典型花崗巖斜坡切坡穩定性影響研究

閆佳奇 YAN Jia-qi

（上海勘測設計研究院有限公司，上海 200434）

0 引言

隨著工程活動增加，大量工程建設活動逐漸向山區延伸，由于山區地形和交通等因素制約，建設工程常常依山傍水修建，人工削坡現象十分普遍。但不合理的邊坡開挖往往會導致坡體失穩從而給人類帶來威脅[1]。山區由建房切坡導致的地質災害占總數的比例達90%以上。如何優化邊坡開挖，減小邊坡失穩風險，已成為山區工程建設中急需解決的難題。

1 研究現狀

針對失穩邊坡穩定性計算的方法主要有極限平衡法、強度折減法[2-3]，在實踐應用[4-5]的過程中得到不斷完善。同時，邊坡開挖方案優化也產生諸多成果：祝玉學[6]等結合礦區開采多要素建立了邊坡開挖總目標函數，得到最優礦山開采方案；胡振邦[7]，劉強[8]，陳鋮[9]等通過對多種邊坡開挖組合方式進行研究，對花崗巖地區的切坡提出了建議。但目前主要研究集中于礦山、大壩等重要建設工程領域，針對農村建房切坡等指導性不足。

2 研究區概況

研究區地處大別山脈東部，構造侵蝕作用嚴重。區內巖性以白堊紀時期侵入巖為主，該類巖性分布于研究區95%以上的區域，其主要礦物為鉀（斜）長石，呈塊狀構造。在熱脹冷縮的影響下巖體表層易產生裂隙。同時又因為該區降雨較多，從而使得區內巖體風化程度較高，坡表幾乎呈全～強風化，坡體局部陡立地段呈中～弱風化。坡體表層的大都為強風化巖體，遇水易崩解，導致區內自然坡度大都在30-60°。

區內人類越來越多的工程經濟活動破壞了原有生態環境，因而近年來地質災害的發生越來越頻繁，并有愈演愈烈之勢，給當地居民造成了嚴重損失和巨大威脅。人類工程活動對自然生態環境造成嚴重危害，促進了地質災害形成與發育，表現尤為突出的農村建房切坡工程活動日趨頻繁。根據對研究區建房切坡引發1632處滑坡隱患（巖質）進行統計（表1-表2），區域切坡坡度大都處于60～80°范圍，且切坡高度一般為10.0m以下。

表1 切坡坡度統計表

表2 切坡高度統計表

區內地質災害發育具有以下特征：

①地形地貌對地質災害的影響。

斜坡所處的地形地貌是地質災害形成的基礎，并決定了能否形成及形成災害類型、數量、規模。斜坡的幾何形態幾乎決定著應力的大小和分布，同時控制著坡體的穩定性與破壞模式。

②巖土體類型與地質災害。

以區內發育數量最多的滑坡災害為例，根據調查統計，滑坡災害中巖質滑坡占比85.6%。區內巖質滑坡主要發育于花崗巖。從巖性、巖土體結構方面分析與巖質滑坡形成的關系，花崗巖抗風化能力差，遇水易軟化等工程地質性質，具備了形成滑坡的物質基礎條件。同時，在構造作用以及其它外力作用影響下，坡體易沿層面、強弱風化接觸帶等形成潛在的滑動面或滑帶。

③水與地質災害。

在諸多形成地質災害的不利因素中，研究區中水是災害發生最重要的誘發因子。水對滑坡的作用主要表現在：增大孔隙水壓，軟化、潛蝕巖土，使得結構面強度降低，從而導致滑坡體產生滑動；同時，多次的干濕狀態交替變化使得巖土體開裂，產生了大量的裂隙，方便了表水的入滲，使滑坡變形加速。于是，水就成了重要的誘導和觸發因素。

④地質構造與地質災害。

地質構造復雜往往會導致坡體節理裂隙發育，研究區主要的構造有：

F12斷層：延長25km，為張性斷層，總體走向22°，產狀為110-120°∠70°，區內為其西南段。由硅化破碎帶組成，發育有糜棱及破碎巖，具硅化、紅長石化及綠泥石化等蝕變現象。

