膨胀岩渠坡变形和破坏特征研究

2009-03-05龚壁卫李青云谭峰屹

长江科学院院报 2009年11期

龚壁卫，李青云，谭峰屹，童军

（长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010）

1 概述

据初步设计报告，南水北调中线工程全长1 432 km，渠道沿线地质条件复杂，穿越膨胀岩、土地层累计长约386．8 km，其中，膨胀岩分布的地段169．7 km。根据《膨胀土地区建筑技术规范》，膨胀土定义为：土中黏粒成分主要由亲水矿物组成，同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩2种变形特性的黏性土，而膨胀岩则没有规范的说法，一般是指在水的作用下，能发生体积膨胀、岩体破碎、软化和泥化现象的一类岩石。目前，区分岩和土的标准主要是沉积年代。地质资料显示，中线工程膨胀岩主要分布在沙河南黄河南、黄河北漳河南段，累计长约105．53 km。从岩、土物理力学指标上看，膨胀岩与膨胀土的水理特性、主要黏土矿物成分等没有显著区别，不同之处主要在于岩与土的力学特性。膨胀岩的力学强度通常高于膨胀土的强度，实际反映的是岩与土的胶结程度的差别。由于岩与土的胶结强度差异，导致它们的变形和破坏形态有着各自的特点。

膨胀岩与膨胀土虽具有相似的矿物成分和遇水膨胀的特性，对工程的危害也主要是因膨胀变形所引起，但是，由于成岩程度或风化程度不同，它们的破坏形态和破坏机理也不尽相同。初步分析认为，膨胀土边坡的破坏原因是多种的，如降雨导致的强度衰减和抗滑力降低、膨胀变形、开挖边坡导致的应力松弛、裂隙和结构面的影响等，其破坏形态也有牵引式、叠瓦式、局部溜塌、深层滑动等；而膨胀岩边坡的破坏主要是受母岩的风化和裂隙影响，破坏形态主要有局部崩塌、膨胀变形和滑坡等。

图1 新乡膨胀岩试验区全貌Fig．1 General view of expansive rock test region at Xinxiang，Henan Province

2007年9月，经水利部水规总院、国家发改委、国调办等有关部委批复，南水北调中线一期工程总干渠膨胀岩（土）试验段工程（潞王坟）正式开工，该试验段的主要研究目的是为南水北调中线总干渠膨胀岩渠坡处理提供安全可靠、经济合理和有利于环保的措施，为工程设计的优化提供依据，以指导总干渠膨胀岩渠段的大面积施工。本文是在分析归纳该试验段中裸坡试验区试验资料的基础上，对膨胀岩的破坏特征所进行的分析研究。

2 试验区膨胀岩主要地质特征

3 膨胀岩变形和破坏特征及主要影响因素

在对试验区范围内黏土岩和泥灰岩2种膨胀岩近2年的观察中发现，膨胀岩最普遍的破坏形态有雨淋沟、风化和崩解、膨胀变形和局部坍塌，以及各种形态的滑坡等。

3．1 雨淋沟

膨胀岩地区多为干旱和半干旱地区，多年平均降雨量低于600 mm，主要集中在6 8月份，多以暴雨形式出现。因此，大部分水量以径流形式汇入江河，少量雨水会沿着岩土体裂隙或孔隙入渗，并引起岩土体膨胀。膨胀后的岩土体凝聚力降低，在下一次降雨过程中被雨水冲刷带走，在岩土边坡上形成雨淋沟。

雨淋沟的破坏作用在于它加强了雨水的入渗通道，加速膨胀岩的风化作用。水流汇集，还会淘空建筑物地基，使建筑物发生整体失稳。与膨胀土所不同的是，膨胀岩的不均匀性，使得雨淋沟的现象更为严重，影响更大。

通过对潞王坟试验段裸坡试验区的长期观测，试验段雨淋沟有如下重要特征：

（1）一般在开挖断面形成3个月后出现；

（2）雨淋沟的规模与地层岩性有关，泥灰岩的雨淋沟一般比黏土岩规模小；

（3）雨淋沟的规模与边坡坡比无关，与边坡的朝向也无关。

在临床上，经常可以见到偶发性，甚至频发性早搏，应与心肌炎引起的早搏鉴别。符合下列情况者属良性早搏：无心脏病史，常偶然发现；宝宝无自觉症状，活动如常，心脏不大，无器质性杂音；早搏在夜间及休息时多，活动后心率增快，早搏明显减少或消失。

从表1可以看出，经过一年的干湿循环和大气降雨，试验区雨淋沟的最大平均冲刷深度达到0．36～0．55 m，最大平均宽度达到0．85～1．19 m，而且，风化主要发生在黏土岩地层中。

表1 裸坡试验区雨淋沟冲刷调查（2008年9月资料）Table 1 Investigation for the rainfall flushed ditches（sept．2008）

3．2 风化与崩解

由于地质年代的不同，膨胀岩地区的土体胶结能力更强，在土体特性上显示出更多“岩”的性质，如风化与崩解等。

一般岩石风化以后形成的土体通常具有较好的物理力学特性，而膨胀岩风化以后，由于其黏土矿物含量较高，因此，风化后的土体与膨胀土一样，具有较强的膨胀性。与膨胀土所不同的是，膨胀岩风化后的土体颗粒较粗，渗透性较大，粒间凝聚力较小，因此，即使膨胀性不高，仍然会产生显著的破坏。

