山西S331省道某邊坡危巖發(fā)育特征及防治措施

龐偉軍，高 劍，焦海平，張雄偉

(1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000； 2.中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司中衛(wèi)工務(wù)段，寧夏 中衛(wèi) 755000)

危巖是指發(fā)育于陡崖或陡坡上由結(jié)構(gòu)面切割且穩(wěn)定性差的巖石塊體及其組合，產(chǎn)生過(guò)程具有發(fā)育漸進(jìn)性和失穩(wěn)突變性[1-3]。軟弱基座型危巖是危巖崩塌的最常見(jiàn)類型[4]，成因機(jī)制為下伏軟層的壓縮、塑性擠出、滑移等誘發(fā)頂部硬質(zhì)巖的崩塌破壞，通常變形規(guī)模大，災(zāi)害性強(qiáng)。

目前，針對(duì)軟弱基座危巖體已有較多的研究成果。如黃潤(rùn)秋[5]從應(yīng)力和變形的角度提出了緩傾軟弱基座型斜坡具有蠕滑-拉裂-剪斷的三段式破壞模式；唐紅梅等[6]從力學(xué)的角度研究了軟弱基座式危巖崩塌序列和簡(jiǎn)化單體危巖的崩塌機(jī)理，驗(yàn)證了危巖鏈?zhǔn)桨l(fā)育規(guī)律；蘭志勇等[7]采用數(shù)值和模型相結(jié)合的方法分析了某斜坡坡體內(nèi)應(yīng)力、變形分布特征和發(fā)展過(guò)程，認(rèn)為緩傾內(nèi)具軟弱基座的斜坡變形破壞機(jī)制表現(xiàn)為壓縮-拉裂-剪斷三段式；周新等以重慶甄子巖為例，認(rèn)為基座巖體的壓縮流變和剪切流變是引發(fā)危巖體滑移垮塌的主要原因；黃達(dá)等[8]通過(guò)巫山縣望霞危巖的研究，提出該軟弱基座危巖變形失穩(wěn)過(guò)程可分為穩(wěn)定、累積損傷、座落及折斷四個(gè)階段等等。

山西S331省道在沁水縣境內(nèi)多沿縣河、沁河河谷布設(shè)，沿線上硬下軟和軟硬互層結(jié)構(gòu)巖質(zhì)邊坡大量分布，為軟弱基座型危巖崩塌的孕育產(chǎn)生奠定了良好的地質(zhì)條件和變形依附體，發(fā)育數(shù)量多，規(guī)模體積大，危害程度高，給線路的維護(hù)和行車安全造成了長(zhǎng)期性影響和威脅。本文借助既有研究成果，以沁水S331省道某邊坡典型的軟弱基座型危巖崩塌為例，分析病害發(fā)育過(guò)程、破壞模式、成因機(jī)制及發(fā)展趨勢(shì)等，提出合理有效的針對(duì)性防治措施，為沿線類似危巖體的正確認(rèn)識(shí)和工程治理提供參考。

1 研究區(qū)工程地質(zhì)概況

研究區(qū)位于山西省晉城市沁水縣東部縣河河谷區(qū)，處于沁水凹陷核部地帶，地貌形態(tài)以侵蝕性中低山和堆積河谷平地為主。區(qū)內(nèi)地層巖性主要為二疊系中統(tǒng)(P2)砂、泥巖及互層，在河谷區(qū)上覆厚度較大的卵礫石層。區(qū)域巖層基本呈水平狀，但經(jīng)構(gòu)造擠壓作用，巖體內(nèi)發(fā)育兩組大角度相交的豎向優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面，連續(xù)貫通性較好，切割巖體呈塊體狀。S331省道在區(qū)內(nèi)多布設(shè)于縣河左岸山體斜坡腳，受地形條件控制和開挖影響，于線路內(nèi)側(cè)形成長(zhǎng)距離、大段落的路塹邊坡體，坡度多70°以上，高度10 m～50 m不等。坡頂自然斜坡平均坡度20°左右，坡面植被茂密。

研究危巖體發(fā)育邊坡緊鄰縣河河岸分布，平面上沿道路呈北東-南西向展布，長(zhǎng)度約125 m。坡體開挖高度18 m～22 m之間，坡度75°～90°，坡面平整度較差，反坡、陡坎、凹槽等大量發(fā)育(見(jiàn)圖1)，坡腳于泥巖頂部可見(jiàn)空腔，最大深度0.5 m。

