三峡库区软硬互层近水平地层高切坡崩塌研究

时间：2024-07-28

顾宏伟，叶海林

(1.和平村退休干部住房建设工程指挥部,北京100021； 2.总装备部工程设计研究院, 北京 100028)

顾宏伟1，叶海林2

(1.和平村退休干部住房建设工程指挥部,北京100021； 2.总装备部工程设计研究院, 北京 100028)

由泥、砂岩互层或厚层砂岩夹泥岩等形成的类似“夹心饼干”的软硬互层水平层状结构边坡，是三峡库区分布较为广泛的一种边坡结构类型，同时，由于泥、砂岩风化速度的不同而产生的崩塌灾害现象是三峡库区最为常见的一种地质灾害。文章首先从地形地貌、地层岩性、结构面组合、降雨作用和风化作用等方面对软硬互层高切坡的崩塌形成原因进行研究，软硬岩的差异性风化而造成的软岩空腔和硬岩中的结构面组合是造成崩塌的主要原因；其次，基于野外调查的地质现象分析，得到了软硬互层高切坡崩塌主要有倾倒、滑移、塑流拉裂、悬臂拉张、错断等破坏机制；最后，通过离散元数值模拟，对泥砂岩软硬互层高切坡崩塌的形成破坏过程进行了分析，其破坏过程为泥岩剥落-岩腔-砂岩裂隙张开-危岩体弯曲-倾倒崩塌-堆积坡脚。研究成果对三峡库区高切坡地质灾害的认识和防治有一定的意义。

岩土力学；软硬互层；崩塌；差异风化；破坏机制；离散元数值模拟

三峡库区涉及湖北省、重庆市共20个县(区)， 277个乡镇。规划需要搬迁总人口124.55万人，迁建县城(城市)12座，集镇116座，搬迁工矿企业1 629家，还有大量公路、电力、通讯等专业设施。三峡库区在大规模移民搬迁安置和工程建设过程中，虽然注重了地质选址，但由于地处山区，为了有效利用土地资源，不可避免地形成了大量高切坡。2003年前已完成高切坡治理工程1 490个，目前正在治理的1 198处。随着大坝蓄水、三期移民搬迁任务的基本完成，三峡库区三期地质灾害防治高切坡防护工程也已经基本完成。这些人工开挖的高切坡由于地质条件复杂，岩体破碎，易于风化，所暴露的地质灾害问题日益突出，国内学者对其进行了大量的研究工作，如罗元华等人[1]提出了三峡库区存在严重失稳隐患的边坡主要有5种类型，并对存在不稳定隐患的高切坡给除了各种工程防护措施；殷跃平[2]系统研究了三峡库区的边坡结构类型，并对典型边坡开挖前后边坡破坏过程进行了分析；祝介旺等[3-4]对库区万州段高切破的致灾因素、破坏模式、防护措施等进行了研究。

在三峡库区由泥、砂岩互层或厚层砂岩夹泥岩等形成的类似“夹心饼干”的软硬互层水平层状结构高切坡，是库区分布较为广泛的一种边坡结构类型，在云阳、万州、忠县、开县等地有着广泛分布[5]。对于泥、砂岩互层结构的边坡，由于砂岩抗风化能力要远远高于泥岩，受差异风化的影响，抗风化能力较弱的泥岩容易被剥蚀形成空腔，同时砂岩受结构面切割，从而产生崩塌，不同程度地威胁到城镇基础设施、建构筑物和人民生命财产的安全。本文在对三峡库区泥、砂岩软硬互层近水平地层高切坡现场调查和前人研究的基础上，对软硬互层近水平地层高切坡崩塌破坏的形成原因、破坏机制等进行研究，并结合典型实例，对其崩塌的形成破坏过程进行模拟分析。

1 高切坡崩塌的形成原因

1.1 地形地貌

地形地貌主要表现在斜坡坡度上，高陡的斜坡地形是形成崩塌落石的必要条件。从区域地貌条件看，崩塌形成于山地、高原地区；从局部地形看，崩塌多发生在高陡斜坡处，如峡谷陡坡、冲沟岸坡、深切河谷的凹岸等地带。崩塌多发生于坡度大于55°、高度大于30 m、坡面凹凸不平的陡峻斜坡上[6]。三峡库区的移民迁建形成的高切坡，由于受地形条件的限制，多比较陡峻，为崩塌发生提供了条件。如对三峡库区万州高切坡防护治理标段Ⅲ的36个高切坡坡角进行统计，坡角都在30°以上，角度大于50°的约占90 %，角度大于60°的占75 %，边坡非常陡峻[7]。

