巖溶區軟巖基底巖質邊坡失穩數值模擬研究

劉林潔

(鄭州工業安全職業學院，鄭州 450000)

1 工程概況

研究區邊坡位于貴州省畢節地區威寧縣新發鄉。測區最高點海拔高程2 879.6 m，位于南西部岔河鄉平臀梁子處；測區最低點海拔高程1 185 m，位于北東部洛澤河出境處；大部地區為2 000～2 400 m之間的海拔高程，平均海拔高程2 237 m；區內相對高差一般200～500 m之間，最大相差1 694.6 m。縣境內的平均坡度14.7°，坡度在6°～25°之間的占77.81%。

研究區邊坡出露地層為三疊系下統飛仙關組(T1f)，高程1 860～2 010 m之間陡崖處巖性主要有灰巖，斜坡中下部即在高程1 530～1 860 m之間發育為粉砂巖，中～細粒結構，局部為粗粒結構，薄層狀。見圖1-圖2。

圖1 灰巖

圖2 粉砂巖

研究區軟巖基底巖質邊坡無區域性斷裂通過。研究區邊坡陡崖范圍內灰巖巖層產狀為200°∠6°。邊坡主要巖性以灰巖和砂巖為主，構成軟巖基底巖質邊坡。根據野外調查統計，主要發育有兩組優勢節理裂隙(表1)，裂隙玫瑰花圖見圖3，裂隙均以陡傾為主，裂縫中見有少量碎石及泥質填充。

圖3 裂隙走向玫瑰花圖

表1 研究區裂隙匯總統計表

、

2 危巖體邊坡基本特征

巖體作為地質體的一部分，具有非均質和各向異性等特點。巖體中物質力學性能相對軟弱的夾層或者是力學強度相對較低的部位，稱為結構面[1]。巖體結構能夠反映結構面發育的程度、塊體的大小和巖體完整性及力學性質。研究區邊坡屬于層狀結構。危巖體所處邊坡整體上坡度較陡。危巖體規模大小不等，形態各異，位于高程1 860～1 970 m之間，相對高差110 m，坡體上部巖石裸露，坡度較陡，約75°～80°；中部、下部坡度相對較緩，約30°～50°；坡體中下部巖體巖性為砂巖，此范圍內有植被覆蓋。見圖4。

圖4 軟巖基底巖質邊坡全景及剖面圖

該邊坡區在高程1 530～1 820 m之間發育為粉砂巖(圖5)，中～細粒結構，局部為粗粒結構，薄層狀，礦物成分主要為長石、石英等，此區域粉砂巖表部風化嚴重，發育有侵蝕作用下的深溝。在高程1 820～2 010 m之間發育為灰巖，危巖體正處于此高程的中上部區域，坡體為緩內傾邊坡。斜坡危巖體主要結構面類型：節理裂隙、卸荷裂隙和巖層層面。陡崖處水平裂隙發育較多，水平裂隙發育密度大約為3～4條/m，豎向裂隙發育長且深，結構面起伏粗糙，至下逐漸消失。據現場調查，巖層產狀為200°∠6°，上部陡傾邊坡處發育有兩組優勢結構面，產狀為J1：235°∠88°和J2：286°∠84°。

圖5 研究區邊坡結構面產狀

3 危巖體控制影響因素分析

研究區斜坡巖體內裂隙發育，貫通性良好，裂隙水壓力擴大裂隙的張開程度，水的溶蝕作用將降低結構面上的抗剪強度，促進危巖的形成。

研究區邊坡屬于上硬下軟的巖性組合，上部較硬的灰巖在自重應力作用下擠壓下部較軟的粉砂巖，進而導致上部灰巖和下部軟巖交界面上產生拉裂縫，且交界面上軟巖的壓縮變形也將會導致上部灰巖重心移動，使坡體上部的卸荷裂隙沿著原有的陡傾結構面繼續產生變形[2]。

危巖體巖性為灰巖，灰巖屬于硬質碳酸鹽巖。當邊坡坡角大于70°時，在巖層界面上產生的差異性風化卸荷作用使斜坡表面局部形成眾多深淺不一的凹巖腔(圖6)。地表水沿灰巖內的節理面或裂隙面等發生溶蝕，破壞巖體穩定性，促進危巖形成。

圖6 危巖體下方凹巖腔

4 危巖體失穩機理分析

軟巖基底巖質邊坡危巖體為傾倒式破壞：危巖體失穩方式受坡面、巖層層面、優勢結構面及上硬下軟的巖性組合多方面的影響，巖體結構特征及主要控制性結構面傾角對危巖穩定有很大影響。危巖失穩的側邊界為傾向近直立的卸荷結構面，底部控制面為巖層層面，后緣邊界為順坡向的陡傾結構面構成，危巖體位于坡體臨空面陡崖處。由于上硬下軟的巖性組合，上部較硬的灰巖在自重應力作用下擠壓下部較軟的粉砂巖，加之地下水對軟弱基座的軟化或侵蝕作用，使得粉砂巖產生一定的壓縮變形，使得軟硬巖層交界面處產生大量裂隙且裂隙的發展是自下而上的；受粉砂巖壓縮變形的影響，上部灰巖重心發生位移，坡體后緣卸荷裂隙將沿著原有的陡傾結構面繼續發生變形[3]。

