貴州煤磷電廠區現場試驗邊坡變形破壞機制分析

貴州煤磷電廠工程實施需對周邊山體進行開挖，將形成多個開挖邊坡，為了分析邊坡開挖后的變形機制，采取現場開挖的方式進行研究，結合探槽揭露的滑體特征，分析邊坡變形破壞的主要因素。結果表明：邊坡主要是在降雨影響下發生滑動破壞，影響邊坡破壞的主要因素包括：人類工程活動、坡體結構、滑動帶力學軟化等，在工程實踐中，需要從邊坡變形破壞的內因考慮，采取合理的治理措施，以保證工程邊坡的安全性。

邊坡； 現場開挖； 變形破壞； 機制

U416.1+4A

［定稿日期］2023-04-12

［作者簡介］習朝輝（1995—），男，碩士，工程師，研究方向為巖土工程及地質災害防治；穆成林（1985—），男，博士，副教授，研究方向為工程地質與環境地質。

0 引言

貴州煤磷電廠區位于織金縣，屬于低-中山侵蝕、剝蝕、溶蝕溝壑地貌，地形高差較大。根據工程建設規劃，項目實施后將形成多個開挖邊坡，開挖邊坡穩定性對廠區安全影響較大，因此，研究開挖邊坡穩定性是十分必要的。目前，有較多的專家、學者對邊坡穩定性問題進行了大量的研究，取得了較為豐碩的成果。根據前人研究成果，可使用室內物理模型試驗在相似原理基礎上對邊坡穩定性進行研究［1-3］，該方法是在考慮現場原型的基礎上，建立室內的物理模型，從而模擬、分析原型的變形過程和機制，從而為現場邊坡支護設計提供參考。采用室內模型試驗，可在一定程度上反映現場實際情況，但受限于模型的尺寸、規模等因素，室內模型試驗與現場原型之間仍具有一定的差異［4-6］。目前，針對開挖邊坡的研究主要集中在室內模型試驗、數值模擬分析，現場大型開挖試驗的研究較少，現場試驗與常用的數值模擬、模型試驗相比，試驗結果可更好反映現場實際情況，結果更為可靠。根據場地地質情況，選取一處試驗邊坡進行現場開挖，分析開挖邊坡的變形情況，為下一步工作積累經驗。

1 區域地質概況

工程場地大多為低-中山侵蝕、剝蝕、溶蝕溝壑地貌，其中場地中區磨大村所在山間小盆地為溶蝕準平原地貌。最高海拔1 477 m，最低海拔1 103 m，平均海拔1 277 m，屬中低山丘陵地帶。四周為坡地，坡度10°～60°，場地內有低丘，磨大一帶多為平地。地形相對高差在100～300 m之間。場區邊坡地層組成較為復雜，地層由老到新主要為：①三疊系中統關嶺組（T3g1）第一段;②三疊系中統關嶺組（T3g2）第二段；③三疊系中統關嶺組（T3g3）第三段；④三疊系上統法郎組（T3f）；⑤三疊系須家河組（T3x）。

2 試驗邊坡階梯狀滑移-拉裂破壞特征

2.1 邊坡基本特征

試驗邊坡于2014年10月底開始施工，至12月中旬已開挖至三級二級臺階，形成約30.0 m的順層巖質邊坡。2014年12月18日，在經歷了短暫的降雨后，邊坡右側坡腳出現變形，裂縫加寬加深，隨后依次由下而上出現裂縫，邊坡右側變形失穩部分發生了滑移-拉裂破壞。隨即，該段停止了施工，在坡腳處進行碎石土回填反壓的方法進行防護。

邊坡失穩部分總體形態呈簸箕狀，上窄下寬。后緣為四級臺階之上1.5 m，高程1 332.5 m，坡腳為二級臺階及以下1.0 m范圍，高程為1 310.0 m，右側為開挖邊界線，左側為走向為310°～322°的拉裂縫。坡腳二級臺階長度為56.5 m，三級臺階為36.6 m，四級臺階為15.4 m，邊坡平面面積約為1 000 m2，坡體主滑軸方向呈近北向。

