楊益彪 徐呈祥 何 云

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽(yáng) 550081)

由于貴州復(fù)雜的地形地貌和地質(zhì)條件，在公路建設(shè)中形成了大量高陡邊坡。經(jīng)調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，這些高陡邊坡中的淺變質(zhì)巖邊坡在公路建設(shè)及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中由于自然、人為等因素極易產(chǎn)生邊坡失穩(wěn)問(wèn)題，僅在貴州玉屏至凱里高速公路建設(shè)中就發(fā)生了多個(gè)大型變質(zhì)巖滑坡，造成了大量生命及財(cái)產(chǎn)損失。

邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題一直以來(lái)都是巖土工程界研究的熱點(diǎn)，陳祖煜[1]、王恭先[2]、黃潤(rùn)秋[3]等諸多學(xué)者根據(jù)大量工程實(shí)例對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)的歸納總結(jié)。關(guān)于貴州境內(nèi)的淺變質(zhì)巖邊坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)，王勇[4]、何配天[5]等都通過(guò)對(duì)三凱高速的地質(zhì)災(zāi)害治理探討進(jìn)行了歸納總結(jié)，吳嘉丞[6]、許湘華[7]等以廈蓉高速公路貴州段的淺變質(zhì)巖高邊坡為研究對(duì)象分析其穩(wěn)定性，王崇軍[8]則對(duì)淺變質(zhì)巖風(fēng)化層邊坡進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究。

本文系統(tǒng)地分析歸納了影響貴州淺變質(zhì)巖邊坡穩(wěn)定性的內(nèi)部因素與外部因素，并通過(guò)工程實(shí)例進(jìn)一步揭示變質(zhì)巖邊坡的變形破壞機(jī)理，以期為貴州以及西部山區(qū)類(lèi)似邊坡的勘察設(shè)計(jì)提供思路和工程借鑒。

1 貴州淺變質(zhì)巖的工程特性

變質(zhì)巖是地殼中的巖漿巖或沉積巖在環(huán)境條件改變的影響下，其礦物成分、化學(xué)成分及結(jié)構(gòu)構(gòu)造發(fā)生變化而形成的。貴州境內(nèi)分布的變質(zhì)巖以區(qū)域變質(zhì)巖為主，多為淺變質(zhì)的綠片巖相，主要出露有晚元古宙板溪群清水江組及震旦系地層。其中清水江組地層多為灰綠、淺灰及灰色變余砂巖、變余凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)板巖、粉砂質(zhì)板巖等；而震旦系地層主要為變余砂巖、礫巖、含礫板巖等。貴州區(qū)內(nèi)淺變質(zhì)巖物質(zhì)成分以泥質(zhì)、砂質(zhì)成分為主，巖體極易風(fēng)化，全、強(qiáng)風(fēng)化厚度大，巖體破碎，結(jié)構(gòu)面多有泥化現(xiàn)象。此外，巖體強(qiáng)、弱風(fēng)化層界線模糊，存在漸變區(qū)域，表現(xiàn)出明顯的不均勻風(fēng)化特征。由于該套變質(zhì)巖的隔水性較強(qiáng)，其表層土體及全、強(qiáng)風(fēng)化層內(nèi)易富集地下水，造成邊坡工程在雨季施工特別困難，且持續(xù)降雨后的變質(zhì)巖風(fēng)化層邊坡易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

淺變質(zhì)巖質(zhì)邊坡特別是其風(fēng)化層邊坡與其它邊坡存在一些差別，比如自然邊坡較緩，滑坡的滑動(dòng)面較淺，易產(chǎn)生次生滑動(dòng)面，并且滑動(dòng)面位置難以確定等。

2 影響淺變質(zhì)巖邊坡穩(wěn)定性的主要因素

2.1 內(nèi)部因素

影響淺變質(zhì)巖邊坡穩(wěn)定性的內(nèi)部因素主要有地層巖性、巖體結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造等，這些是影響邊坡穩(wěn)定性的主導(dǎo)因素，并決定了邊坡破壞的形式和規(guī)模。

