順層巖質(zhì)變形體變形機(jī)制及治理對策研究

張軍新，裴向軍，黃潤秋，周靈，陳春林

(1.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都610059;2.中國建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都610081)

斜坡失穩(wěn)機(jī)理的研究是評價(jià)自然斜坡、人工開挖邊坡及已發(fā)生過的滑坡穩(wěn)定性的重要依據(jù)。目前對層狀順坡向、坡腳無臨空條件的順層斜坡的失穩(wěn)機(jī)理、穩(wěn)定性評價(jià)和預(yù)測已有較深入的研究，但多以定性描述為主[1-2]。本文在分析變形體的特征為基礎(chǔ)上，結(jié)合定性描述，建立相關(guān)地質(zhì)模型，以數(shù)值模擬分析順層巖質(zhì)斜坡下變形體形成機(jī)制。由于變形體處于水電站邊坡壩肩上，一旦該滑坡在電站施工、運(yùn)行過程中失穩(wěn)，將造成不堪設(shè)想的后果[5-6]。因此，有必要對滑坡的成因機(jī)制進(jìn)行深入分析，并對其穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)。

1 工程地質(zhì)條件

研究區(qū)地處高山峽谷區(qū)，兩岸山體雄厚，基巖大多裸露，臨河坡高大于300 m。邊坡上游基巖大多裸露，高程3 345～3 385 m為順基巖層面形成的順向坡 ，坡度 40°左右 ，以下為60°～70°的基巖陡崖 。邊坡出露地層為拉納山組下段(T3l1)灰色、灰黑色中厚-厚層狀變質(zhì)粉、細(xì)砂巖夾板巖。巖層產(chǎn)狀N35°W/NE∠37°為順層邊坡。邊坡砂板巖層數(shù)不一，巖層厚度也不相同，變質(zhì)砂巖單層厚度一般為0.5～0.8 m，部分1.5～2.0 m和0.2～0.4 m，板巖單層厚度一般為5～15 cm，部分1～5 cm 和25～45 cm(圖1)。

研究區(qū)構(gòu)造相對復(fù)雜，邊坡所處位于向斜構(gòu)造，向斜核部大致沿碩曲河偏右側(cè)，為一短軸向斜。坡體內(nèi) N15°～ 40°W/NE ∠30°～ 65°的層間軟弱帶發(fā)育，基本沿層面發(fā)育，軟弱帶主要為軟弱面沿砂巖與泥炭質(zhì)板巖的交界面發(fā)育，強(qiáng)風(fēng)化巖體呈黃褐色、潮濕、局部夾泥、三壁貫通，軟弱帶厚度5～20 cm。

受構(gòu)造作用影響，巖體中擠壓帶(面)及節(jié)理發(fā)育，邊坡主要發(fā)育四組節(jié)理裂隙，①N22°～48°W/NE∠36°～ 67°，②N13°～ 41°E/NW ∠58°～77°③近 EW/S ∠59°～ 83°④N43°～ 63°W/SW ∠56°～ 73°，裂隙間距一般在0.3～0.6 m，個(gè)別延伸較長，表面起伏不平，在風(fēng)化、卸荷帶內(nèi)多有一定程度張開和次生夾泥充填。①為層面裂隙，發(fā)育密集，為邊坡失穩(wěn)的底滑邊界。由結(jié)構(gòu)面組合形成的塊體失穩(wěn)主要是由②結(jié)構(gòu)面做后緣邊界，③④結(jié)構(gòu)面做側(cè)滑邊界發(fā)生失穩(wěn)。

研究區(qū)地下水只要為第四系松散堆積層孔隙潛水和基巖裂隙水孔隙潛水賦存于松散堆積層中，基巖裂隙水主要分布于坡體基巖裂隙中，受大氣降水影響。

圖1 變形體自然邊坡剖面

2 邊坡巖體結(jié)構(gòu)特征

如圖2可知，邊坡受有四組結(jié)構(gòu)面，邊坡為中傾角順向坡，軟弱面傾向、坡面傾向與巖層傾向相同，巖層傾角與軟弱面傾角大致相同，其構(gòu)成了邊坡的邊界。因陡傾裂隙切割坡面形成陡崖，軟弱夾層成為底滑面。

