膨脹土邊坡滑坡的坡向效應及機制淺析

劉大雷

（安徽省引江濟淮集團有限公司，安徽 合肥 230000）

在公路、水利和礦山工程的邊坡建設中，膨脹性土石混合體是一個影響工程穩定與安全的突出地質隱患[1]。作為一種特殊的巖土體，膨脹土最大的物理力學特點是遇水容易發生理化反應，吸水時體積擴張，失水后體積收縮，遇水后同時具有易軟化、崩解和泥化的特性[2,3]。其膨脹性對于濕熱環境的變化非常敏感，常因為賦存狀態的改變而出現明顯的脹縮變形，致使弱膨脹性土石混合體地區的巖土工程發生邊坡滑塌、地基沉降變形過大和地下洞室開裂等重大危害[4]。

近年來，隨著近年來我國高速公路工程相繼開工建設，邊坡出現滑動的現象日益突出，造成的危害也不斷擴大，出現了多起公路邊坡巖土體發生滑塌的現象[5,6]。于此同時，通過大量滑坡現象的分析，發現支護條件保持一致的前提下，邊坡陽面（陽坡）的穩定性通常都比邊坡陰面（陰坡）更小，滑坡時陽面的巖土體往往先產生滑動。

對于膨脹性巖土體邊坡的穩定性問題研究，前人的研究主要圍繞邊坡的穩定性分析，邊坡產生變形的變化規律和邊坡防護措施三個方面展開。例如孔令偉等[7]通過在膨脹土邊坡上建立監測系統，獲取了邊坡隨著氣溫變化、含水率以及時間的變化規律，得到降水是膨脹土邊坡失穩的最主要原因；李三川等[8]認為土石混合體邊坡的失穩破壞主要是由于水對巖土體的軟化作用；夏炎等[9]對抗滑樁是否可以有效提高膨脹土邊坡的穩定性安全系數展開了研究,得到抗滑樁的位置與邊坡的安全系數大小有密切關系。殷宗澤等[10]通過研究發現膨脹土的滑坡具有一定方向性。然而對于邊坡朝向作用于膨脹性巖土體邊坡穩定性的影響機制和規律鮮有報道[11]。

綜上所述，環境因素是影響膨脹土邊坡穩定性的最主要因素而環境的氣候條件在一定程度上受到坡向的影響。本文基于公路邊坡滑坡體的地質特點，系統地闡述了邊坡坡向對于膨脹性土體邊坡的穩定性影響，以期加深工程中氣候環境對于膨脹性巖土邊坡的災害機理的認知，了解弱膨脹性土石混合體邊坡滑坡的內在機制，從而為獲取邊坡防護的有效方法提供參考。

1 滑坡時陰陽坡的顯現特征

1.1 陰陽坡的介紹

我國的勞動人民經過長期生產實踐過程，很久以前就已經注意到陰陽坡的差異問題。一般認為“山之南為陽；山之北為陰”，即坡面以南為陽坡，坡面以北為陰坡[12]。而有學者[13，14]認為陰坡和陽坡不僅是指邊坡的南北面，只要因為坡向差異造成坡體兩面具有明顯溫差異，都可以看成陰陽坡，其中，陽坡是溫度較高的一側，陰坡是溫度較低的一側，可以用太陽輻射量來區分陰陽坡。我國由于位于北半球，依靠邊坡自身的遮蔽作用，太陽輻射量以此排序為南坡最大，西南和東南坡次之，東坡、西坡、西北坡和東北坡依次減小，北坡的輻射量最小，因此在地質上一般稱南坡、西南坡和東南坡為陽坡，稱北坡、西北和東北坡為陰坡。

1.2 滑坡體陰陽面的差異

在常人看來僅僅一坡之隔的兩個坡面由于地質條件相似，其巖土體性質的差異應該不會過大。然而從大量滑坡事件的分析總結中來看，坡向對于邊坡滑塌影響較大。圖1和圖2所示的是一處邊坡在同一時期產生滑坡的陰面和陽面。從圖中不難看出邊坡體在突降暴雨之后邊坡陽面發生滑動， 滑坡段的長度為 127m。從二者的實拍圖來看陽面的巖土體邊坡滑塌的嚴重程度比陰面大得多，在陽坡已經出現明顯滑動面，坡面巖土體已經明顯崩塌的同時，陰面仍然保持比較完整的邊坡結構。另外由于我國的建筑通常建在采光和通風條件相對較好的陽面邊坡上，盡量避開選址在陰坡，相關配套設施也主要在陽坡上建設。因此無論從地質條件還是實際工程的角度，邊坡陽面的安全隱患比陰面更大。由此可見，邊坡坡向效應對于其穩定性和安全施工建設具有顯著的影響，深入了解邊坡坡向效應的規律和內在機制有重要的實際意義。