1) 地層巖性。地層巖性是決定邊坡工程地質(zhì)特征的基本因素。地質(zhì)年代老的地層，由于硬結(jié)成巖過(guò)程較長(zhǎng)，巖體膠結(jié)緊密，其力學(xué)強(qiáng)度相對(duì)較高，因而這些地層形成的邊坡穩(wěn)定性相對(duì)較好；而地質(zhì)年代新的地層，由于硬結(jié)成巖時(shí)間短，巖體膠結(jié)較差甚至沒(méi)有膠結(jié)成巖，其力學(xué)強(qiáng)度低，則在這些地層形成的邊坡穩(wěn)定性也相對(duì)較差。貴州地區(qū)的淺變質(zhì)巖，上部地層主要為粉砂質(zhì)板巖、千枚狀板巖、絹云母板巖、千枚巖等，下部地層多為變余砂巖、變余粉砂巖、變余凝灰?guī)r等。這類(lèi)淺變質(zhì)巖的抗風(fēng)化能力差，巖石風(fēng)化后其抗壓強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度均表現(xiàn)出明顯降低，因而該地區(qū)的淺變質(zhì)巖風(fēng)化層邊坡極易發(fā)生邊坡失穩(wěn)。

2) 巖體結(jié)構(gòu)。根據(jù)巖體自身強(qiáng)度計(jì)算，邊坡高達(dá)數(shù)百米也是能穩(wěn)定的，而當(dāng)巖體中含有不利結(jié)構(gòu)面時(shí)，高度不大的邊坡也可能發(fā)生破壞。其根本原因就在于結(jié)構(gòu)面及其組合將巖體分割成不同形狀與結(jié)構(gòu)，使巖體變得不連續(xù)、非均勻，且結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于巖體本身的強(qiáng)度，從而大大降低了巖體的整體強(qiáng)度。

3) 地質(zhì)構(gòu)造。地質(zhì)構(gòu)造主要指區(qū)域內(nèi)的巖層產(chǎn)狀、節(jié)理以及斷層、褶皺等的發(fā)育情況。邊坡的穩(wěn)定性受巖層產(chǎn)狀與邊坡的空間幾何關(guān)系的影響十分顯著：當(dāng)巖層傾向與邊坡坡向一致或接近時(shí)，巖體易順巖層發(fā)生垮塌和滑動(dòng)，邊坡穩(wěn)定性較差，巖層層面構(gòu)成了控制邊坡破壞的主要結(jié)構(gòu)面；反之，當(dāng)巖層傾向與邊坡坡向相反或大角度相交時(shí)，邊坡則相對(duì)較為穩(wěn)定。節(jié)理包括構(gòu)造節(jié)理與風(fēng)化節(jié)理，是巖體中發(fā)育最高的一種地質(zhì)構(gòu)造，多組節(jié)理組合交錯(cuò)時(shí)往往會(huì)將巖體切割破碎，導(dǎo)致巖體的工程地質(zhì)條件變差。斷層與褶皺地殼中最重要的構(gòu)造，處在斷層帶與褶皺軸部的巖體由于受到構(gòu)造應(yīng)力的作用，其結(jié)構(gòu)往往受到破壞，從而影響處在斷層帶及褶皺軸部的邊坡的穩(wěn)定性。

2.2 外部因素

影響淺變質(zhì)巖邊坡穩(wěn)定性的外部因素主要有水的作用、風(fēng)化作用、人類(lèi)工程活動(dòng)等，這些往往是邊坡失穩(wěn)破壞的誘發(fā)因素。

1) 水的作用。諸多工程實(shí)踐表明，大多數(shù)變質(zhì)巖邊坡的失穩(wěn)破壞均與水的作用有關(guān)。水對(duì)變質(zhì)巖邊坡的穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)在對(duì)邊坡巖體的破壞及巖體(含結(jié)構(gòu)面)力學(xué)強(qiáng)度降低2個(gè)方面。