失穩邊坡破壞特征主要為滑移-拉裂為主。邊坡后緣拉裂縫寬度20～35 cm，可見深度為2.0 m，臺階下錯約1.0 m，而拉裂縫主要是沿著主要兩組優勢節理延展：L1產狀為125∠78°，L2產狀為220°∠76°；邊坡右側拉裂縫主要是沿著開挖邊界延展，走向為25°，寬度為30～50 cm，深度為1.0～2.0 m，延伸較長，從坡頂至坡腳均有寬大拉裂縫；右側拉裂縫走向為310°～322°，其寬度為0.6～1.5 m，最大可見深度為2.2 m，坡體下滑產生明顯側壁的擦痕，根據現場調查，下滑距離約為1.5 m；坡腳出現大量近東西向的拉裂縫，二級臺階隆起現象明顯，最大隆起高度約為1.1 m；整個坡體表面形成大量的以近東西為主，以及走向為305°～320°、25°～35°的拉裂縫，其寬度為5～40 cm不等，可見深度0.4～1.1 m不等，間距為0.6～5.0 m不等。

同時，在失穩邊坡左側存在一個次級失穩邊破。在三級臺階以上坡面形成不規則矩形小范圍的次級失穩邊坡，軸長7.5 m，東西向長度為10.0 m，面積約為86.4 m2。該次級邊坡后緣距離四級臺階3.2 m，坡腳距離三級臺階4.0 m，右側邊界為主失穩邊坡的左側邊界，右側為沿著345°走向的拉裂縫。后緣拉裂縫寬度為50 cm，深度為1.0 m，左側拉裂縫可見深度為30 cm，坡腳隆起高度為15 cm。坡腳隆起部分巖體較為破碎，根據調查，坡腳滑面深度約為20 cm。

2.2 邊坡探槽情況

根據現場調查，該邊坡為一大型順層巖質邊坡，其坡體結構顯著特點為巖層之間含有泥質軟弱夾層，形成“夾心餅干”式結構，為邊坡的失穩提供了地質基礎。邊坡開挖后，坡體淺層改造完成，邊坡巖體在重力的作用下，具有沿著巖層（軟弱夾層）向下滑動趨勢。沿著左側拉裂縫布設三個探槽揭示滑面特征（圖1）。

探槽TC-1位于四級坡面中部，深3.6 m，寬85 cm。該探槽為變形邊坡部位，開挖探槽底部為一灰色夾雜褐紅色軟弱夾層，厚度為2～3 cm，軟塑狀，夾層表層滲水，濕潤細膩光滑。夾層為泥質型，呈鱗片狀，夾雜少量巖屑，表層未見明顯擦痕。夾層上部巖體呈散體糜棱化，含水量大，結構疏松，初步判斷是由于滑移錯動，本來碎裂的巖體成為散體結構，同時在雨水下滲加劇了滑移錯動。探槽側壁均為失穩邊坡巖體，結構變形明顯，但是無層間錯動跡象。夾層以下為較完整巖體，結構產狀顯示無滑移變形。由于時值連續降雨，開挖探槽連續垮塌，無法拍照標示，同時，根據現場試驗，夾層透水性差，依此證明雨水下滲至軟弱夾層后，應順坡向下流經，繼續下滲的量較小。

探槽TC-2位于三級坡面中部，深4.6 m，寬90 cm。該探槽為變形邊坡左側拉裂縫部位，左側壁為失穩滑動的原巖邊坡體，右側為失穩的邊坡巖體，底部為青灰色—磚紅色，白云質泥巖，呈鱗片狀，可見厚度1～2 cm，雨水易泥化，表面濕潤光滑。底部之上為2～3 cm的泥夾巖塊巖屑軟弱夾層。泥質部分呈可塑狀，濕潤。夾層上部約為15 cm厚層面的褐灰色散粒狀糜棱化巖體，粒徑一般為0.5～2 cm。

探槽TC-3位于三級邊坡坡腳，即失穩邊坡體剪出口處，深度為2.4 m。在上部巖體壓力作用下，該處層狀巖體拱曲變形隆起，根據TC3揭露可知，該處為厚4～8 cm砂質白云巖。TC3底部分布有較為明顯的擦痕，判斷該層為滑動面（圖2）。

2.3 運動特征

根據現場的調查以及監測成果顯示，該邊坡失穩破壞首先為坡腳處產生應力集中，坡體產生下滑位移，而坡體的節理抗拉強度較低，出現拉裂縫。隨之拉裂縫上部坡體失去抗滑阻擋，在下滑力的作用坡體產生下滑位移，拉裂縫再次發生。為此，邊坡由下而上，逐次產生拉裂縫，由于節理的產狀不一，故拉裂縫的走向也存在差異。