1.2 地层岩性

地层岩性是崩塌形成的基本条件。三峡库区软硬互层类高切坡，软岩主要为泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，矿物成分以伊利石、蒙脱石等为主，具强亲水性，遇水膨胀、浸水崩解、失水干裂，网状裂纹密集，干、湿交替变化极易产生碎裂崩解；砂岩矿物成分多以石英、长石为主，部分云母、岩屑，胶结物成分为粘土矿物、铁质、钙质等，耐崩解性强，其崩解性对比室内试验如图1所示。泥岩类抗风化能力极弱，风化后即呈鳞片状剥落，现场观察，泥岩类高切坡经开挖暴露后，表层即产生风化剥落并堆积于坡脚，且高切坡开挖暴露时间愈长，则坡脚风化剥落堆积物愈厚；砂岩类强度较高，属硬质岩石，抗风化能力较强，由于泥、砂岩之间的差异风化常常在砂岩的下部形成岩腔。砂岩中裂隙较发育，特别是砂岩高切坡的卸荷裂隙常与其它裂隙组合切割形成不稳定块体或危岩，当在一定的水平压力(如静、动水压力，振动)或岩腔加深砂岩块体重心不断外移等条件发展到一定程度时，这种不稳定块体则可能突然失稳产生崩塌。

(a)奉节胶家湾高切坡泥岩浸水1 d崩解

(b) 开县狮子堡砂岩高切坡砂岩浸水1 d图1 泥、砂岩室内浸水崩解性试验

1.3 边坡岩体结构面组合

断裂、节理、裂隙、地层界面等各种结构面使岩层遭受不同程度的破坏，把完整的岩体切割成大小不同的块体，形成崩塌失稳的物质基础。若高切坡坡面平行主应力面时，坡体特别是砂岩组成的坡体，尤其容易因应力松弛形成条带状减压带，发生卸荷张裂，为崩塌落石的产生提供良好条件，形成大型崩塌。结构面还会在雨季积水，产生较大的静水压力和侧压力。陡倾的卸荷裂隙与缓倾的地层界面组合非常有利于崩塌的发生。

1.4 降雨和地下水

三峡库区高切坡位于三峡蓄水位以上，不受三峡水库蓄水的影响，但受降雨和地下水作用影响明显，降雨和地下水对崩塌的发生起诱发作用。三峡库区为亚热带季风湿润气候区，气候温暖潮湿，雨量充沛，雨水的冲刷可使泥岩表层风化速度加快，剥落形成内凹的岩腔。雨水沿着砂岩裂隙侵入，一方面在砂岩后缘裂隙中形成瞬时高水柱压力，增大了岩体的下滑力，另一方面可是岩体结构面强度软化泥化，强度降低，抗滑力减小。

斜坡中的地下水，在岩土体的空隙和裂隙中的不断流动产生静水压力、动水压力和向上的浮托力，减弱岩土体重量和抗滑力；地下水的长期作用可使岩土体软化泥化，强度降低，造成边坡的稳定性降低。

1.5 风化作用

风化作用是触发崩塌发生的外因之一。主要为在长期的风化作用下，高切坡岩土体变得破碎，强度降低。在泥、砂岩软硬互层高切坡中主要表现为风化速度的不一样，泥岩风化速度较快，砂岩风化速度慢，而在斜坡上悬空的岩体形成空腔，从而使上部岩体失去支撑而稳定性降低。三峡库区温差变化和干湿交替非常激烈，温度、湿度、降雨量的剧烈变化的长期作用使岩石的风化作用和软硬岩差异分化更为强烈。

1.6 其他因素

高切坡在开挖过程中不合理的施工方法，如在对不良地质段边坡施工时未分段开挖，或一次开挖太多未能及时有效支护，高切坡开挖后不及时支护，会造成泥岩风化和砂岩卸荷裂隙加大等。

由于移民建镇，工程区内所形成的大量的高切坡一般位于建筑物后面或公路两侧，当地居民在高切坡坡顶修建房屋加载，在前后缘较缓的山坡及公路部分缓坡地带开垦种植，加速了坡体的风化和水土流失作用，都可对高切坡的稳定性带来不利的影响。

