山西S331省道某邊坡危巖發育特征及防治措施

龐偉軍，高 劍，焦海平，張雄偉

(1.中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000； 2.中國鐵路蘭州局集團有限公司中衛工務段，寧夏 中衛 755000)

危巖是指發育于陡崖或陡坡上由結構面切割且穩定性差的巖石塊體及其組合，產生過程具有發育漸進性和失穩突變性[1-3]。軟弱基座型危巖是危巖崩塌的最常見類型[4]，成因機制為下伏軟層的壓縮、塑性擠出、滑移等誘發頂部硬質巖的崩塌破壞，通常變形規模大，災害性強。

目前，針對軟弱基座危巖體已有較多的研究成果。如黃潤秋[5]從應力和變形的角度提出了緩傾軟弱基座型斜坡具有蠕滑-拉裂-剪斷的三段式破壞模式；唐紅梅等[6]從力學的角度研究了軟弱基座式危巖崩塌序列和簡化單體危巖的崩塌機理，驗證了危巖鏈式發育規律；蘭志勇等[7]采用數值和模型相結合的方法分析了某斜坡坡體內應力、變形分布特征和發展過程，認為緩傾內具軟弱基座的斜坡變形破壞機制表現為壓縮-拉裂-剪斷三段式；周新等以重慶甄子巖為例，認為基座巖體的壓縮流變和剪切流變是引發危巖體滑移垮塌的主要原因；黃達等[8]通過巫山縣望霞危巖的研究，提出該軟弱基座危巖變形失穩過程可分為穩定、累積損傷、座落及折斷四個階段等等。

山西S331省道在沁水縣境內多沿縣河、沁河河谷布設，沿線上硬下軟和軟硬互層結構巖質邊坡大量分布，為軟弱基座型危巖崩塌的孕育產生奠定了良好的地質條件和變形依附體，發育數量多，規模體積大，危害程度高，給線路的維護和行車安全造成了長期性影響和威脅。本文借助既有研究成果，以沁水S331省道某邊坡典型的軟弱基座型危巖崩塌為例，分析病害發育過程、破壞模式、成因機制及發展趨勢等，提出合理有效的針對性防治措施，為沿線類似危巖體的正確認識和工程治理提供參考。

1 研究區工程地質概況

研究區位于山西省晉城市沁水縣東部縣河河谷區，處于沁水凹陷核部地帶，地貌形態以侵蝕性中低山和堆積河谷平地為主。區內地層巖性主要為二疊系中統(P2)砂、泥巖及互層，在河谷區上覆厚度較大的卵礫石層。區域巖層基本呈水平狀，但經構造擠壓作用，巖體內發育兩組大角度相交的豎向優勢結構面，連續貫通性較好，切割巖體呈塊體狀。S331省道在區內多布設于縣河左岸山體斜坡腳，受地形條件控制和開挖影響，于線路內側形成長距離、大段落的路塹邊坡體，坡度多70°以上，高度10 m～50 m不等。坡頂自然斜坡平均坡度20°左右，坡面植被茂密。

研究危巖體發育邊坡緊鄰縣河河岸分布，平面上沿道路呈北東-南西向展布，長度約125 m。坡體開挖高度18 m～22 m之間，坡度75°～90°，坡面平整度較差，反坡、陡坎、凹槽等大量發育(見圖1)，坡腳于泥巖頂部可見空腔，最大深度0.5 m。

該邊坡為典型的上硬下軟結構巖質邊坡體(見圖2)。上部二疊系中統砂巖為邊坡的主要物質組成體，巖層水平狀分布，中厚～厚層，中風化為主，巖體質較硬。巖體內發育兩組優勢結構面：1)N65°E∠NW84°，連續貫通，微張，面理較粗糙，局部泥質充填，間距0.2 m～0.5 m；2)N45°W∠⊥，連續貫通，面理較平整，閉合狀，局部張開，間距0.2 m～1.5 m。受結構面切割，砂巖整體較破碎，呈塊體狀和鑲嵌碎塊石狀。下部泥巖在坡腳呈條帶狀出露，可見厚度2.0 m～3.5 m不等，薄～中厚層，風化強烈，巖體質軟，淺表層風化為碎裂、散體狀。泥巖頂部與砂巖接觸帶發育數處溪流狀滲水泉眼，滲水量受降雨明顯控制，旱季多為干涸狀。