根據現場調查，邊坡失穩主要是牽引-推移模式的運動方式。首先，邊坡以滑移-拉裂的由下而上牽引方式，發生下滑位移。被拉裂縫切割的坡體在位移后，逐漸趨于穩定，但由于其后方的坡體下滑位移大于其下方坡體的位移，故產生后推式下滑模式。主要表現為后方下邊坡體位移大于拉裂縫的寬度，并擠壓西方坡體，使得產生下方坡體上翻的趨勢，上方位移坡體“下潛”到下方坡體下部或內部。該破壞運動的模式也證明的坡體的失穩破壞為：首先發生坡腳的下滑-拉裂，然后由下而上逐次向上發展；但拉裂縫產生后，由于后方坡體的位移持續擴大，使得后方坡體“下潛”到前方已經穩定性的坡體，形成反傾裂縫陡坎，直至整個坡體應力再次平衡后，坡體趨于穩定。

2.4 滑面特征分析

該失穩邊坡部分為含多層軟弱夾層的順層巖質邊坡，失穩滑面為軟弱夾層及巖體節理裂隙。根據失穩的過程和運動特征分析，邊坡首先從二級馬道下方3～4 m（順坡面）處發生巖層面滑移剪出變形，隨后由下及上邊坡產生一系列拉裂縫，其走向為N20°～30°E、N50°W、近東西向三組，期中前兩組共計約占30%，近東西向拉裂縫約占70%。后緣拉裂縫位于四級馬道上部。探槽揭示，坡腳滑面為TC3所示的1.6 m槽底處軟弱夾層C3；三級坡面TC2揭示滑面為4.6 m的槽底軟弱夾層C3；在四級失穩半坡中部的探槽TC1揭示了槽底深度為3.6 m為失穩滑面C2。邊坡滑面判定為階梯狀，從二級馬道下部巖軟弱夾層C3發生牽引式失穩，由下及上經過探槽TC2后在與探槽TC1之間經過一次，或多次階梯狀滑面向下滑移。但上部失穩坡體沿著階梯狀滑面滑移同時，整個坡體沿著C3軟弱夾層向下發生蠕滑，隨著時間的進一步推移，整個坡體將再次發生失穩破壞，即整個失穩坡體沿著C3滑移剪出，后緣拉裂縫延深至C3，或者更深。

故從整個失穩坡體失穩破壞和運動特征分析，邊坡從二級馬道至后緣拉裂縫坡體上部3～5 m以軟弱夾層C3、C2發生階梯狀滑面發生牽引式滑移-拉裂失穩；但整個坡體也沿著更深層的C3發生滑移-拉裂失穩破壞（圖3）。

3 邊坡變形失穩因素分析

3.1 邊坡失穩外部因素

（1）自然邊坡坡表有殘坡積層、植被，可限制雨水入滲深度，保持了坡體巖土體含水量的穩定和下部巖土結構的完整，在開挖之前邊坡處于蠕變穩定階段［8-9］。

（2）坡腳開挖后，為邊坡沿著軟弱結構面滑動提供了良好的臨空條件。在早期的變形過程中，坡體后部形成了張拉裂隙，隨著變形不斷發展，張拉裂隙不斷向下延伸至軟弱結構面，滑體逐漸形成。同時，張拉裂隙也為雨水下滲提供了通道［10-11］。

（3）上覆巖土體開挖使得下部巖土卸荷回彈導致巖土體結構面擴展，雨水的入滲導致結構面處巖土體力學性質降低，促進了軟弱夾層的軟化。

3.2 坡體結構因素

（1）邊坡主要由白云巖、白云質灰巖組成，層間充填薄層泥質夾層，軟弱夾層力學性質較差，為邊坡失穩提供了良好的巖土結構條件。

（2）表層巖土體結構破碎，主要結構面為J1：05°∠85°，J2：220°∠76°。兩組結構面由巖土變形拉裂形成。受結構面關系控制，巖土體結構破碎，極易出現失穩變形。

3.3 力學機制分析

試驗邊坡的破壞是坡體內部變形發展由量變到質變的結果。通過分析試驗邊坡的變形破壞特征，認為該邊坡在變形破壞過程中可劃分為：蠕滑段、過渡段、鎖固段3個部分，示意見圖4。

4 結論

（1）工程試驗邊坡開挖后，在降雨因素影響下，發生了變形破壞現象。根據現場調查，邊坡的破壞是沿著多層軟弱夾層發生的多級滑動破壞。

（2）邊坡巖土體參數和坡體結構因素、人類工程活動因素、滑帶土力學特性等是影響邊坡變形破壞的主要因素。試

驗邊坡受到降水、地質構造活動等多種因素影響，人工開挖后，形成了良好的臨空條件，邊坡破壞屬于牽引式前進漸進性破壞模式。

參考文獻

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