定結(jié)構(gòu)面成為潛在滑動(dòng)面的兩個(gè)最重要的因素是結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀和抗剪強(qiáng)度，對(duì)巖質(zhì)滑坡穩(wěn)定性而言，結(jié)構(gòu)面的最重要的性質(zhì)是它相對(duì)于坡面的方位。只有在結(jié)構(gòu)面或結(jié)構(gòu)面交線的傾向與坡向基本一致(交角小于20°)時(shí)，才具有潛在滑動(dòng)面的可能性。當(dāng)結(jié)構(gòu)面與坡面為反向傾或斜交角度較大時(shí)，它對(duì)滑坡穩(wěn)定性影響只是破壞坡體巖石的完整性和控制滑塊的邊界。當(dāng)然，結(jié)構(gòu)面要成為滑動(dòng)面，應(yīng)使其傾角小于坡角，而大于結(jié)構(gòu)面的綜合內(nèi)摩擦角。由于結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀常是一個(gè)范圍值，故巖質(zhì)滑坡穩(wěn)定性分析應(yīng)采用結(jié)構(gòu)面的優(yōu)勢(shì)或平均的傾向方位和傾角為好。

在結(jié)構(gòu)面具有潛在滑動(dòng)面的方位時(shí)，沿結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度就決定了滑坡的穩(wěn)定性。當(dāng)然，如果滑坡的正應(yīng)力達(dá)到了巖體的抗壓強(qiáng)度，那滑坡的破壞就不是受結(jié)構(gòu)面的控制，而只依據(jù)巖體的抗壓強(qiáng)度，這種情況出現(xiàn)于高陡的、規(guī)模較大的，且上部巖體堅(jiān)硬、下部巖體基座較軟的斜坡，這種斜坡相對(duì)較少，所以，巖質(zhì)滑坡的穩(wěn)定性一般取決于外傾結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度；結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度主要取決于結(jié)構(gòu)面的表面性質(zhì)及其可能的變化，結(jié)構(gòu)面的表面性質(zhì)有：粗糙起伏程度、含泥質(zhì)充填物程度、鎖固段所占的比例、表面硬度等，結(jié)構(gòu)面的表面性質(zhì)復(fù)雜多變，對(duì)于隱伏型的結(jié)構(gòu)面，一般的勘查工作很難詳細(xì)查明結(jié)構(gòu)面的表面性質(zhì)。

在結(jié)構(gòu)面表面平直，無鎖固段和泥質(zhì)充填情況下，結(jié)構(gòu)面上只存在摩擦力而無粘聚力出現(xiàn)。此時(shí)，剪應(yīng)力τ=σn?tanφ，即結(jié)構(gòu)面傾角大于結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角時(shí)，巖質(zhì)斜坡就失穩(wěn)破壞，當(dāng)結(jié)構(gòu)面為斷層、節(jié)理及層間剪切密集帶等（在地質(zhì)歷史期間）已預(yù)先剪斷位移過時(shí)，結(jié)構(gòu)面的內(nèi)摩擦角宜取殘余內(nèi)摩擦角φr。如果結(jié)構(gòu)面呈起伏不平或存在未剪斷的鎖固段時(shí)，滑體沿結(jié)構(gòu)面要產(chǎn)生較大位移，則必須越過或剪斷凸出部分，這時(shí)，除結(jié)構(gòu)面的摩擦力外，還有內(nèi)聚力起阻滑作用，此時(shí)，剪應(yīng)力τ=c+σn?tanφr。結(jié)構(gòu)面的c值可理解為滑體克服結(jié)構(gòu)面凸凹不平部分的剪應(yīng)力增大值，故可用一個(gè)內(nèi)摩擦角的“擴(kuò)張角”d代替，此時(shí)，結(jié)構(gòu)面的綜合內(nèi)摩擦角φd=φr+d，剪應(yīng)力τ=tan(φr+d)。d值大小隨剪位移變化，由剪位移初期的峰值(有時(shí)d可達(dá)30°以上)開始，隨結(jié)構(gòu)面凸出部分被逐漸碾平或剪斷，d值逐漸減小，直到最后完全消失(即c=0)。這時(shí)，結(jié)構(gòu)面上僅存在由φr產(chǎn)生的摩阻力，當(dāng)下滑力大于由φr產(chǎn)生的摩阻力情況下，斜坡就失穩(wěn)破壞。有泥質(zhì)充填物的結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度的取值可根據(jù)夾泥層的厚度h和結(jié)構(gòu)面凸凹不平的幅度a之比值，分別考慮確定，當(dāng)h/a≥1.5 時(shí)，巖質(zhì)斜坡的穩(wěn)定性就完全取決于泥質(zhì)充填物的抗剪強(qiáng)度。當(dāng)h/a<1.5 時(shí)，問題則較復(fù)雜，結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度同時(shí)受結(jié)構(gòu)面凸凹不平的擴(kuò)張角d、泥質(zhì)充填物的性質(zhì)等幾個(gè)因素的相互影響。

5 結(jié)論

本文以貴州省安龍縣總科組巖質(zhì)滑坡分析和揭示了巖質(zhì)滑坡變形破壞機(jī)制及結(jié)構(gòu)面因素，分析表面：

（1）巖質(zhì)滑坡的發(fā)生機(jī)理受坡體特定的地形地貌及地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件所控制。人類工程活動(dòng)對(duì)巖質(zhì)斜坡體的改造是巖質(zhì)滑坡發(fā)生的重要原因。

（2）巖質(zhì)滑坡的發(fā)生機(jī)理是一個(gè)復(fù)雜的地質(zhì)—力學(xué)過程,或者說是一個(gè)時(shí)效過程[4],這個(gè)過程的發(fā)生是以滑動(dòng)面的貫穿過程為主體的,滑動(dòng)面的形成及貫穿往往受結(jié)構(gòu)面及外界因素的影響，具有累進(jìn)性破壞的特征。

（3）大多數(shù)順層的巖質(zhì)滑坡受結(jié)構(gòu)面的控制，其主要控制因素為結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀及力學(xué)性質(zhì)。