2 高切坡崩塌的破坏机制

2.1 倾倒

倾倒型崩塌为板状、柱状直立边坡岩体在静水压力、重力、地震力等作用下沿底部发生转动导致危岩体失稳的现象[8]。在形成力学机制上为倾覆力矩大于抗倾覆力矩引起岩石块体转动。在库区软硬互层高切坡中，泥、砂岩层的差异风化是引起高陡直立岩体倾倒的重要原因。当砂岩块体下伏的软弱岩层不断风化剥落，形成岩腔，使砂岩块体支撑面积减小，导致块体重心不断外移，稳定性不断降低，后侧裂隙不断扩大。当底部支撑面不足以支撑块体，或其后侧裂隙充水产生较大静水压力以及水平地震力作用时，就会发生倾倒(图2)。

(a)倾倒崩塌示意

(b) 重庆万州龙宝双河路北段高切坡图2 高切坡倾倒破坏

2.2 滑移

边坡上砂岩常在斜坡前缘形成倾向临空面结构面，常呈锥状体，在重力及静水压力、动水压力作用下产生滑移崩塌(图3)。

(a)滑移崩塌示意

(b)丰都地税邮政局住宅高切坡图3 高切坡滑移崩塌破坏

2.3 塑流拉裂

高切坡较厚软弱岩层在上部岩体压力作用、遇水软化、长期风化剥落等因素作用下不断压缩和向临空方向塑性流动，导致上覆较坚硬岩层拉裂，岩体不断下沉和向外移动，拉张原有节理面或在坡内岩体形成新的裂隙，形成危岩体。当因为风化、开挖等原因使得危岩体失去支撑面时，崩塌将发生(图4)。

(a)塑流拉裂示意

(b)万州建总租赁公司高切坡图4 软弱泥岩夹层塑性流动变形导致巨厚层砂岩拉裂破坏

2.4 悬臂拉张

高切坡因差异风化等原因形成岩腔，风化较慢的坚硬岩层在坡面上以悬臂梁形式凸出。在长期重力作用和下伏岩层不断风化剥落的情况下，重力力矩的影响越来越大。当倾覆(重力)力矩大于岩层抗倾覆力矩(岩体抗拉、抗剪力矩)时，凸出岩体将突然翻转失稳。崩塌体后缘拉裂面一般是岩体内部原有结构面，或者是岩体因拉应力集中，沿着岩体内部某损伤面拉裂，而完整岩体只有相当大的倾覆力矩才能使完整岩体被拉断。悬臂拉张型崩塌现象在软硬岩层相间产出的高切坡中也非常普遍(图5)。

(a)悬臂拉张示意

(b)太白岩悬臂拉裂型危岩体(万州)图5 悬臂拉张破坏

2.5 错断

在高切坡岩体中高倾角节理或卸荷裂隙发育，但无倾向临空面的结构面，在岩体的自重作用下，引起下部剪切力集中错断岩体，然后发生崩塌(图6)。

3 高切坡崩塌形成破坏过程数值分析

对于三峡库区软硬互层岩体高切坡，其崩塌破坏是其最常见的一种破坏方式。下文以万州某一高切坡为例对泥砂岩软硬互层崩塌的形成破坏过程进行数值分析。数值方法采用离散单元法，软件为UDEC[9-10]。该边坡切坡高17 m，坡面走向N52°E， NW∠5°～10°，岩层产状为N70°E，NW∠10°，上部为上沙溪庙组(J2s)紫灰色砂岩，中细粒结构，主要由长石、石英、云母等矿物成分组成，属较硬岩，耐风化性能较好，其中发育4组节理，其中一组节理产状N65°～80°E， NW∠65°～85°，与坡向近平行，对边坡崩塌的形成起控制作用；中下部为上沙溪庙组(J2s)紫红色泥岩和夹泥质粉砂岩，泥质结构，属软岩，耐风化性能差，裂隙不发育，表层强风化；另在坡体表面发现4条裂缝(图7)。

(a)错断崩塌示意

(b)万州周家路高切坡错断崩塌图6 错断式崩塌破坏

图7 万州某高切坡崩塌破坏

3.1 数值模型和参数选取

根据现场调查和地质资料，建立几何模型(图8)，模型高为40 m，宽为50 m，边坡坡角80°，左右及底部边界为约束边界。考虑在自重作用下，按Mohr-Coulomb力学模型进行分析。砂岩视为刚体，不考虑其变形量，泥岩为变形体，结构面有岩层层面和上部砂岩中的4条裂隙和一组节理，层面间距1～3 m，节理间距1～2 m。岩体和结构面参数选取如表1。

