貴州煤磷電廠區(qū)現(xiàn)場試驗邊坡變形破壞機(jī)制分析

貴州煤磷電廠工程實施需對周邊山體進(jìn)行開挖，將形成多個開挖邊坡，為了分析邊坡開挖后的變形機(jī)制，采取現(xiàn)場開挖的方式進(jìn)行研究，結(jié)合探槽揭露的滑體特征，分析邊坡變形破壞的主要因素。結(jié)果表明：邊坡主要是在降雨影響下發(fā)生滑動破壞，影響邊坡破壞的主要因素包括：人類工程活動、坡體結(jié)構(gòu)、滑動帶力學(xué)軟化等，在工程實踐中，需要從邊坡變形破壞的內(nèi)因考慮，采取合理的治理措施，以保證工程邊坡的安全性。

邊坡； 現(xiàn)場開挖； 變形破壞； 機(jī)制

U416.1+4A

［定稿日期］2023-04-12

［作者簡介］習(xí)朝輝（1995—），男，碩士，工程師，研究方向為巖土工程及地質(zhì)災(zāi)害防治；穆成林（1985—），男，博士，副教授，研究方向為工程地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)。

0 引言

貴州煤磷電廠區(qū)位于織金縣，屬于低-中山侵蝕、剝蝕、溶蝕溝壑地貌，地形高差較大。根據(jù)工程建設(shè)規(guī)劃，項目實施后將形成多個開挖邊坡，開挖邊坡穩(wěn)定性對廠區(qū)安全影響較大，因此，研究開挖邊坡穩(wěn)定性是十分必要的。目前，有較多的專家、學(xué)者對邊坡穩(wěn)定性問題進(jìn)行了大量的研究，取得了較為豐碩的成果。根據(jù)前人研究成果，可使用室內(nèi)物理模型試驗在相似原理基礎(chǔ)上對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究［1-3］，該方法是在考慮現(xiàn)場原型的基礎(chǔ)上，建立室內(nèi)的物理模型，從而模擬、分析原型的變形過程和機(jī)制，從而為現(xiàn)場邊坡支護(hù)設(shè)計提供參考。采用室內(nèi)模型試驗，可在一定程度上反映現(xiàn)場實際情況，但受限于模型的尺寸、規(guī)模等因素，室內(nèi)模型試驗與現(xiàn)場原型之間仍具有一定的差異［4-6］。目前，針對開挖邊坡的研究主要集中在室內(nèi)模型試驗、數(shù)值模擬分析，現(xiàn)場大型開挖試驗的研究較少，現(xiàn)場試驗與常用的數(shù)值模擬、模型試驗相比，試驗結(jié)果可更好反映現(xiàn)場實際情況，結(jié)果更為可靠。根據(jù)場地地質(zhì)情況，選取一處試驗邊坡進(jìn)行現(xiàn)場開挖，分析開挖邊坡的變形情況，為下一步工作積累經(jīng)驗。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

工程場地大多為低-中山侵蝕、剝蝕、溶蝕溝壑地貌，其中場地中區(qū)磨大村所在山間小盆地為溶蝕準(zhǔn)平原地貌。最高海拔1 477 m，最低海拔1 103 m，平均海拔1 277 m，屬中低山丘陵地帶。四周為坡地，坡度10°～60°，場地內(nèi)有低丘，磨大一帶多為平地。地形相對高差在100～300 m之間。場區(qū)邊坡地層組成較為復(fù)雜，地層由老到新主要為：①三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組（T3g1）第一段;②三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組（T3g2）第二段；③三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組（T3g3）第三段；④三疊系上統(tǒng)法郎組（T3f）；⑤三疊系須家河組（T3x）。

2 試驗邊坡階梯狀滑移-拉裂破壞特征

2.1 邊坡基本特征

試驗邊坡于2014年10月底開始施工，至12月中旬已開挖至三級二級臺階，形成約30.0 m的順層巖質(zhì)邊坡。2014年12月18日，在經(jīng)歷了短暫的降雨后，邊坡右側(cè)坡腳出現(xiàn)變形，裂縫加寬加深，隨后依次由下而上出現(xiàn)裂縫，邊坡右側(cè)變形失穩(wěn)部分發(fā)生了滑移-拉裂破壞。隨即，該段停止了施工，在坡腳處進(jìn)行碎石土回填反壓的方法進(jìn)行防護(hù)。