圖2 變形體邊坡結(jié)構(gòu)面特征

受區(qū)內(nèi)向斜影響及構(gòu)造應(yīng)力影響，邊坡NW 向結(jié)構(gòu)面極為發(fā)育，主要表現(xiàn)為與坡面近于平行的擠壓帶(面)，同時(shí)有近于垂直坡面的節(jié)理或節(jié)理密集帶;層間錯(cuò)動(dòng)發(fā)育并充填10～30 cm的層間軟弱夾層，主要成分為破碎巖塊夾黃褐色泥充填，局部有煤線和夾泥，呈糜棱化。通過對坡表調(diào)查，邊坡近垂直于層面的中陡傾裂隙在坡體中下部較為破碎，局部彎曲，呈碎裂結(jié)構(gòu);順層的軟弱夾層工程性狀差。通過對邊坡節(jié)理裂隙的統(tǒng)計(jì)分析，邊坡主要發(fā)育四組結(jié)構(gòu)面，見表1。裂隙以NW及近EW、NE向裂隙最為發(fā)育，因軟弱夾層與層面基本一致，在 NW向最為發(fā)育;近EW、NE大致相當(dāng)。

表1 優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面及坡面產(chǎn)狀

由此可見，層面與坡面走向近于平行，傾角稍小于坡面傾角，構(gòu)成順向坡。由第1，2，3組結(jié)構(gòu)面切割的塊體組合交線傾向近EW 向，傾坡外且傾角大于坡面傾角，在降雨等作用下極可能發(fā)生沿第1組結(jié)構(gòu)面(層面)的滑動(dòng);由上述3組結(jié)構(gòu)面組合形成塊體發(fā)生順層滑動(dòng)的可能性較大，同時(shí)邊坡第4組結(jié)構(gòu)面切割，形成后緣邊界，促使邊坡更易產(chǎn)生破壞失穩(wěn)。

3 邊坡變形破壞特征及機(jī)制分析

3.1 變形破壞特征

變形體處于邊坡山梁部位，自然邊坡三面臨空，地形陡峻，坡度在高程3 345～3 385 m以上為40°～49°，以下為基巖陡崖。地表坡積層厚度2～5 m，基巖為變質(zhì)砂巖夾板巖，強(qiáng)卸荷弱風(fēng)化厚度約12 m。邊坡巖體發(fā)育有板巖軟弱面，以及大量的陡傾節(jié)理裂隙，由此構(gòu)成變形體的邊界條件。工程邊坡預(yù)計(jì)開挖深度不大，主要為坡表清坡及局部危巖清除，整體開挖為順坡形開挖。

3.2 邊坡變形破壞機(jī)制分析

坡表軟弱板巖面的出露地帶主要分布在變形體的下方，現(xiàn)場調(diào)查可見變形體下游側(cè)局部已滑移，該變形體明顯受板巖軟弱帶控制，已存在較為明顯的蠕滑變形，并具有較為明確的邊界;其下游側(cè)巖體已滑移破壞，留下陡崖斷面，主要為結(jié)構(gòu)面破壞形成，從斷面上清晰可見底部的板巖軟弱帶，波狀起伏，寬度為10～40 cm，強(qiáng)風(fēng)化，呈土狀，中間夾雜有碎塊石，用手可扣動(dòng)，局部已被掏空。根據(jù)邊坡的變形情況，邊坡主要是順沿層面以蠕滑-拉裂變形為主，其邊界受層間軟弱夾層及巖體結(jié)構(gòu)控制作用明顯，坡體中上部塊體沿層間軟弱夾層產(chǎn)生滑動(dòng)，受下部巖體約束，在坡體阻滑段-附近產(chǎn)生彎曲變形;受上部巖體推力作用，邊坡碎裂巖體中逐漸產(chǎn)生剪切滑動(dòng)面，并與彎曲部位巖體中滑移切出面貫通，可能形成最終破壞。