F13斷層：延伸長24km，為張性斷層，產狀為105-120°∠70-80°。具碎裂巖化，蝕變以硅化及紅長石化為主，并見細角礫巖，擦面上有明顯的上沖擦痕。

F17斷層：延伸16km，總體走向為20°，產狀為110-120°∠70°，為張性斷層，區內為其西南段。其特征為巖石破碎，沿破碎帶有輝綠玢巖充填。

F37斷層：延伸12km，走向為25°，產狀為290°∠70°，為一張性斷層，其兩側地層混亂，發育有角礫巖，局部見碎裂巖和硅化現象。

⑤風化層厚度。

風化層的厚度對坡體穩定性具有重要的作用。根據對研究區多年的現場踏勘發現：風化層厚度越大，災害發生的幾率越大。根據收集區域內斜坡鉆孔資料，得到全風化層厚度隨坡度的關系如圖1，并對兩者進行了線性擬合，得到經驗公式：y=3.51-0.012x（其中x為坡體坡度，y為全風化層厚度）。

圖1 全風化層厚度與坡度曲線圖

3 理論模型計算

3.1 計算模型

對實際邊坡進行簡化處理后，采用了自然坡度、切坡角度及切坡高度作為動態條件。本次選用自然坡度為35°、45°、55°，高度為30m的邊坡作為數值模擬簡化模型（圖2），并采用經驗公式計算得到全風化層厚度，將模型中花崗巖巖質邊坡分為兩層，分別為全風化及強風化層。

圖2 自然坡度數值分析簡化模型

建立人工切坡坡度為60°、70°及80°及人工切坡坡高為2.5m、5.0m、7.5m進行正交的數值分析模型。模型工況分別為：工況一為天然（自重條件），工況二為降雨工況（自重+降雨條件），同時以區內24小時最大降雨量，3天降雨時長做為邊界條件。

3.2 力學參數

根據巖樣室內試驗獲得邊坡的力學參數，具體數值見表3。

表3 巖層物理力學參數表

3.3 計算結果與分析

①自然邊坡穩定性分析。

根據模型計算了兩種工況下原始坡體的穩定性（圖3），發現在切坡坡度、切坡高度增加時，其自然邊坡穩定性系數逐漸降低，這一特性在降雨工況下尤為明顯。此外還與其原始自然邊坡坡度有關，坡度越小其邊坡穩定性系數下降幅度較大，因邊坡坡度相對較緩，降雨入滲致使邊坡內的孔隙水壓力增大，降低了基質吸力，造成巖體力學強度降低，導致邊坡的穩定性系數迅速下降。

圖3 自然邊坡穩定性與坡度的關系圖

②切坡坡度對邊坡穩定性分析

根據模型計算結果，得到天然與降雨工況下的坡體穩定性系數變化圖（圖4），結果表明在相同切坡坡度下，在降雨工況下的穩定性系數低于天然工況。在無降雨作用下，隨著切坡坡度的增大，邊坡的自穩能力逐漸降低，其穩定性系數呈下降趨勢；在降雨作用下，邊坡穩定性系數與無降雨時相比，其下降幅度較大，主要受切坡坡度及降雨量的影響，研究區連續的強降雨導致邊坡巖體含水量、容重增加，巖體物理力學降低，且切坡坡度越陡，造成邊坡坡頂的張應力增加，其自穩能力較差，故該種工況下邊坡穩定性系數下降較為明顯。

圖4 邊坡穩定性系數與切坡坡度關系圖

③切坡高度對邊坡穩定性分析。

通過對各工況下模型進行計算，得到天然工況下與降雨工況下的坡體穩定性系數變化圖（圖5），結果表明在相同切坡高度下，邊坡的穩定性系數在降雨工況下低于天然工況。各種自然邊坡在切坡、降雨共同作用下，其邊坡的穩定性系數明顯降低，同時，切坡高度2.5m～7.5m區間邊坡的穩定性系數存在較大的差異，主要因切坡高度越大，改變了該邊坡的地形地貌，致使邊坡前緣臨空，造成邊坡應力重分布，其平衡狀態被打破，在降雨的作用下，巖體力學強度降低，從而導致邊坡穩定性系數的下降幅度增大。

圖5 邊坡穩定性系數與切坡高度關系圖

4 結論

①不合理的切坡形式將對坡體的穩定性帶來不良后果，甚至有可能會導致邊坡失穩。

②天然工況下當切坡高度小于7.5m時，35°的花崗巖邊坡均呈穩定狀態，45°的邊坡呈基本穩定狀態，55°的邊坡均不穩定；降雨工況下邊坡呈基本穩定～不穩定狀態，同時降雨作用導致邊坡的穩定性系數下降趨勢較天然工況更加明顯。

③在對花崗巖區域邊坡進行切坡時，建議切坡高度5m以下、坡度70°以下，以降低坡體失穩風險。