邊坡失穩(wěn)部分總體形態(tài)呈簸箕狀，上窄下寬。后緣為四級臺階之上1.5 m，高程1 332.5 m，坡腳為二級臺階及以下1.0 m范圍，高程為1 310.0 m，右側(cè)為開挖邊界線，左側(cè)為走向為310°～322°的拉裂縫。坡腳二級臺階長度為56.5 m，三級臺階為36.6 m，四級臺階為15.4 m，邊坡平面面積約為1 000 m2，坡體主滑軸方向呈近北向。

失穩(wěn)邊坡破壞特征主要為滑移-拉裂為主。邊坡后緣拉裂縫寬度20～35 cm，可見深度為2.0 m，臺階下錯約1.0 m，而拉裂縫主要是沿著主要兩組優(yōu)勢節(jié)理延展：L1產(chǎn)狀為125∠78°，L2產(chǎn)狀為220°∠76°；邊坡右側(cè)拉裂縫主要是沿著開挖邊界延展，走向為25°，寬度為30～50 cm，深度為1.0～2.0 m，延伸較長，從坡頂至坡腳均有寬大拉裂縫；右側(cè)拉裂縫走向為310°～322°，其寬度為0.6～1.5 m，最大可見深度為2.2 m，坡體下滑產(chǎn)生明顯側(cè)壁的擦痕，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，下滑距離約為1.5 m；坡腳出現(xiàn)大量近東西向的拉裂縫，二級臺階隆起現(xiàn)象明顯，最大隆起高度約為1.1 m；整個坡體表面形成大量的以近東西為主，以及走向為305°～320°、25°～35°的拉裂縫，其寬度為5～40 cm不等，可見深度0.4～1.1 m不等，間距為0.6～5.0 m不等。

同時，在失穩(wěn)邊坡左側(cè)存在一個次級失穩(wěn)邊破。在三級臺階以上坡面形成不規(guī)則矩形小范圍的次級失穩(wěn)邊坡，軸長7.5 m，東西向長度為10.0 m，面積約為86.4 m2。該次級邊坡后緣距離四級臺階3.2 m，坡腳距離三級臺階4.0 m，右側(cè)邊界為主失穩(wěn)邊坡的左側(cè)邊界，右側(cè)為沿著345°走向的拉裂縫。后緣拉裂縫寬度為50 cm，深度為1.0 m，左側(cè)拉裂縫可見深度為30 cm，坡腳隆起高度為15 cm。坡腳隆起部分巖體較為破碎，根據(jù)調(diào)查，坡腳滑面深度約為20 cm。

2.2 邊坡探槽情況

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，該邊坡為一大型順層巖質(zhì)邊坡，其坡體結(jié)構(gòu)顯著特點(diǎn)為巖層之間含有泥質(zhì)軟弱夾層，形成“夾心餅干”式結(jié)構(gòu)，為邊坡的失穩(wěn)提供了地質(zhì)基礎(chǔ)。邊坡開挖后，坡體淺層改造完成，邊坡巖體在重力的作用下，具有沿著巖層（軟弱夾層）向下滑動趨勢。沿著左側(cè)拉裂縫布設(shè)三個探槽揭示滑面特征（圖1）。

探槽TC-1位于四級坡面中部，深3.6 m，寬85 cm。該探槽為變形邊坡部位，開挖探槽底部為一灰色夾雜褐紅色軟弱夾層，厚度為2～3 cm，軟塑狀，夾層表層滲水，濕潤細(xì)膩光滑。夾層為泥質(zhì)型，呈鱗片狀，夾雜少量巖屑，表層未見明顯擦痕。夾層上部巖體呈散體糜棱化，含水量大，結(jié)構(gòu)疏松，初步判斷是由于滑移錯動，本來碎裂的巖體成為散體結(jié)構(gòu)，同時在雨水下滲加劇了滑移錯動。探槽側(cè)壁均為失穩(wěn)邊坡巖體，結(jié)構(gòu)變形明顯，但是無層間錯動跡象。夾層以下為較完整巖體，結(jié)構(gòu)產(chǎn)狀顯示無滑移變形。由于時值連續(xù)降雨，開挖探槽連續(xù)垮塌，無法拍照標(biāo)示，同時，根據(jù)現(xiàn)場試驗，夾層透水性差，依此證明雨水下滲至軟弱夾層后，應(yīng)順坡向下流經(jīng)，繼續(xù)下滲的量較小。