這類變形導(dǎo)致斜坡巖體向坡前臨空方向發(fā)生剪切蠕變。其后緣發(fā)育自坡面向深部發(fā)展的拉裂。在變形發(fā)展過程中，坡內(nèi)極有可能發(fā)展為破壞面的潛在滑移面，主要為板巖軟弱夾層，同時(shí)也受最大剪應(yīng)力面分布狀況的控制。該軟弱帶實(shí)際上屬于自坡面向下遞減的剪切蠕變帶。

同時(shí)坡體結(jié)構(gòu)面發(fā)育，由多組結(jié)構(gòu)面切割的碎裂體斜坡，變形主要通過結(jié)構(gòu)面的相互錯(cuò)位調(diào)整來實(shí)現(xiàn)，其演變過程可劃分為三個(gè)階段[3]。(1)表層蠕滑。巖層沿軟弱層向坡下彎曲，后緣產(chǎn)生拉應(yīng)力;(2)后緣拉裂。表層蠕滑形成層間錯(cuò)誤，巖體間形成臺(tái)坎，同時(shí)因結(jié)構(gòu)面切割，形成臺(tái)階狀;(3)潛在剪切面剪切擾動(dòng)。隨剪切變形進(jìn)一步發(fā)展，中部剪應(yīng)力集中部位可被擾動(dòng)擴(kuò)容，使斜坡下半部分逐漸隆起或彎曲。

隨著變形體開始發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，后緣明顯下沉，拉裂面由開初的張開轉(zhuǎn)為漸趨閉合，裂面互錯(cuò)方向與前一階段恰好相反。這些跡象預(yù)示變形進(jìn)入累進(jìn)性破壞階段，一旦潛在剪切面被剪斷貫通，則發(fā)展為滑坡。

4 邊坡變形破壞機(jī)制的FLAC3D數(shù)值模擬

為從力學(xué)機(jī)制分析邊坡變形產(chǎn)生的原因，在上述分析的基礎(chǔ)上，建立如圖4所示的邊坡FLAC3D計(jì)算模型分析邊坡自然狀態(tài)下應(yīng)力特征。

圖4 三維地形圖

圖5 自然邊坡最大主應(yīng)力等值線(σ1)

圖6 自然邊坡最小主應(yīng)力等值線(σ3)

從圖5-8可知，變形體在開挖模擬前，總體上，天然狀態(tài)下邊坡應(yīng)力場的分布特征較為穩(wěn)定，主應(yīng)力隨深度變化符合一般地應(yīng)力場規(guī)律，主要以自重應(yīng)力為主，自上而下，主應(yīng)力呈逐漸減小的趨勢，最大主應(yīng)力量值為0.558～-8.393 MPa，最小主應(yīng)力量值為0.978～ -1.666 MPa(注:“+”為拉應(yīng)力 ，“-”為壓應(yīng)力);坡體在板巖軟弱帶的中上部出現(xiàn)拉應(yīng)力，而坡體的剪應(yīng)變沿板巖軟弱帶變化。