图8 软硬互层高切坡模型

3.2 数值试验结果及分析

离散元数值计算结果如图9，其崩塌形成破坏过程如下:

(1)泥岩风化层剥落。坡体泥岩表层由于受风化作用微裂隙发育，强度低，在重力作用下剥落堆积坡脚，同时在砂岩下部形成岩腔。

(2)砂岩裂隙张开。由于坡体前缘砂岩悬空失去支撑，在砂岩块体后缘张应力集中，沿着已有的节理裂隙张开，并进一步加深加宽，形成不稳定块体或危岩体。

表1 计算参数

(3)危岩体弯曲。随着张开的裂隙不断向深处扩展，和层面裂隙贯通，以及下部软岩向临空方向变形，使危岩体向临空方向弯曲，同时贯通的层面裂隙也不断张开。

(4)倾倒崩塌。当危岩体在自重作用下产生的弯矩到一定程度时，以坡脚为支撑点倾倒、崩塌，最后堆积于坡脚。

(5)破坏进一步发展。随着风化作用的继续，泥岩不断剥落后退，造成崩塌渐进破坏发展。

其破坏地质过程可以总结为：泥岩风化剥落-岩腔-砂岩裂隙面张开-危岩体弯曲-倾倒崩塌-堆积坡脚。

4 崩塌防治对策

根据三峡库区地质灾害防治总体指导思想，高切坡的防护应体现以“以人为本，预防为主，合理避让，重点治理”，防护工程以安全可靠、技术可行、经济合理、施工简便的原则，同时结合GB 50330-2002《建筑边坡工程技术规范》的要求，针对不同的破坏模式提出了相应的处治对策。针对崩塌破坏机制不同防治对策也因坡而异，但总的说来有以下几种：危岩清除、堵塞、锚杆加固、支撑、挡土墙、排水、坡面防护及拦网等。

(1)倾倒型崩塌防治对策。易于发生倾倒崩塌的高切坡，主要是岩腔上部临空的危岩体由于失去支撑而在自身重力作用下，沿底部支撑点发生反转倾倒。此类高切坡的防治主要是对危岩体进行支撑。根据其破坏机制采用的支撑方法为在岩腔内打桩支撑或者直接对岩腔进行充填，同时结合对上部危岩体进行锚杆加固。由于岩腔是软硬岩层的差异风化造成的，基本形成于软岩体中，因此当硬岩下覆的软岩层较厚时，为防止岩体风化经常对岩体进行挂网锚喷等坡面防护措施。

(2)滑移型崩塌防治对策。滑移型崩塌破坏主要是由于岩体内存在倾向临空的结构面且在一定条件下发展成滑移面造成的，因此当危岩体积较大时多采用锚杆加固，块体较小时直接清除危岩体。

(3)塑流拉裂型崩塌防治对策。此种类型的崩塌破坏方式机制较为复杂，主要发生于硬岩夹软岩结构的高切坡，其破坏主要是坡体中的硬岩部分发育有垂直节理，构成水的良好通道从而使水能够直接到达软岩使其软化发生塑流，软岩的塑流有导致上部砂岩体沿已有的裂隙被拉裂形成砂岩块

(a)160000次时步

(b)260000次时步

(d)500000次时步

体从而产生崩塌。因此其防治一般是多种方法相结合，对于砂岩危岩体采用锚杆或肋板墙加固，若上部植被较为发育，为保护植被一般采取挂网等柔性支护手段，为防止中间软弱岩层软化，常采用喷混护坡。

(4)悬臂拉张型崩塌防治对策。此类崩塌破坏受控于中间软弱岩层风化形成的岩腔，因此支护时通常将悬空的危岩体清除之后再结合锚喷支护，或者将危岩体下部岩腔堵塞、支撑之后结合锚喷从而防止坡体进一步风化，对整个坡体进行支护。

(5)错断型崩塌防治对策。错断型崩塌主要发生机制为裂隙岩体受自身重力作用而产生错断，其危岩块较大，因此一般采取锚杆加固岩体防止前切面的出现及岩体错断。