探槽TC-2位于三級坡面中部，深4.6 m，寬90 cm。該探槽為變形邊坡左側(cè)拉裂縫部位，左側(cè)壁為失穩(wěn)滑動的原巖邊坡體，右側(cè)為失穩(wěn)的邊坡巖體，底部為青灰色—磚紅色，白云質(zhì)泥巖，呈鱗片狀，可見厚度1～2 cm，雨水易泥化，表面濕潤光滑。底部之上為2～3 cm的泥夾巖塊巖屑軟弱夾層。泥質(zhì)部分呈可塑狀，濕潤。夾層上部約為15 cm厚層面的褐灰色散粒狀糜棱化巖體，粒徑一般為0.5～2 cm。

探槽TC-3位于三級邊坡坡腳，即失穩(wěn)邊坡體剪出口處，深度為2.4 m。在上部巖體壓力作用下，該處層狀巖體拱曲變形隆起，根據(jù)TC3揭露可知，該處為厚4～8 cm砂質(zhì)白云巖。TC3底部分布有較為明顯的擦痕，判斷該層為滑動面（圖2）。

2.3 運(yùn)動特征

根據(jù)現(xiàn)場的調(diào)查以及監(jiān)測成果顯示，該邊坡失穩(wěn)破壞首先為坡腳處產(chǎn)生應(yīng)力集中，坡體產(chǎn)生下滑位移，而坡體的節(jié)理抗拉強(qiáng)度較低，出現(xiàn)拉裂縫。隨之拉裂縫上部坡體失去抗滑阻擋，在下滑力的作用坡體產(chǎn)生下滑位移，拉裂縫再次發(fā)生。為此，邊坡由下而上，逐次產(chǎn)生拉裂縫，由于節(jié)理的產(chǎn)狀不一，故拉裂縫的走向也存在差異。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，邊坡失穩(wěn)主要是牽引-推移模式的運(yùn)動方式。首先，邊坡以滑移-拉裂的由下而上牽引方式，發(fā)生下滑位移。被拉裂縫切割的坡體在位移后，逐漸趨于穩(wěn)定，但由于其后方的坡體下滑位移大于其下方坡體的位移，故產(chǎn)生后推式下滑模式。主要表現(xiàn)為后方下邊坡體位移大于拉裂縫的寬度，并擠壓西方坡體，使得產(chǎn)生下方坡體上翻的趨勢，上方位移坡體“下潛”到下方坡體下部或內(nèi)部。該破壞運(yùn)動的模式也證明的坡體的失穩(wěn)破壞為：首先發(fā)生坡腳的下滑-拉裂，然后由下而上逐次向上發(fā)展；但拉裂縫產(chǎn)生后，由于后方坡體的位移持續(xù)擴(kuò)大，使得后方坡體“下潛”到前方已經(jīng)穩(wěn)定性的坡體，形成反傾裂縫陡坎，直至整個坡體應(yīng)力再次平衡后，坡體趨于穩(wěn)定。