從圖9-11中可知，變形體開挖后工程邊坡最大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力分布規(guī)律與開挖前基本相似，其中最大主應(yīng)力略有增加，為0.575～-9.265 MPa，并在軟弱帶中上部出現(xiàn)局部拉應(yīng)力區(qū)，最小主應(yīng)力區(qū)拉應(yīng)力略減，量值為0.875～-1.720 MPa，壓應(yīng)力略增，同時(shí)在坡表局部出現(xiàn)拉應(yīng)力。開挖邊坡后的剪應(yīng)力分布規(guī)律與開挖前基本相似，在板巖軟弱帶和強(qiáng)卸荷帶底界出現(xiàn)明顯的應(yīng)力梯度;開挖邊坡后的剪應(yīng)變增量圖顯示，剪應(yīng)變增量較開挖前有所增大，其剪應(yīng)變增量帶處于貫通狀態(tài)，其前緣剪應(yīng)變增量較大，向后緣逐漸減小，這與滑移(蠕滑)-拉裂式[2]滑坡機(jī)理一致。

圖7 自然邊坡剪應(yīng)力等值線

圖8 自然邊坡剪應(yīng)變增量等值線

圖9 開挖后最大主應(yīng)力等值線(σ1)

圖10 開挖后最小主應(yīng)力等值線(σ3)

同時(shí)邊坡開挖后，導(dǎo)致開挖面附近一定范圍內(nèi)巖體產(chǎn)生向臨空方向的位移，其中以板巖軟弱帶上覆巖體位移最大，以水平位移為主，方向向坡外，表現(xiàn)為應(yīng)力釋放后的卸荷回彈;回彈位移量為0.5～6.76 cm，最大位移出現(xiàn)在板巖軟弱帶上覆巖體的前緣部位;X方向(水平)位移量在0～5.86 cm，水平位移向坡外，最大位移出現(xiàn)在軟弱板巖帶上覆巖體中后緣;Y方向(垂直)位移量值在0.769～-3.920 cm，最大位移出現(xiàn)在板巖軟弱帶上覆巖體前緣(圖 12)。邊坡開挖后，內(nèi)部應(yīng)力釋放，產(chǎn)生卸荷回彈，邊坡巖體向上、向外移動(dòng)，由于板巖軟弱帶的存在，邊坡沿板巖軟弱帶產(chǎn)生蠕滑，使得上覆巖體發(fā)生較大的位移，并有向下滑動(dòng)的趨勢，若與邊坡中陡傾角節(jié)理組合，將產(chǎn)生蠕滑-拉裂[3-4]破壞，這與現(xiàn)場定性分析相吻合。

圖11 開挖邊坡剪應(yīng)變增量等值線

圖12 開挖后總位移等值線

5 治理對策研究

5.1 邊坡穩(wěn)定性評價(jià)

根據(jù)前面的巖體結(jié)構(gòu)特征分析，變形跡象調(diào)查，對邊坡整體穩(wěn)定性影響較大的是變形體。因此，對其變形體的穩(wěn)定性分別計(jì)算、評價(jià)。根據(jù)邊坡實(shí)際工程地質(zhì)條件，以圖1為邊坡開挖前穩(wěn)定性計(jì)算模型，圖13為變形體開挖后穩(wěn)定性計(jì)算剖面。

圖13 變形體開挖邊坡穩(wěn)定性計(jì)算剖面

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，變形體以底部的板巖軟弱帶為潛在的底滑面，本次計(jì)算以底部的板巖軟弱帶為底滑面對應(yīng)的穩(wěn)定性系數(shù)作為邊坡最終穩(wěn)定性系數(shù)。

(1)未開挖狀態(tài)下，變形體在工況Ⅰ下，穩(wěn)定性系數(shù)為1.36左右，處于穩(wěn)定狀態(tài)，且具有一定的安全儲(chǔ)備;在工況Ⅱ、Ⅲ條件下，穩(wěn)定性系數(shù)為1.10～1.20，基本能夠維持自身穩(wěn)定性，但安全儲(chǔ)備不高;在工況Ⅳ條件下，穩(wěn)定性系數(shù)為0.96左右，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

表2 邊坡巖體物理力學(xué)參數(shù)取值

分別計(jì)算邊坡在天然、暴雨、地震以及暴雨+地震的4種工況下的穩(wěn)定性系數(shù)，詳見表3。

表3 不同狀態(tài)下變形體的穩(wěn)定性系數(shù)