該邊坡為典型的上硬下軟結(jié)構(gòu)巖質(zhì)邊坡體(見(jiàn)圖2)。上部二疊系中統(tǒng)砂巖為邊坡的主要物質(zhì)組成體，巖層水平狀分布，中厚～厚層，中風(fēng)化為主，巖體質(zhì)較硬。巖體內(nèi)發(fā)育兩組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面：1)N65°E∠NW84°，連續(xù)貫通，微張，面理較粗糙，局部泥質(zhì)充填，間距0.2 m～0.5 m；2)N45°W∠⊥，連續(xù)貫通，面理較平整，閉合狀，局部張開，間距0.2 m～1.5 m。受結(jié)構(gòu)面切割，砂巖整體較破碎，呈塊體狀和鑲嵌碎塊石狀。下部泥巖在坡腳呈條帶狀出露，可見(jiàn)厚度2.0 m～3.5 m不等，薄～中厚層，風(fēng)化強(qiáng)烈，巖體質(zhì)軟，淺表層風(fēng)化為碎裂、散體狀。泥巖頂部與砂巖接觸帶發(fā)育數(shù)處溪流狀滲水泉眼，滲水量受降雨明顯控制，旱季多為干涸狀。

2 危巖發(fā)育特征

長(zhǎng)期以來(lái)，研究段邊坡塊狀巖體的錯(cuò)斷掉塊和鑲嵌碎塊石狀巖體的錯(cuò)落坍塌變形時(shí)常發(fā)生，雖單次變形規(guī)模、體積較小，但變形破壞頻率較高，每年雨季均產(chǎn)生數(shù)次的危巖落石和崩塌。2020年8月份，受沁水地區(qū)連續(xù)強(qiáng)降雨影響，研究區(qū)S331省道再次發(fā)育產(chǎn)生多處邊坡危巖險(xiǎn)情，其中以研究段路塹邊坡的危巖變形和破壞最為嚴(yán)重，造成區(qū)間交通中斷數(shù)日，危巖潛在變形規(guī)?？焖贁U(kuò)大，對(duì)道路行車安全形成了嚴(yán)重威脅和隱患。

踏勘調(diào)查，本次研究段邊坡危巖的發(fā)育變形特征主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：

1)危巖的崩塌變形：以圖2中平行坡面的貫通裂隙為后部控制界面，在垂直于坡面的節(jié)理切割下，坡面被分割巖體孕育產(chǎn)生多處崩塌破壞，破壞模式以錯(cuò)落坍塌和傾倒為主(見(jiàn)圖3)。變形危巖體厚度1 m～3 m不等，高度多貫穿整個(gè)坡面，平行道路寬度5 m～15 m之間，整體變形規(guī)模差異較大，最大方量達(dá)500 m3。變形體直接沖擊、壓埋線路，導(dǎo)致交通嚴(yán)重受阻。

2)母巖的卸荷變形：表現(xiàn)為坡體基巖內(nèi)平行坡面向的節(jié)理裂隙的進(jìn)一步拉張和延伸貫通，在危巖體崩塌側(cè)界反映最為明顯。裂隙連續(xù)貫通性較好，具一定量的張開度，泥質(zhì)充填較少，多具上寬下窄、外寬內(nèi)窄特征。順延已破壞危巖體后部界面的裂隙張開量最大，可見(jiàn)寬度5 cm以上，且上下全部貫通，為坡體危巖的潛在破壞變形提供了有利的邊界控制條件。

3)軟化壓縮變形：發(fā)育在邊坡坡腳泥巖中。因長(zhǎng)期裸露，巖體風(fēng)化嚴(yán)重，破碎程度高，質(zhì)較軟，連續(xù)強(qiáng)降雨期在頂部基巖裂隙水的大量下滲下，泥巖被進(jìn)一步軟化，并隨上部卸荷裂隙控制危巖體的重壓而產(chǎn)生壓縮變形?，F(xiàn)場(chǎng)在巖體接觸帶可見(jiàn)較明顯的軟弱泥巖擠出和泥巖坡面的剪錯(cuò)滑移，但變形規(guī)模和程度較小，且呈不連續(xù)狀分布。

