上硬下軟結構斜坡的失穩模式及機理研究
--以四川李家寨危巖崩塌為例

■楊春光 湛丹

（河北省地礦局第二地質大隊河北唐山063000）

上硬下軟結構斜坡的失穩模式及機理研究
--以四川李家寨危巖崩塌為例

■楊春光 湛丹

（河北省地礦局第二地質大隊河北唐山063000）

上硬下軟結構斜坡的失穩模式和機理，一直是工程地質研究領域的熱點問題。這類斜坡往往上部為灰巖、砂巖等硬脆巖層，下部為頁巖、泥巖等軟弱巖層，在長期的卸荷、風化等作用下，斜坡被節理切割，容易失穩。本文以李家寨山體斜坡為例，對上硬下軟結構斜坡的失穩模式和機理進行研究，結果表明，這類斜坡主要以傾倒式和滑移式崩塌兩種模式失穩破壞。由于長期卸荷及風化作用，在斜坡體內發育兩組平行和垂直于坡面的節理，加上差異風化在軟硬巖接觸部位發育的凹腔，巖體被切割成獨立于母體的危巖體。另外，降雨通過后緣節理裂隙滲入坡體內，產生近似水平向和垂向的靜水壓力，增加了危巖體的下滑力、減小了抗滑力，在這些因素的綜合作用下，斜坡失穩。

上硬下軟地層 斜坡 失穩模式 失穩機理 靜水壓力

1　引言

上硬下軟結構巖質斜坡的破壞模式和失穩機理，是目前工程地質研究的熱點問題[1]。對于這類地層結構邊坡的失穩模式和機理研究，目前成果較多，殷躍平認為上部硬巖中富水而下部軟巖隔水的水文地質結構是斜坡失穩的關鍵；劉傳正認為上部厚層硬質巖石、下伏相對軟弱層組成的上硬下軟地層結構條件下斜坡易發生崩塌破壞。上硬下軟結構巖質斜坡形成危巖體和發生崩塌災害的例子較多。比如，三峽庫區鏈子崖危巖體上部是硬質的灰巖、下部相對軟弱的煤系地層；貴州關嶺大寨崩塌-滑坡上部為灰巖、白云巖，中部為相對較緩的砂巖地層，下部為局部含煤的頁巖、泥巖地層，總體為上硬下軟結構；胡斌等認為上硬下軟邊坡崩塌形成的主要原因是由于差異風化在下部軟巖部位形成凹腔，導致上部硬巖產生拉裂并逐漸貫通，而陳洪凱等[8]以三峽庫區危巖下部巖腔內常見的泥巖為例，探索了區別于差異風化的泥巖壓裂風化作用；鄒威[2]等通過大型振動臺試驗研究認為，上硬下軟巖質邊坡破壞主要是巖層后緣拉裂后整體剪切錯動，最終形成崩塌；王根龍[3]等認為上硬下軟邊坡中軟弱巖層在上部巖體壓力作用、遇水軟化、長期風化剝落等因素作用下，不斷壓縮并向臨空方向塑性流動，導致上覆較堅硬巖層拉裂，形成塑流--拉裂式危巖體。

本文以四川省南江縣紅四鄉李家寨山體斜坡為例，在現場調查和勘測的基礎上，查明斜坡的工程地質條件，揭示其失穩模式和失穩機理，為危巖穩定性評價和治理工作提供科學依據。

圖1　危巖體分布及其周邊概況圖

圖2　李家寨山體斜坡典型剖面，圖1中I-I'剖面

2　李家寨山體斜坡基本特征

李家寨位于四川省南江縣紅四鄉，是鄉政府所在地（圖1），距離南江縣城南西30km。李家寨山體在平面上呈一北西至南東向橢圓形，山頂平緩，四周為斷崖。山體西側、東側相對平緩地帶為鄉政府、鄉衛生院、鄉糧站及鄉獸醫站所在地，惠民村一社村民主要居住場所，并有紅四鄉至長赤鎮鄉級水泥路（長紅路）、紅四鄉至沙河鄉村公路（紅沙路）通過。如圖1所示，目前，沿李家寨山體周圍，發育13處危巖，其中2008年汶川地震中及其隨后的降雨危巖1、3、8、9、10已經失穩，并且還有再次失穩的可能，其余危巖也均有失穩的可能，嚴重威脅山體周圍居民的生命財產安全。