(2)開挖狀態(tài)下，變形體在工況Ⅰ下，穩(wěn)定性系數(shù)為1.4左右，處于穩(wěn)定狀態(tài)，且具有一定的安全儲(chǔ)備;在工況Ⅱ、Ⅲ條件下，穩(wěn)定性系數(shù)為1.15～1.23，基本能夠維持自身穩(wěn)定性，但安全儲(chǔ)備不高;在工況Ⅳ條件下，穩(wěn)定性系數(shù)為0.99～1.02，處于極限平衡狀態(tài)，極有可能失穩(wěn)。

5.2 邊坡的支護(hù)建議

對于順層邊坡的開挖，應(yīng)避免開挖巖層坡腳，重視坡形、坡率設(shè)計(jì)，保護(hù)和充分發(fā)揮邊坡的自穩(wěn)能力，使邊坡自穩(wěn)。必要時(shí)加強(qiáng)中下部的錨固，對坡腳進(jìn)行擋護(hù)。重視施工過程中邊坡的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，應(yīng)對每級施工工序進(jìn)行穩(wěn)定性檢算，對潛在的破壞隱患酌情采取加固措施[5-7]。

通過對變形體邊坡開挖前后穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，建議對邊坡的治理重點(diǎn)應(yīng)放在以下4個(gè)方面:(1)根據(jù)邊坡變形體的特征及破壞模式，邊坡重點(diǎn)防護(hù)底部軟弱夾層，主要是采取強(qiáng)支護(hù)措施;(2)對變形體防止變形，用噴射混凝土進(jìn)行封閉護(hù)面，防止降雨及冰雪融水的入滲，進(jìn)一步軟化板巖軟弱帶，做好坡面排水措施;(3)變形體的變形主要以順層的蠕滑-拉裂變形破壞，針對此變形破壞，邊坡主要對變形體采用強(qiáng)支護(hù)的措施防止邊坡繼續(xù)變形，即采用預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù);(4)板巖軟弱帶以及層間錯(cuò)動(dòng)帶，采用壓力注漿的方法對其進(jìn)行加固處理。

6 結(jié)論

(1)邊坡為層間軟弱夾層發(fā)育的順層斜坡，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)受構(gòu)造作用控制，在巖性、地形地貌、水文地質(zhì)、風(fēng)化作用等因素影響下，空間上差異較大，為邊坡的局部失穩(wěn)和塊體失穩(wěn)提供了邊界條件。變形體主要以下部的板巖軟弱帶作為底滑面;

(2)邊坡主要發(fā)育4組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面，組合形成大量潛在順層滑動(dòng)塊體，在地下水作用下，層間軟弱夾層軟化形成貫通的剪切滑動(dòng)面，變形體主要是以蠕滑-拉裂變形破壞為主;

(3)基于變形破壞機(jī)制分析的治理思路認(rèn)為必須在控制巖體變形的基礎(chǔ)上，控制潛在滑動(dòng)面的變形，同時(shí)做好坡體排水工作，同時(shí)由于邊坡為順層蠕滑拉裂變形破壞，則采用一定的抗滑鍵防止坡體進(jìn)一步變形破壞;

(4)在對同類邊坡的設(shè)計(jì)治理，必須重視地質(zhì)勘探工作，做好結(jié)構(gòu)面特別是軟弱結(jié)構(gòu)面的統(tǒng)計(jì)調(diào)查工作，準(zhǔn)確判斷潛在可動(dòng)塊體、變形特征及破壞邊界，研究其變形破壞機(jī)制，進(jìn)行基于變形破壞機(jī)制分析的治理設(shè)計(jì)，同時(shí)研究巖體結(jié)構(gòu)在空間上的變化，為邊坡的治理提供相應(yīng)依據(jù)，在保證邊坡穩(wěn)定的基礎(chǔ)上節(jié)省成本。

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