3 危巖成因機(jī)制

3.1 危巖變形原因分析

3.1.1 內(nèi)部地質(zhì)條件

研究段路塹邊坡處于縣河左岸中低山區(qū)，經(jīng)省道的開挖修建，道路內(nèi)側(cè)邊坡高陡，地勢(shì)差明顯，滿足危巖體產(chǎn)生的依附和動(dòng)力條件。地質(zhì)巖層方面，研究段邊坡為典型的上硬下軟結(jié)構(gòu)巖質(zhì)坡體，其上部砂巖質(zhì)地堅(jiān)硬，自穩(wěn)性能良好，適宜于巖體變形能量的積累和突然釋放，是控制危巖體孕育、變形及破壞的良好載體[9-10]；下部泥巖質(zhì)地較軟，易風(fēng)化、軟化并產(chǎn)生壓縮變形，進(jìn)而引發(fā)上部砂巖卸荷變形的持續(xù)產(chǎn)生和變形能量的逐步積累，形成了危巖體從孕育形成到變形破壞的全過(guò)程直接導(dǎo)火索。地質(zhì)構(gòu)造方面，邊坡巖層整體近水平，利于坡體的穩(wěn)定。但受構(gòu)造擠壓作用，巖體內(nèi)發(fā)育了兩組大角度相交優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面，其中一組與邊坡面近平行，順坡向切割巖體呈陡傾層狀，直接將危巖與母巖逐層分離，另一組與邊坡面近垂直，橫向切割巖體呈條帶狀，為危巖體的產(chǎn)生提供了充分邊界條件。因此，在地質(zhì)背景條件的內(nèi)部作用下，坡體危巖的孕育產(chǎn)生是一種必然結(jié)果。

3.1.2 外部誘發(fā)因子

1)風(fēng)化作用：以雨水的浸泡、軟化和沖蝕風(fēng)化為主，為長(zhǎng)期的漸進(jìn)性地質(zhì)作用。

a.坡體砂巖節(jié)理裂隙發(fā)育，利于雨水的下滲和徑流，經(jīng)長(zhǎng)期循環(huán)浸水，巖體結(jié)構(gòu)面的力學(xué)強(qiáng)度逐漸損傷，特性從閉合結(jié)構(gòu)面逐漸發(fā)展為貫通裂隙，并伴隨雨水?dāng)y帶泥質(zhì)成分的充填和潤(rùn)滑，最終因結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度的損失引發(fā)坡體塊狀巖體的錯(cuò)落坍塌。該作用誘發(fā)的危巖體規(guī)模通常較小，但具高頻特征。

b.因砂巖節(jié)理的導(dǎo)水作用，坡腳泥巖被雨水浸泡時(shí)間普遍較長(zhǎng)，加之其成巖性較差，泥巖的軟化和流失速度明顯快于砂巖。這種差異風(fēng)化一方面在軟、硬巖接觸帶形成了空腔，造成泥巖受力面積減小，應(yīng)力集中，另一方面加速了泥巖的壓縮變形，導(dǎo)致砂巖卸荷，裂隙擴(kuò)展，巖塊進(jìn)一步松動(dòng)，最終誘發(fā)危巖體的產(chǎn)生。該作用誘發(fā)的危巖體規(guī)模相對(duì)較大，具高頻特征。

2)降雨作用：研究段邊坡危巖體的孕災(zāi)過(guò)程中，降雨作用一般情況體現(xiàn)為對(duì)風(fēng)化作用的促進(jìn)和加速，強(qiáng)降雨時(shí)轉(zhuǎn)化為直接誘發(fā)因素，以觸發(fā)危巖的突變破壞。如2020年8月份，連續(xù)數(shù)次的強(qiáng)降雨過(guò)程中，大量雨水沿卸荷裂隙下滲，在砂巖裂隙內(nèi)形成短暫靜、動(dòng)水壓力，并軟化潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)面，同時(shí)坡腳泥巖軟弱基座因浸泡快速軟化，產(chǎn)生過(guò)大壓縮變形，進(jìn)而引起塊狀砂巖的支撐力減弱和快速卸荷，最終在結(jié)構(gòu)面力學(xué)損傷、裂隙水壓力等共同作用下誘發(fā)了危巖體的大規(guī)模、大體積突變性錯(cuò)落坍塌和傾倒變形。結(jié)合危巖破壞實(shí)際情況，降雨下滲→軟巖軟化→軟巖壓縮變形(支撐力減弱)→硬巖卸荷坍塌是本次危巖孕育產(chǎn)生的主導(dǎo)過(guò)程。

