典型邊坡變形機理分析

(成都理工大學 四川 成都 610059)

中國西部地區高邊坡地質災害不僅發生頻繁，而且具有規模大、機理復雜、危害大、防治難度高的特點。由于青藏高原的唯一性，致使這些特點在全世界范圍內也具有典型性和獨特性。由此建立了西南地區高邊坡變形破壞的地質-力學模式及相應的災害控制原理。

一、滑移-拉裂-剪斷“三段式滑坡”

(1)坡體下部受特定近水平或緩傾軟弱結構面控制的高邊坡，前緣沿結構面發生緩慢的蠕滑變形，后緣拉裂，伴隨這兩部分變形的發展，形成中部的鎖固段。最終鎖固段發生脆性剪斷破壞，形成高速滑坡[1-2]。

(2)可能產生這類變形破壞模式的邊坡往往具有以下的地質結構：

1.坡體主體由相對均質的脆性巖體或半成巖體構成，但坡腳發育近水平或緩傾坡外的結構面；

2.以堅硬巖體為主體，夾有相對較薄軟弱夾層構成的互層狀邊坡。

黃潤秋等(1983)提出邊坡沿坡腳軟弱結構面發生重力剪切蠕滑條件[3]：K≥Kc=(1+C-tgφlctg2α)/(1-C-tgφlctg2α)

張倬元、劉漢超等(1983)提出根據后緣拉裂的發育深度對該類邊坡的失穩破壞進行預報[4]:Hcr=0.5763H-27.0992

黃潤秋等(1991)提出考慮鎖固段效應的邊坡穩定性可采用下式來評價：FS=K·Fb

其中Fs為考慮鎖固段效應后的邊坡穩定性系數，Fb為假定滑面貫通情形的邊坡穩定性系數，K為鎖固段破壞的超載系數，由物理模擬試驗或數值模擬得出。

(3)穩定性或災害控制原理：核心問題是鎖固段不被破壞。重點應通過上部坡體的加固阻止后緣拉裂段的擴展，或在蠕滑段提供足夠的抗剪力。

二、“擋墻潰決型”邊坡變形及滑坡

(1)坡體下部存在軟弱基座,中部為相對堅硬巖體。這時,上部巖體沿特定面的蠕滑在中部受阻,形成應力集中鎖固段。伴隨上部蠕滑發展和下部軟弱基座的擠出變形,鎖固段發生脆性剪斷破壞，形成高速滑坡。

“鎖固段”的剛度遠高于下部軟弱基座的剛度，因此，它如一座擋墻，承擔了上部坡體沿潛在滑動面傳遞下來的大部份荷載。因此，鎖固段是坡體的應力集中部位。隨著時間的延長，軟弱基座在上部坡體的壓縮作用下，將發生向臨空方向擠出的緩慢蠕變，致使應力向“鎖固段”進一步轉移；最終發生突發的脆性破壞，導致滑坡發生。

(2)穩定性或災害控制原理：保護“擋墻”的完整性不被破壞，同時對上部坡體進行支護加固或削方減載。

三、反傾層狀巖體的傾倒變形

(一)模式1：脆性折斷型

通常發生在中等-堅硬的層狀巖體或被陡傾節理分割的堅硬塊狀巖體中，以中厚層狀為主，如中厚層狀的灰巖、變質砂巖等。變形的本質是巖體的“結構變形”，即受結構面控制的“剛性”轉動變形。

一般地說，這類傾倒的范圍較小，以20m深度以外居多，表現為淺層穩定性問題。這類變形還通常出現在山梁表部地形較陡部位。由于潛在破裂面呈鋸齒狀，這類傾倒很難表現為整體破壞，而是以局部由前部向后部逐次擴展。

因此，這類傾倒可能變形范圍較小，由于不含軟層，因此，通常表現為“折而立斷”，形成明顯的根部折斷面。由于折斷面形態較為復雜，因此，一般不會產生沿面的滑動，而多表現為下部開挖失去“支撐”后的逐級后退式破壞。對開挖邊坡來說，這類變形應該有效控制，以防出現折斷失穩。

災害防治原則：避免切腳開挖。邊坡開挖過程中，應及時采用長錨桿支護或作預置錨桿。

(二)模式2：延性彎曲型-深部傾倒

通常發生在軟-中等偏軟、或軟弱片巖帶發育的坡體部位。變形的本質主要是巖層在長期的地質歷史過程中所發生的蠕變或流變變形。

一般地說，這類傾倒可能變形范圍較大，以軟弱層狀巖體(片巖、泥質板巖、碳質板巖等)為主。但由于邊坡具有延性彎曲的特點，因此，通常“折而不斷”；另外，這類變形通常是是在地質歷史時期形成的，整體上屬于一種穩定的變形破裂結構。

災害防治原則：主要進行邊坡淺部防護，可在表層清坡后，采用錨桿掛網噴護。

(三)模式3：壓縮-傾倒-錯動型

這類變形通常是具有軟弱基座的反傾層狀巖體邊坡發育一組與坡面平行、傾向坡外的結構面。壓縮-傾倒變形發生后，邊坡傾倒的同時，帶動坡體內順坡結構面產生錯動，形成一種特殊的復合變形結構。

由于這組變形結構的非貫通性，因此，通常在開挖結束后，變形也就隨之很快減緩或停止了；除非其連通率較高，否則，這種變形不會導致大規模的高邊坡整體失穩和滑坡的發生。

災害防治原則：通常不會產生整體滑動，但傾倒會引起上部坡體拉裂松弛，應加強上部支護和變形監測。

四、高應力-強卸荷應力釋放型

(一)模式1：錦屏型

由反傾巖體構成的高陡邊坡在上覆巖層的擠壓作用下，由于特定的地質結構，地應力釋放導致堅硬巖層向臨空方向擠出，導致邊坡深部拉裂、錯動。往往形成潛在不穩定的邊坡結構：天然情況穩定，但在外部因素作用下可導致邊坡失穩，工程適宜性差。

災害防治原則：避免對坡腳部位的擾動和切腳開挖。加強對上部坡體的支護，加強坡體的排水。

(二)模式2：向家壩型

由近水平巖層構成的高邊坡。高水平應力在卸荷條件下釋放，驅動邊坡巖體向坡外擠出，形成深部裂縫。邊坡變形將會隨應力釋放而逐漸穩定。邊坡開挖過程中會有較大的變形，并形成深部裂縫，但最終應力松弛完成后，是一種穩定變形結構。應當加強表面和內部位移監測。

五、結論

邊坡變形的發生機理是一個復雜的地質-力學過程，或者說是一個時效過程，這個過程的發生是以滑動面的貫穿過程為主體的，滑動面的形成及貫穿往往具有累進性破壞的特征。研究表明，西部地區的大型巖質滑坡的發生一般都伴隨有滑動面上“鎖固段”的突發脆性破壞。“鎖固段”在巖質邊坡的變形控制和穩定性機理中具有重要的地位，也是邊坡地質災害評價與控制的關鍵。