2 危巖發育特征

長期以來，研究段邊坡塊狀巖體的錯斷掉塊和鑲嵌碎塊石狀巖體的錯落坍塌變形時常發生，雖單次變形規模、體積較小，但變形破壞頻率較高，每年雨季均產生數次的危巖落石和崩塌。2020年8月份，受沁水地區連續強降雨影響，研究區S331省道再次發育產生多處邊坡危巖險情，其中以研究段路塹邊坡的危巖變形和破壞最為嚴重，造成區間交通中斷數日，危巖潛在變形規模快速擴大，對道路行車安全形成了嚴重威脅和隱患。

踏勘調查，本次研究段邊坡危巖的發育變形特征主要體現在三個方面：

1)危巖的崩塌變形：以圖2中平行坡面的貫通裂隙為后部控制界面，在垂直于坡面的節理切割下，坡面被分割巖體孕育產生多處崩塌破壞，破壞模式以錯落坍塌和傾倒為主(見圖3)。變形危巖體厚度1 m～3 m不等，高度多貫穿整個坡面，平行道路寬度5 m～15 m之間，整體變形規模差異較大，最大方量達500 m3。變形體直接沖擊、壓埋線路，導致交通嚴重受阻。

2)母巖的卸荷變形：表現為坡體基巖內平行坡面向的節理裂隙的進一步拉張和延伸貫通，在危巖體崩塌側界反映最為明顯。裂隙連續貫通性較好，具一定量的張開度，泥質充填較少，多具上寬下窄、外寬內窄特征。順延已破壞危巖體后部界面的裂隙張開量最大，可見寬度5 cm以上，且上下全部貫通，為坡體危巖的潛在破壞變形提供了有利的邊界控制條件。

3)軟化壓縮變形：發育在邊坡坡腳泥巖中。因長期裸露，巖體風化嚴重，破碎程度高，質較軟，連續強降雨期在頂部基巖裂隙水的大量下滲下，泥巖被進一步軟化，并隨上部卸荷裂隙控制危巖體的重壓而產生壓縮變形。現場在巖體接觸帶可見較明顯的軟弱泥巖擠出和泥巖坡面的剪錯滑移，但變形規模和程度較小，且呈不連續狀分布。

3 危巖成因機制

3.1 危巖變形原因分析

3.1.1 內部地質條件

研究段路塹邊坡處于縣河左岸中低山區，經省道的開挖修建，道路內側邊坡高陡，地勢差明顯，滿足危巖體產生的依附和動力條件。地質巖層方面，研究段邊坡為典型的上硬下軟結構巖質坡體，其上部砂巖質地堅硬，自穩性能良好，適宜于巖體變形能量的積累和突然釋放，是控制危巖體孕育、變形及破壞的良好載體[9-10]；下部泥巖質地較軟，易風化、軟化并產生壓縮變形，進而引發上部砂巖卸荷變形的持續產生和變形能量的逐步積累，形成了危巖體從孕育形成到變形破壞的全過程直接導火索。地質構造方面，邊坡巖層整體近水平，利于坡體的穩定。但受構造擠壓作用，巖體內發育了兩組大角度相交優勢結構面，其中一組與邊坡面近平行，順坡向切割巖體呈陡傾層狀，直接將危巖與母巖逐層分離，另一組與邊坡面近垂直，橫向切割巖體呈條帶狀，為危巖體的產生提供了充分邊界條件。因此，在地質背景條件的內部作用下，坡體危巖的孕育產生是一種必然結果。