3.2 數(shù)值模型分析

以圖2典型斷面為例，采用Plaxis-2D有限元軟件進(jìn)行建模和數(shù)值分析。模型中對(duì)巖層面等厚度簡(jiǎn)化后采用界面單元進(jìn)行模擬，豎向張開卸荷裂隙采用接觸單元進(jìn)行模擬，共劃分單元6 232個(gè)，計(jì)算節(jié)點(diǎn)51 586 個(gè)。計(jì)算參數(shù)取值及模擬結(jié)果如表1所示。

表1 巖體計(jì)算參數(shù)

圖4(a)反映出，坡體的變形以坡腳泥巖為核心向四周呈遞減狀態(tài)發(fā)育，在泥-砂巖接觸面具明顯的突變特征。坡腳泥巖產(chǎn)生了較大的壓縮變形，向坡內(nèi)2 m～3 m深度內(nèi)變形量最大。坡面砂巖的變形以貫通裂隙為界同樣具突變特征，裂隙分割危巖的變形量明顯大于裂隙內(nèi)部巖體。因節(jié)理裂隙連續(xù)貫通性較差，裂隙內(nèi)部巖體變形量在逐漸減小的情況下突變跡象不明顯。圖4(b)反映出，貫通裂隙切割控制的危巖塊體具明顯的整體性下錯(cuò)變形，與圖4(a)相同在裂隙界面處產(chǎn)生了位移突變。坡腳軟弱泥巖在對(duì)應(yīng)危巖的接觸面出現(xiàn)了與危巖下錯(cuò)量相同的壓縮變形，其他巖體變形量不明顯。圖4(c)反映出，坡腳泥巖在淺表層2 m～3 m深度內(nèi)產(chǎn)生了大量的彈塑性點(diǎn)，即產(chǎn)生了明顯的彈塑性變形，這與圖4(a)中泥巖的變形分布具相似特征。砂巖中彈塑性點(diǎn)主要沿裂隙分布，表明該裂隙是目前危巖變形的主要切割界面及變形依附面。

綜合分析，在現(xiàn)狀坡體結(jié)構(gòu)條件下，邊坡模型的變形主要以坡腳泥巖的壓縮、剪錯(cuò)滑移和坡面貫通裂隙分割的危巖體的下錯(cuò)坍塌為主，且泥巖的壓縮、剪錯(cuò)變形是邊坡危巖體突變破壞的充分條件。同時(shí)，坡體危巖的發(fā)育基本以既有貫通裂隙為切割界限，在裂隙內(nèi)部暫未產(chǎn)生明顯的危巖變形體。該種結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況基本一致。

3.3 危巖變形發(fā)展趨勢(shì)

結(jié)合坡體既有變形特征和數(shù)值分析結(jié)果，研究段邊坡危巖體的變形破壞具明顯的間斷性循環(huán)發(fā)展特征，即坡腳泥巖不斷軟化壓縮，頂部砂巖淺層順坡向結(jié)構(gòu)面逐漸張開延伸，至結(jié)構(gòu)面全部貫通且泥巖經(jīng)軟化壓縮而無(wú)法支撐砂巖重壓時(shí)，坡體產(chǎn)生的淺層結(jié)構(gòu)面控制的危巖崩塌便為研究段邊坡危巖變形破壞的一個(gè)循環(huán)體。因危巖體破壞后，內(nèi)部危巖體的孕育產(chǎn)生需經(jīng)歷結(jié)構(gòu)面的卸荷張開→降雨的下滲軟化→軟巖的壓縮變形→結(jié)構(gòu)面的拉裂貫通，其發(fā)展過(guò)程表現(xiàn)出了明顯的間斷性。調(diào)查與訪問(wèn)，危巖體循環(huán)變形厚度通常處于0.5 m～2.5 m之間，主要受坡體順坡向結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度和連續(xù)貫通性的控制，連續(xù)性好、貫通性強(qiáng)的節(jié)理面優(yōu)先發(fā)展為循環(huán)危巖體的背部分割裂隙。循環(huán)間隔時(shí)間具不確定性。

因此，在既有地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，研究段邊坡產(chǎn)生大厚度、大規(guī)模巖體變形破壞的可能性小。經(jīng)不斷風(fēng)化和連續(xù)降雨的誘發(fā)作用，研究邊坡的變形主要以危巖體的形式逐層向坡體深部循環(huán)發(fā)展，每循環(huán)危巖體的孕育產(chǎn)生機(jī)理、變形破壞模式、變形體積規(guī)模具相似特性。