南江縣地形以中低山為主，境內河流切割深度較大，河谷多較狹窄，形成諸多峽谷地貌。在南江縣總體地貌格局的控制下，李家寨山體表現為長約500m、寬80～110m的北西-南東向低山，山頂平緩，四周為斷崖，陡崖壁總長1.2km，崖高15～30m，崖下坡面陡峻，一般35°～45°，局部達60°，與山頂相對高差達50～80m（圖2）。

南江縣降雨充沛，年平均降雨量達到1198.7mm。降雨在時間分布不均勻性，多集中在 4-10月。1983年降水量最高，達1832.5mm，1979年最低為829.3mm，1974年9月出現日最大降雨量，達258.8mm。大雨開始期平均在4月20日左右，大雨結束期平均在10月3日前后。全年平均降水量日數為141天。

李家寨山體斜坡地層主要是白堊系劍門關組和第四系，自上至下依次為：①青灰色強風化-弱風化厚至巨厚層中細粒砂巖，產狀為145～169°∠9～10°，厚度15～30m，其間夾含礫砂巖、細粒砂巖構成軟弱夾層（厚度0.2～0.4m），坡面均直立狀，構成一級陡崖，節理裂隙發育，為危巖體的主要原生層；②棕紅色強風化-弱風化粉砂質泥巖，產狀145～169°∠9～10°，總厚度4～10m，其抗風化能力較上覆粉砂質砂巖弱，差異風化導致砂巖與粉砂質泥巖的接觸部位形成凹巖腔，促進了危巖體的產生；③厚層細粒砂巖，產狀145～169°∠9～10°，總厚度2～8m，顆粒較細，強度稍弱，在山體東側較發育，構成二級陡崖，節理裂隙發育地段亦構成危巖體；④棕紅色粉砂質泥巖和泥質粉砂巖互層，產狀135～145°∠5～8°，分布至山腳溝谷，其下部表層基本覆蓋第四系崩坡積物和殘坡積物，坡面稍緩，坡角35～45°，局部達60°以上。地層在剖面上的分布如圖2。

由于受到長期的構造、卸荷和風化作用，李家寨山體中節理發育，主要的節理有四組，它們的產狀分別為：第一組：40°～90° ∠80°～90°、第二組：135°～180°∠70°～85°、第三組：185° ～250°∠75°～90°、第四組：300°～357°∠75°～85°。這四組節理的走向分別與橢圓形山體四周的坡面走向大致平行，對于傾向一個方向的坡面，一般受到平行于坡面的一組卸荷節理與另一組垂直于坡面節理裂隙的切割，就形成了柱狀巖體。

3　李家寨山體斜坡失穩模式

對李家寨山體周圍已經發生的幾處崩塌和潛在崩塌的巖體結構和形成機制進行調查總結，發現李家寨危巖體均發育于斜坡上部的硬脆性巖層即厚層的中粗粒砂巖中，控制危巖體穩定性的因素主要有兩個：

（1）節理裂隙切割。李家寨山體四面陡崖，都受到與崖面平行和垂直的兩組節理裂隙切割，形成了柱狀的巖體。例如7～11號危巖體，受到了與坡面平行的第一組節理和與坡面垂直的第二組節理切割，形成了柱狀巖體。

（2）巖體凹腔。由于上部粗粒砂巖和下部粉砂質泥巖的差異風化，使兩者接觸部位形成大量凹腔。這些凹腔起到兩個作用，第一是和節理裂隙一起，把巖體切割成獨立于母體的危巖體，第二是使上部的硬脆性巖體失去支撐，容易失穩。