3.1.2 外部誘發因子

1)風化作用：以雨水的浸泡、軟化和沖蝕風化為主，為長期的漸進性地質作用。

a.坡體砂巖節理裂隙發育，利于雨水的下滲和徑流，經長期循環浸水，巖體結構面的力學強度逐漸損傷，特性從閉合結構面逐漸發展為貫通裂隙，并伴隨雨水攜帶泥質成分的充填和潤滑，最終因結構面強度的損失引發坡體塊狀巖體的錯落坍塌。該作用誘發的危巖體規模通常較小，但具高頻特征。

b.因砂巖節理的導水作用，坡腳泥巖被雨水浸泡時間普遍較長，加之其成巖性較差，泥巖的軟化和流失速度明顯快于砂巖。這種差異風化一方面在軟、硬巖接觸帶形成了空腔，造成泥巖受力面積減小，應力集中，另一方面加速了泥巖的壓縮變形，導致砂巖卸荷，裂隙擴展，巖塊進一步松動，最終誘發危巖體的產生。該作用誘發的危巖體規模相對較大，具高頻特征。

2)降雨作用：研究段邊坡危巖體的孕災過程中，降雨作用一般情況體現為對風化作用的促進和加速，強降雨時轉化為直接誘發因素，以觸發危巖的突變破壞。如2020年8月份，連續數次的強降雨過程中，大量雨水沿卸荷裂隙下滲，在砂巖裂隙內形成短暫靜、動水壓力，并軟化潤滑結構面，同時坡腳泥巖軟弱基座因浸泡快速軟化，產生過大壓縮變形，進而引起塊狀砂巖的支撐力減弱和快速卸荷，最終在結構面力學損傷、裂隙水壓力等共同作用下誘發了危巖體的大規模、大體積突變性錯落坍塌和傾倒變形。結合危巖破壞實際情況，降雨下滲→軟巖軟化→軟巖壓縮變形(支撐力減弱)→硬巖卸荷坍塌是本次危巖孕育產生的主導過程。

3.2 數值模型分析

以圖2典型斷面為例，采用Plaxis-2D有限元軟件進行建模和數值分析。模型中對巖層面等厚度簡化后采用界面單元進行模擬，豎向張開卸荷裂隙采用接觸單元進行模擬，共劃分單元6 232個，計算節點51 586 個。計算參數取值及模擬結果如表1所示。

表1 巖體計算參數

圖4(a)反映出，坡體的變形以坡腳泥巖為核心向四周呈遞減狀態發育，在泥-砂巖接觸面具明顯的突變特征。坡腳泥巖產生了較大的壓縮變形，向坡內2 m～3 m深度內變形量最大。坡面砂巖的變形以貫通裂隙為界同樣具突變特征，裂隙分割危巖的變形量明顯大于裂隙內部巖體。因節理裂隙連續貫通性較差，裂隙內部巖體變形量在逐漸減小的情況下突變跡象不明顯。圖4(b)反映出，貫通裂隙切割控制的危巖塊體具明顯的整體性下錯變形，與圖4(a)相同在裂隙界面處產生了位移突變。坡腳軟弱泥巖在對應危巖的接觸面出現了與危巖下錯量相同的壓縮變形，其他巖體變形量不明顯。圖4(c)反映出，坡腳泥巖在淺表層2 m～3 m深度內產生了大量的彈塑性點，即產生了明顯的彈塑性變形，這與圖4(a)中泥巖的變形分布具相似特征。砂巖中彈塑性點主要沿裂隙分布，表明該裂隙是目前危巖變形的主要切割界面及變形依附面。

綜合分析，在現狀坡體結構條件下，邊坡模型的變形主要以坡腳泥巖的壓縮、剪錯滑移和坡面貫通裂隙分割的危巖體的下錯坍塌為主，且泥巖的壓縮、剪錯變形是邊坡危巖體突變破壞的充分條件。同時，坡體危巖的發育基本以既有貫通裂隙為切割界限，在裂隙內部暫未產生明顯的危巖變形體。該種結果與現場實際情況基本一致。

3.3 危巖變形發展趨勢

結合坡體既有變形特征和數值分析結果，研究段邊坡危巖體的變形破壞具明顯的間斷性循環發展特征，即坡腳泥巖不斷軟化壓縮，頂部砂巖淺層順坡向結構面逐漸張開延伸，至結構面全部貫通且泥巖經軟化壓縮而無法支撐砂巖重壓時，坡體產生的淺層結構面控制的危巖崩塌便為研究段邊坡危巖變形破壞的一個循環體。因危巖體破壞后，內部危巖體的孕育產生需經歷結構面的卸荷張開→降雨的下滲軟化→軟巖的壓縮變形→結構面的拉裂貫通，其發展過程表現出了明顯的間斷性。調查與訪問，危巖體循環變形厚度通常處于0.5 m～2.5 m之間，主要受坡體順坡向結構面發育程度和連續貫通性的控制，連續性好、貫通性強的節理面優先發展為循環危巖體的背部分割裂隙。循環間隔時間具不確定性。