4 防治措施

針對(duì)危巖體變形發(fā)育特征和形成機(jī)制，采用“坡腳支擋+坡面防護(hù)”為主的綜合治理措施(如圖5所示)對(duì)研究段邊坡進(jìn)行加固處理。主要措施布置為：

1)危巖清理：對(duì)坡面松動(dòng)危石和切割裂隙全部貫通的危巖體進(jìn)行人工清除。

2)護(hù)腳墻：沿坡腳泥巖出露帶布設(shè)一道C25混凝土護(hù)腳墻。墻體高度以覆蓋全部泥巖面為宜，基礎(chǔ)埋深1.5 m，頂寬0.5 m～1.0 m，底寬0.9 m～1.8 m(具體根據(jù)墻體斜高度調(diào)整)，面坡坡率1∶0.3，背坡坡率1∶0.2。墻身設(shè)兩排φ10 cm的PVC泄水管，梅花形布置，間距2.0 m，底排出水口高出路面0.5 m。同時(shí)，護(hù)腳墻實(shí)施前對(duì)泥巖頂部的全部空腔進(jìn)行排查，對(duì)體積較大者采用漿砌石進(jìn)行嵌補(bǔ)，對(duì)體積較小者采用罐、壓漿的方式處理。

3)SNS主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)。于危巖體發(fā)育邊坡面布設(shè)SNS主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，網(wǎng)體采用3 m長(zhǎng)全黏結(jié)性錨桿錨固，以達(dá)到同時(shí)加固淺層危巖體的目的，在潛在危巖體發(fā)育明顯、規(guī)模較大區(qū)錨桿長(zhǎng)度增加至6 m。錨桿的立面布設(shè)以梅花形為主。

4)裂縫灌注。排查危巖發(fā)育邊坡坡頂裂縫，在主體防護(hù)工程實(shí)施完成后，對(duì)明顯卸荷裂隙進(jìn)行灌漿處理，漿液采用水灰比(質(zhì)量比)0.5的水泥砂漿。

5 結(jié)語(yǔ)

1)研究段邊坡為典型的上硬下軟結(jié)構(gòu)巖質(zhì)坡體，中上部硬質(zhì)砂巖發(fā)育垂直坡面和平行坡面兩組陡傾角優(yōu)勢(shì)節(jié)理面，且受其切割影響，巖體具塊狀分布和平行坡面層層分布的基本特征，底部泥巖質(zhì)較軟，雨水易軟化，風(fēng)化速度快，差異風(fēng)化明顯。加之顯著的地勢(shì)差，該邊坡為軟弱基座型危巖體的孕育產(chǎn)生奠定了有利的地質(zhì)條件，坡體危巖體的變形破壞成了地質(zhì)過(guò)程中的必然結(jié)果。

2)差異風(fēng)化和裂隙滲水軟化是邊坡危巖體產(chǎn)生的主要誘發(fā)因素。受其影響，研究段邊坡危巖體的變形破壞具明顯的間斷性循環(huán)發(fā)展特征，循環(huán)體變形厚度處于0.5 m～2.5 m之間，主要受坡體平行坡向結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度和連續(xù)貫通性的控制，循環(huán)間隔時(shí)間具不確定性。

3)每循環(huán)危巖體的變形主要體現(xiàn)在底部軟巖的壓縮變形、頂部硬巖的坍塌變形和后部母巖的卸荷變形三個(gè)方面，其孕育產(chǎn)生機(jī)理、變形破壞模式、變形體積規(guī)模具相似特性。

4)降雨下滲→軟巖軟化→軟巖壓縮變形→硬巖卸荷坍塌是危巖孕育產(chǎn)生的主導(dǎo)過(guò)程，軟質(zhì)泥巖的壓縮、剪錯(cuò)變形是危巖體突變破壞的充分條件。

5)采用“坡腳軟巖支擋、坡面危巖掛網(wǎng)錨固為主，危巖清理、灌縫、排水相結(jié)合”的綜合措施可有效加固坡體危巖。

6)經(jīng)誘發(fā)因素長(zhǎng)期作用，研究邊坡危巖體逐層向坡體深部循環(huán)發(fā)展的趨勢(shì)明顯，對(duì)研究邊坡和類似性質(zhì)邊坡危巖體可采用(4)的加固措施及時(shí)處理，以保障坡體的基本穩(wěn)定和線路的通暢安全運(yùn)營(yíng)。