2.4 滑面特征分析

該失穩(wěn)邊坡部分為含多層軟弱夾層的順層巖質(zhì)邊坡，失穩(wěn)滑面為軟弱夾層及巖體節(jié)理裂隙。根據(jù)失穩(wěn)的過程和運(yùn)動特征分析，邊坡首先從二級馬道下方3～4 m（順坡面）處發(fā)生巖層面滑移剪出變形，隨后由下及上邊坡產(chǎn)生一系列拉裂縫，其走向為N20°～30°E、N50°W、近東西向三組，期中前兩組共計約占30%，近東西向拉裂縫約占70%。后緣拉裂縫位于四級馬道上部。探槽揭示，坡腳滑面為TC3所示的1.6 m槽底處軟弱夾層C3；三級坡面TC2揭示滑面為4.6 m的槽底軟弱夾層C3；在四級失穩(wěn)半坡中部的探槽TC1揭示了槽底深度為3.6 m為失穩(wěn)滑面C2。邊坡滑面判定為階梯狀，從二級馬道下部巖軟弱夾層C3發(fā)生牽引式失穩(wěn)，由下及上經(jīng)過探槽TC2后在與探槽TC1之間經(jīng)過一次，或多次階梯狀滑面向下滑移。但上部失穩(wěn)坡體沿著階梯狀滑面滑移同時，整個坡體沿著C3軟弱夾層向下發(fā)生蠕滑，隨著時間的進(jìn)一步推移，整個坡體將再次發(fā)生失穩(wěn)破壞，即整個失穩(wěn)坡體沿著C3滑移剪出，后緣拉裂縫延深至C3，或者更深。

故從整個失穩(wěn)坡體失穩(wěn)破壞和運(yùn)動特征分析，邊坡從二級馬道至后緣拉裂縫坡體上部3～5 m以軟弱夾層C3、C2發(fā)生階梯狀滑面發(fā)生牽引式滑移-拉裂失穩(wěn)；但整個坡體也沿著更深層的C3發(fā)生滑移-拉裂失穩(wěn)破壞（圖3）。

3 邊坡變形失穩(wěn)因素分析

3.1 邊坡失穩(wěn)外部因素

（1）自然邊坡坡表有殘坡積層、植被，可限制雨水入滲深度，保持了坡體巖土體含水量的穩(wěn)定和下部巖土結(jié)構(gòu)的完整，在開挖之前邊坡處于蠕變穩(wěn)定階段［8-9］。

（2）坡腳開挖后，為邊坡沿著軟弱結(jié)構(gòu)面滑動提供了良好的臨空條件。在早期的變形過程中，坡體后部形成了張拉裂隙，隨著變形不斷發(fā)展，張拉裂隙不斷向下延伸至軟弱結(jié)構(gòu)面，滑體逐漸形成。同時，張拉裂隙也為雨水下滲提供了通道［10-11］。

（3）上覆巖土體開挖使得下部巖土卸荷回彈導(dǎo)致巖土體結(jié)構(gòu)面擴(kuò)展，雨水的入滲導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面處巖土體力學(xué)性質(zhì)降低，促進(jìn)了軟弱夾層的軟化。

3.2 坡體結(jié)構(gòu)因素

（1）邊坡主要由白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r組成，層間充填薄層泥質(zhì)夾層，軟弱夾層力學(xué)性質(zhì)較差，為邊坡失穩(wěn)提供了良好的巖土結(jié)構(gòu)條件。

（2）表層巖土體結(jié)構(gòu)破碎，主要結(jié)構(gòu)面為J1：05°∠85°，J2：220°∠76°。兩組結(jié)構(gòu)面由巖土變形拉裂形成。受結(jié)構(gòu)面關(guān)系控制，巖土體結(jié)構(gòu)破碎，極易出現(xiàn)失穩(wěn)變形。

3.3 力學(xué)機(jī)制分析

試驗邊坡的破壞是坡體內(nèi)部變形發(fā)展由量變到質(zhì)變的結(jié)果。通過分析試驗邊坡的變形破壞特征，認(rèn)為該邊坡在變形破壞過程中可劃分為：蠕滑段、過渡段、鎖固段3個部分，示意見圖4。

4 結(jié)論

（1）工程試驗邊坡開挖后，在降雨因素影響下，發(fā)生了變形破壞現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，邊坡的破壞是沿著多層軟弱夾層發(fā)生的多級滑動破壞。

（2）邊坡巖土體參數(shù)和坡體結(jié)構(gòu)因素、人類工程活動因素、滑帶土力學(xué)特性等是影響邊坡變形破壞的主要因素。試

驗邊坡受到降水、地質(zhì)構(gòu)造活動等多種因素影響，人工開挖后，形成了良好的臨空條件，邊坡破壞屬于牽引式前進(jìn)漸進(jìn)性破壞模式。

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