圖1 邊坡發生滑塌的陽面

圖2 邊坡發生滑塌的陰面

2 滑坡坡向效應的機制淺析

2.1 膨脹土滑坡的內在機制

通過地質調查知道該地區的巖土體具有強烈的遇水敏感性，在干燥條件下巖土體的強度較高，經過水的入滲后發生物理化學變化導致體積膨脹，并且強度大幅降低。從圖3的掃描電鏡（SEM）的圖像可以看出該地區的弱膨脹性巖土混合體試樣內部具有大量的裂隙，且有明顯的層理方向性。在邊坡開挖過程中，邊坡內部的裂隙形成降雨入滲的通道，使得弱膨脹性巖土混合體的抗剪強度指標大大降低，邊坡坡體的抗滑力迅速下降。因此，該地區的滑坡事故通常發生在暴雨后，大量的降水是膨脹性巖土邊坡產生滑動的直接誘因。而巖土體在歷史過程中的環境影響效應和開挖、卸荷帶來的影響使弱膨脹性巖土混合體的基本性狀逐漸產生變異，形成大量內部裂隙和潛在裂隙，這是該地區發生山體滑坡的最主要內在原因。

圖3 膨脹土 的SEM圖像

2.2 膨脹土體滑坡坡面效應的機制淺析

從圖5和圖6所示的滑坡體陽面和陰面揭露出來的膨脹性土體的實拍圖可以看出：陽坡滑坡體揭露出的巖土體的膨脹土體呈紅褐色，表面的裂隙非常發育，結構很疏松，易破碎；而陰面的巖土體呈黃褐色，節理為層狀構造，質地較為堅硬，巖土結構的完整性較高。由此可見，由于坡面朝向的不同，該地區的膨脹性巖土體的物理和化學性質出現了較大的分異，這種分異對于巖土體邊坡保持整體穩定性有顯著的影響。

以上述參考圖中邊坡的地質勘查報告顯示滑坡帶的邊坡走向為 NE19°，其左邊的傾向指向東南面，為陽坡；右坡的傾向指向西北面，為陰坡。邊坡內部充填大量膨脹性巖土體，土體中的裂隙十分發育。從圖7可以看出，邊坡裂隙的傾向玫瑰圖顯示裂隙在東南方向為優勢傾向，即裂隙在陽坡內的分布明顯多于陰面。

從上面我們可以知道我國山區陰坡和陽坡的氣候條件往往會存在比較明顯的差別。因此，由氣候條件形成的不同輻射強度、降雨量、溫濕度及植被等因素會對邊坡穩定性產生直接影響，并以滑坡的方式反作用于邊坡的地質地貌形態。通常，邊坡陽面的光照持續時間長，輻射強度大，降水量大，溫濕度變化也較大，而邊坡陰面則相反，并且其巖土體的含水量高，土壤較為肥沃，植被也比較茂密。 由于光照、溫度和降雨量的差異性導致吉林省延邊地區的陽坡土石混合體內所積聚熱能比陰坡多，造成凍土和積雪更易融化，巖土體吸濕脫濕更加頻繁，因此陽坡更易產生夜凍晝融和干濕循環的現象。較之陰坡，陽坡的巖土體內部形成了大量原生裂隙，對邊坡的穩定和安全造成隱患。

基于以上對膨脹性土體滑坡的坡向效應分析，本文得出降水是邊坡產生滑動的直接誘因，裂隙是該滑坡的內在原因，而陽坡的裂隙數量明顯多于陰面，這是邊坡的坡面效應的根本原因。故在邊坡開挖，特別是邊坡陽面開挖后應當及時建造地表和地下的排水設施，防止大量地表水入滲，并加快坡體內部的排水速度；同時，為了防止邊坡的坡體出現大量干縮裂隙，也要保證巖土體內含水率不能過低。對于我國季節性凍土區的膨脹性巖土體邊坡，在采取防排水和保濕措施的同時，也要注意對邊坡進行保溫，避免坡體產生劇烈的溫度變化。因此，在該地區邊坡開挖的過程中，應當注意加強對施工現場的氣象監測和及時采取應對氣象變化影響的措施。

圖4 滑坡體陽面揭露的膨脹性巖土體

圖5 陰面面揭露的膨脹性巖土體

圖6 邊坡裂隙的風向玫瑰圖

3 總結

本文通過對工程現場的調查和相關資料的整理，探討了膨脹性巖土體滑坡坡向效應的特點，分析了膨脹性巖土邊坡的滑塌機制，主要認識如下：

（1）在公路、水利和礦山等工程的邊坡建設中，膨脹土體是一個影響工程穩定與安全的突出地質安全隱患，邊坡的朝向對于膨脹土邊坡的穩定性有重要影響。

（2）膨脹土邊坡的滑坡事故通常發生在暴雨后，大量的降水是產生滑動的直接誘因。而環境和開挖、卸荷的影響使膨脹土內部形成大量原生和次生裂隙，是該地區發生山體滑坡的最主要內在原因。

（3）我國山區的膨脹性巖土體邊坡受到坡向影響，邊坡陽面穩定性比陰面小，事故發生時通常是陽面先出現滑塌。因此，對膨脹土邊坡，特別是邊坡陽面應當進行合理的防護，在季節性凍土地區，采取防排水和保濕措施的同時，也要注意對邊坡進行保溫。