危巖體巖性為灰巖，灰巖屬于硬質碳酸鹽巖，當邊坡坡角大于70°時，在巖層界面上產生的差異性風化卸荷作用使斜坡表面局部形成眾多凹巖腔，導致上部危巖體的底部支撐穩定性變差，重力逐漸外傾，在危巖體自重及其它外力作用下危巖體繞下部基座支點向坡外發生轉動，發生傾倒崩落[4]。

5 危巖體演變過程模擬

研究區邊坡主要位于海拔高程1 850～2 100 m的山盆期一期夷平面范圍內，斜坡危巖體的形成過程實際上伴隨著危巖體內部的各種應力和位移變化過程，危巖體的演變過程主要考慮河流下切和溶蝕作用的影響。

5.1 模擬構建的原則和尺寸單元

模擬時，假設河谷形成前兩岸原始地形線均為水平狀態且符合夷平面高程范圍，且假設初始原始地形線為2 100 m。

現將軟巖基底巖質邊坡的發育演化過程分為以下幾個階段，見圖7。

圖7 軟巖基底巖質邊坡危巖體演變過程模型

5.2 模擬結果分析

1) 位移特征。河流切割坡體之前，斜坡的變形主要受重力作用的影響，變形主要集中在坡體內部且位移較小。隨著河流下切，坡體向臨空面方向產生的水平位移逐漸變大，坡腳處水平位移最為明顯，最大達0.14 m；豎向位移也隨之增大，主要變形區位于危巖體前緣高高程區域，最大值達到1.4 m。見圖8。

圖8 水平、豎向位移分析

2) 應力特征。模擬結果顯示，在初始階段最大主應力方向為鉛直向，隨著河流下切斜坡變形不斷發展，最大主應力越接近于臨空面，就越平行于臨空面；而最小主應力則與之相反，越接近于臨空面，就越正交于臨空面。河流下切過程中，在坡體臨空面出現應力集中，且灰巖和粉砂巖交界處附近出現大范圍的拉應力集中區。河流繼續下切，軟硬巖層界面處的拉應力范圍在逐漸增大，軟硬巖層界面處的拉應力的存在將使坡體內部出現大量的拉裂縫且裂縫發展方向是自下而上的。在高高程區域危巖體處最大主應力增高，最小主應力降低，危巖體附近應力差增大，且高高程危巖體處出現了拉應力，斜坡陡崖處剪應力也逐漸增大。斜坡內壓應力存在于斜坡陡崖小凹巖腔附近，因此危巖體陡傾結構面的端部是斜坡最容易發生變形和破壞的部位[5]。見圖9-圖10。

圖9 最大、最小主應力

圖10 剪應力

模擬結果顯示，明顯的變形主要發生在斜坡臨空面陡崖的端部和軟硬巖層交界面附近。卸荷范圍在風化卸荷作用下，終將覆蓋整個坡表。在自重、風化、暴雨和地震等因素作用下，隨著危巖體后緣裂隙的進一步擴大，陡傾結構面的端部逐漸被破壞，危巖體將以下部巖體某處為轉點逐漸傾斜，因此危巖體發生傾倒的可能性較大。

6 結 論

1) 軟巖基底巖質邊坡主要在重力作用、河流下切及溶蝕作用下形成危巖體，斜坡巖體內裂隙發育，貫通性良好，水的溶蝕作用將降低結構面上的抗剪強度，促進危巖的形成。

2) 危巖主要受上硬下軟的巖性組合、溶蝕作用及風化作用等因素控制。斜坡受灰巖巖溶發育的影響較大，灰巖的力學強度有所降低，是崩塌的易發巖組。綜合各內在及外在因素，采用工程地質過程機制分析法，得出該邊坡危巖體破壞模式為傾倒式破壞。

3) 危巖演化過程中，斜坡明顯的變形主要發生在斜坡臨空面陡崖的端部和軟硬巖層交界面附近，在上部硬質巖體重力作用下，下部砂巖變形繼續發展，導致軟硬巖交界面處裂隙自下而上大量發展。

4) 對該類邊坡危巖體穩定性評價得出，暴雨工況下危巖體的穩定性明顯降低。最后根據此類邊坡危巖體特定的工程地質條件，建議采取局部清除+支撐+錨固的治理措施。