因此，在既有地質條件基礎上，研究段邊坡產生大厚度、大規模巖體變形破壞的可能性小。經不斷風化和連續降雨的誘發作用，研究邊坡的變形主要以危巖體的形式逐層向坡體深部循環發展，每循環危巖體的孕育產生機理、變形破壞模式、變形體積規模具相似特性。

4 防治措施

針對危巖體變形發育特征和形成機制，采用“坡腳支擋+坡面防護”為主的綜合治理措施(如圖5所示)對研究段邊坡進行加固處理。主要措施布置為：

1)危巖清理：對坡面松動危石和切割裂隙全部貫通的危巖體進行人工清除。

2)護腳墻：沿坡腳泥巖出露帶布設一道C25混凝土護腳墻。墻體高度以覆蓋全部泥巖面為宜，基礎埋深1.5 m，頂寬0.5 m～1.0 m，底寬0.9 m～1.8 m(具體根據墻體斜高度調整)，面坡坡率1∶0.3，背坡坡率1∶0.2。墻身設兩排φ10 cm的PVC泄水管，梅花形布置，間距2.0 m，底排出水口高出路面0.5 m。同時，護腳墻實施前對泥巖頂部的全部空腔進行排查，對體積較大者采用漿砌石進行嵌補，對體積較小者采用罐、壓漿的方式處理。

3)SNS主動防護網。于危巖體發育邊坡面布設SNS主動防護網，網體采用3 m長全黏結性錨桿錨固，以達到同時加固淺層危巖體的目的，在潛在危巖體發育明顯、規模較大區錨桿長度增加至6 m。錨桿的立面布設以梅花形為主。

4)裂縫灌注。排查危巖發育邊坡坡頂裂縫，在主體防護工程實施完成后，對明顯卸荷裂隙進行灌漿處理，漿液采用水灰比(質量比)0.5的水泥砂漿。

5 結語

1)研究段邊坡為典型的上硬下軟結構巖質坡體，中上部硬質砂巖發育垂直坡面和平行坡面兩組陡傾角優勢節理面，且受其切割影響，巖體具塊狀分布和平行坡面層層分布的基本特征，底部泥巖質較軟，雨水易軟化，風化速度快，差異風化明顯。加之顯著的地勢差，該邊坡為軟弱基座型危巖體的孕育產生奠定了有利的地質條件，坡體危巖體的變形破壞成了地質過程中的必然結果。

2)差異風化和裂隙滲水軟化是邊坡危巖體產生的主要誘發因素。受其影響，研究段邊坡危巖體的變形破壞具明顯的間斷性循環發展特征，循環體變形厚度處于0.5 m～2.5 m之間，主要受坡體平行坡向結構面發育程度和連續貫通性的控制，循環間隔時間具不確定性。

3)每循環危巖體的變形主要體現在底部軟巖的壓縮變形、頂部硬巖的坍塌變形和后部母巖的卸荷變形三個方面，其孕育產生機理、變形破壞模式、變形體積規模具相似特性。

4)降雨下滲→軟巖軟化→軟巖壓縮變形→硬巖卸荷坍塌是危巖孕育產生的主導過程，軟質泥巖的壓縮、剪錯變形是危巖體突變破壞的充分條件。

5)采用“坡腳軟巖支擋、坡面危巖掛網錨固為主，危巖清理、灌縫、排水相結合”的綜合措施可有效加固坡體危巖。

6)經誘發因素長期作用，研究邊坡危巖體逐層向坡體深部循環發展的趨勢明顯，對研究邊坡和類似性質邊坡危巖體可采用(4)的加固措施及時處理，以保障坡體的基本穩定和線路的通暢安全運營。