在一定條件下，變質(zhì)巖邊坡巖體礦物發(fā)生水化和脫水作用所引起的礦物體積或成分變化會(huì)導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)或化學(xué)成分改變。在水和氣溫等其它因素綜合作用下，巖體的風(fēng)化作用將得以向巖體深部發(fā)展擴(kuò)散，從而使巖體破壞。

由于巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)受水的影響很大，因而地下水富集程度的提高對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)在：①增加了巖土體的自重使得坡體下滑力增大；②軟化邊坡巖體，使邊坡巖體及結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度降低，導(dǎo)致坡體的抗滑力減??；③引起孔隙水壓力上升，降低巖土體的有效應(yīng)力，導(dǎo)致坡體的抗滑力減小。因此，持續(xù)降雨后，雨水順坡面松散土層及風(fēng)化層迅速下滲往往會(huì)引發(fā)邊坡失穩(wěn)破壞。

2) 風(fēng)化作用。風(fēng)化作用對(duì)巖體工程性質(zhì)的影響主要表現(xiàn)在2個(gè)方面：破壞巖體的完整性與降低巖體的物理力學(xué)強(qiáng)度。

風(fēng)化作用會(huì)通過(guò)物理化學(xué)作用使變質(zhì)巖沿著巖體中的軟弱面等形成新的裂隙，或進(jìn)一步加深和增寬巖體中的原有裂隙。新裂隙的形成及原有裂隙的加深增寬提高了巖體內(nèi)部裂隙的連通性，降低了巖體的完整性，甚至導(dǎo)致軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生，從而降低邊坡的穩(wěn)定性。

風(fēng)化作用會(huì)破壞變質(zhì)巖中的礦物顆粒及顆粒之間的聯(lián)結(jié)，使得巖石空隙度增大、巖體抗剪強(qiáng)度降低。此外，風(fēng)化作用還會(huì)造成巖體結(jié)構(gòu)面中充填物減少和裂隙巖壁的粗糙程度降低，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度減小。

3) 人類(lèi)工程活動(dòng)。在長(zhǎng)期地殼運(yùn)動(dòng)與風(fēng)化剝蝕作用下，自然邊坡有趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，而人類(lèi)工程活動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響具有直接性、突然性。修建公路不得不開(kāi)挖自然邊坡，改變了邊坡原有的應(yīng)力平衡條件，產(chǎn)生了臨空面，而邊坡開(kāi)挖過(guò)程中的爆破震動(dòng)等會(huì)造成巖體結(jié)構(gòu)松動(dòng)，這些均可能誘發(fā)邊坡發(fā)生變形破壞。

3 工程實(shí)例分析

3.1 工程概況

貴州某高速公路K32+710-K32+845下行邊坡，長(zhǎng)135 m，最高約23 m。邊坡原狀為：一、二、三級(jí)邊坡坡率分別約為1∶0.9，1∶1，1∶1，一、二級(jí)邊坡坡面均采用格構(gòu)梁植草進(jìn)行防護(hù)，三級(jí)邊坡坡面采用菱形骨架植草進(jìn)行防護(hù)。地勘資料顯示，邊坡覆蓋層為殘坡積層(Qel+dl)含碎石黏土，下伏基巖為震旦系長(zhǎng)安組(Zac)薄～中厚層狀變余砂巖。含碎石黏土呈硬塑狀，厚0.5～3.5 m；基巖強(qiáng)風(fēng)化層巖體極破碎，厚5.7～28.0 m，中風(fēng)化層巖體較破碎。

2016年5月，受持續(xù)暴雨影響，該邊坡發(fā)生變形破壞。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪發(fā)現(xiàn)，K32+782-K32+815段距坡口外約10 m位置出現(xiàn)開(kāi)裂下錯(cuò)，坡頂分布的2座墳?zāi)贡焕?；K32+762-K32+830段第一、二級(jí)坡體發(fā)生臌脹變形，一、二級(jí)平臺(tái)出現(xiàn)下沉、開(kāi)裂，坡面局部格構(gòu)梁與坡體脫離，部分格構(gòu)梁折斷、變形等；第三級(jí)坡面菱形骨架、邊坡坡腳右側(cè)高速公路路面及邊溝均未見(jiàn)明顯變形跡象。為保證高速公路的運(yùn)營(yíng)安全，需對(duì)該邊坡進(jìn)行加固處治。