在上面兩方面因素的控制下，危巖體的失穩模式，主要取決于斜坡的坡度及與斜坡坡面平行的卸荷節理的產狀。卸荷節理的特點是其產狀與斜坡的坡面基本一致，因此，當斜坡坡面較陡時，發育的卸荷節理產狀便陡，反之亦反。這組卸荷節理的產狀控制著危巖體的失穩模式（見圖3、圖4）：

圖3　傾倒式崩塌

圖4　滑移式崩塌

（1）傾倒式崩塌。一般發生在陡坡，且坡體后部存在與邊坡坡向一致的陡傾、斷續貫通的主控卸荷節理面，由于差異風化危巖體底部凹巖腔發育，局部臨空，危巖體垂心多位于基座臨空支點外側，支點為中風化巖層外緣點，形成傾倒式破壞。

（2）滑移式崩塌。相對于傾倒式崩塌，此類破壞模式發育在坡度較緩的斜坡中，相應地斜坡后部連續貫通的節理面產狀也較緩，因此，被切割的獨立巖體能夠沿著后部節理面和坡面發生滑移。

4　李家寨山體斜坡失穩機理

李家寨山體斜坡的失穩機理，主要包括三個方面，除了節理切割形成獨立巖體、差異風化在軟硬巖接觸部位形成凹腔等斜坡體自身因素外，降雨入滲在坡體內產生水平推力和浮托力，是坡體失穩的外部誘發機理。

在李家寨山體斜坡中，上部粗砂巖中節理裂隙發育，是很好的儲水介質，且為雨水入滲的良好通道。南江縣雨水充沛且極其分布不均勻，在雨季降雨量大，雨水沿節理裂隙迅速下滲并充滿裂隙，但是砂巖下部的粉砂質泥巖，節理裂隙不發育，透水性小，是天然的隔水介質。入滲的雨水在粗砂巖裂隙和砂泥巖交界處聚集，對已經被節理裂隙切割形成的獨立粗砂巖施加水平向的靜水壓力和豎向的浮托力（圖5），水平力增大了危巖體的下滑力，而浮托力則減小危巖體有效應力，進一步減小危巖體的抗滑力，在兩者的作用下，危巖體極易在雨季失穩破壞。

圖5　危巖體地下水作用模型

5　結論

以李家寨山體斜坡為例，在詳細現場調查的基礎上，對上硬下軟結構斜坡的失穩模式和失穩機理進行了研究，得出以下兩點結論：

（1）上硬下軟結構斜坡的失穩部分一般來自于上部硬脆性巖層，在長期構造、卸荷和風化作用下，巖體節理裂隙和由于差異風化形成的巖石凹腔切割成獨立的危巖體，其失穩模式一般有兩種：傾倒式和滑移式崩塌，主要取決于斜坡的坡度和平行于坡面的節理裂隙的產狀。

（2）上硬下軟結構斜坡的失穩機理包括三個方面：斜坡巖體受到兩組節理和軟硬巖接觸部位凹腔的切割形成獨立巖體；巖體凹腔使上部切割形成的危巖體失去支撐；雨水入滲在斜坡體內形成水平與垂向兩個方向的靜水壓力，減小了危巖體的抗滑力而增大了它的下滑力。

[1]宋玉環,黃潤秋,巨能攀,趙建軍，許兵.鯉魚塘水庫溢洪道邊坡穩定性的巖體結構分析 [J].工程地質學報.2010,18(4):529-533.

[2]鄒威,許強,劉漢香,陳龍,王龍.強震作用下層狀巖質斜坡破壞的大型振動臺試驗研究[J].地震工程與工程振動.2011,04:143-149.

[3]王根龍,王根龍,伍法權,祁生文,于國強,蘇天明.塑流-拉裂式崩塌機制及評價方法[J].巖石力學與工程學報.2013,32（增1），2863-2869.

[4]河北地礦建設工程集團隧道工程公司.南江縣紅四鄉李家寨崩塌應急勘查報告[R],2009.3.

P694[文獻碼]B

1000-405X（2016）-7-306-2

楊春光（1967～），男，大專，地質調查專業，工程師，研究方向為災害地質、水文工程地質、地熱地質的勘查與評價。