3.2 邊坡變形破壞機(jī)理與穩(wěn)定性計(jì)算分析

經(jīng)調(diào)繪及鉆探揭露分析，該邊坡前緣變形區(qū)域?qū)捈s72 m，沿主滑方向約37 m，面積約2 000 m2，滑體平均厚度約為11 m?；麦w的物質(zhì)組成主要為含碎石黏土與強(qiáng)風(fēng)化變余砂巖，滑帶主要位于強(qiáng)風(fēng)化變余砂巖中，整體呈圓弧型蠕動(dòng)滑移。邊坡工程地質(zhì)平面圖及邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算斷面圖分別見(jiàn)圖1與圖2。

圖1 邊坡工程地質(zhì)平面圖

圖2 邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算斷面圖

根據(jù)邊坡的變形破壞特征，選取K32+800為典型斷面，恢復(fù)到原始地面線后，分別取Fs=1.20及Fs=0.98反算正常工況下巖土體與暴雨工況下滑動(dòng)面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

經(jīng)反算分析得到正常工況下巖土體與暴雨工況下滑動(dòng)面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 邊坡巖土體與滑動(dòng)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)邊坡變形破壞特征及穩(wěn)定性計(jì)算分析可以看出，邊坡坡體多為含碎石黏土與強(qiáng)風(fēng)化變余砂巖，巖土體抗剪強(qiáng)度低，邊坡未發(fā)生變形破壞之前處于穩(wěn)定狀態(tài)。邊坡所在區(qū)域受持續(xù)暴雨影響后，大氣降雨入滲邊坡坡體不僅增加了邊坡巖土體的容重導(dǎo)致邊坡下滑力增大，還軟化邊坡巖土體使得巖土體抗剪強(qiáng)度進(jìn)一步降低，導(dǎo)致邊坡抗滑力減小，并在邊坡開(kāi)挖切腳的影響下，誘發(fā)邊坡于強(qiáng)風(fēng)化變余砂巖中產(chǎn)生近圓弧型蠕動(dòng)滑移。

選取K32+800為典型斷面，根據(jù)JTG D30-2015 《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》表7.2.2，最不利工況(暴雨工況)下取安全系數(shù)K=1.20，計(jì)算得剩余下滑力水平分力E=665 kN/m。根據(jù)該邊坡的變形破壞特征及剩余下滑力大小，可采用放坡、加固等多種措施對(duì)該邊坡進(jìn)行處治。

4 結(jié)語(yǔ)

1) 影響貴州變質(zhì)巖邊坡穩(wěn)定性的內(nèi)部因素主要有地層巖性、巖體結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造等，這些是影響邊坡穩(wěn)定性的主導(dǎo)因素；影響貴州變質(zhì)巖邊坡穩(wěn)定性的外部因素主要有水的作用、風(fēng)化作用、人類(lèi)工程活動(dòng)等，這些往往是邊坡失穩(wěn)破壞的誘發(fā)因素。

2) 持續(xù)降雨使得大量雨水入滲邊坡坡體，不僅增加了邊坡巖土體的容重導(dǎo)致邊坡下滑力增大，還軟化邊坡巖土體使得巖土體抗剪強(qiáng)度進(jìn)一步降低導(dǎo)致邊坡抗滑力減小，是造成大量邊坡失穩(wěn)的主要原因。

3) 對(duì)于淺變質(zhì)巖邊坡，勘察時(shí)應(yīng)著重查清其風(fēng)化層厚度，設(shè)計(jì)施工中應(yīng)盡可能放緩至自穩(wěn)狀態(tài)后進(jìn)行坡面防護(hù)，并加強(qiáng)邊坡截排水措施。