根据岩性的不同，对应的破坏形态也有所不同：黏土岩主要表现为风化、剥落，并随地表径流的流失，其风化深度和程度明显高于泥灰岩；而泥灰岩通常发生崩解，特征是局部、整块岩体的塌落。分析原因认为，泥灰岩的胶结强度明显高于黏土岩，而从膨胀性的角度而言，黏土岩的膨胀性普遍较泥灰岩高，因此，影响两种岩体风化程度的主要因素是胶结强度和膨胀性。

在试验6区至试验7区的过渡段，开挖了一段高约3 m，纵深约6 m的黏土岩直立边坡，经过长达3个月的观测，初步掌握了黏土岩随时间风化、崩解的过程。

图2为2008年11月至2009年4月观测站点的降雨（雪）情况，在观测期间由自动气象站记录有5次明显的降雨（雪）过程。其中，2月8日至2月9日，累计降雨量8 mm。2月18日雨夹雪，2月19日小雪，2月23日至2月25日累计降雨量5．8 mm。3月12日至3月13日累计降雨量4 mm。3月20日晚大雨，3月20日至3月23日累计降雨14．2 mm。

图3为观测站24个观测点坡面的相对变形，纵坐标轴的正值表示坡面的风化、剥落厚度，负值表示坡面的膨胀隆起。从图3中可以看到，黏土岩每经历一场降雨以后，其风化程度均有所加重。一般在断面开挖一个月以后，坡面已经严重风化，其风化深度最大达到16 mm；在断面开挖3个月以后，最大风化深度达33 mm，而在经历一年的干湿循环和雨雪冲刷以后，最终在2009年7月的一次强降雨后发生了大面积垮塌。

图2 试验区降雨观测图Fig．2 Monitoring picture of rainfall at the test region

图3 开挖面崩解变形观测Fig．3 Disintegration deformationsmonitoring for the excavation

3．3 膨胀变形和局部坍塌

膨胀岩的膨胀变形与岩体的黏土矿物成分和胀缩特性密切相关，就本试验区而言，黏土岩的膨胀性普遍高于泥灰岩。室内试验和现场取样分析表明，黏土岩的自由膨胀率一般为54%～70%，泥灰岩的自由膨胀率一般为36%～64%。因此，在裸坡试验区所进行的人工降雨试验中，各坡面在降雨过程以及降雨干湿循环以后所反映的变形特征也具有明显的差异。以1－1试验区一级马道以下左、右边坡为例。该试验区左坡坡比 1∶1．5，右坡坡比 1∶2．0。由于地层沉积原因，左坡上部以泥灰岩为主，下部和渠底为黏土岩；右坡除顶部少量泥灰岩外，其余为黏土岩，靠近渠底有一层砂质黏土岩。

在同样经历了大气降雨和人工降雨、干湿循环以后，左坡发生了浅层滑动，而右坡主要的破坏形态为隆起变形和局部坍塌。根据降雨试验后所作的地表测量，右侧渠坡的变形范围为沿渠道水流方向长约14．2 m，沿坡面方向长约3．5 m。在渠坡坡面上缘距离一级马道约1．0 m（顺坡面长）处形成一个高69 cm跌坎，坡面下缘在高程100．81处形成一道长约20余m连续的隆起带。整个渠坡隆起最高点的隆起量45 cm，高程为100．25。

表2为高程100．81处横剖面隆起量统计。测量成果显示，1－1右坡高程100．81处最大变形位于降雨区域的中部，隆起量为28．7 cm，降雨区域沿渠道水流方向整个坡面膨胀变形呈中间高，两头低的形态，显然，这与两端未降雨区域的约束有关。整个渠坡未发生明显的滑坡，原因在于近渠底附近存在一层砂质黏土岩。

表2 1－1右坡高程100．81处降雨后隆起量Table 2 Heaves at different points of the right slope at the elevation 100．81 m

3．4 滑坡破坏

膨胀岩滑坡主要有浅层滑动和深层滑动2类，但大多数还是属于浅层滑动。浅层滑动一般是指滑弧处于大气影响范围以内的，深度1～2 m的滑坡。与膨胀土具有明显的多层结构（叠瓦式）不完全相同，膨胀岩的浅层滑动多表现出沿裂隙面的塌滑或崩塌，层叠现象并不十分明显，多在后缘出现很宽的开裂和张拉裂缝。

从滑坡的内因分析，主要有岩土水理特性和结构特征。水理特性主要是指岩土的黏土矿物成分含量过高，遇水膨胀，强度降低；失水收缩，岩体开裂等。结构特征主要是指地层结构、裂隙面等。滑坡的外因则主要是降雨或地下水位变动导致岩土的水分变化和开挖卸荷。

3．4．1 降雨引起的滑坡

根据试验计划，本试验段第一试验区为裸坡试验区，即渠坡开挖后不作任何防护，直接受大气降雨蒸发，以及渠道浸水等环境因素作用，然后，再通过控制雨量、雨型的人工降雨，研究渠坡在降雨作用下的变形规律和破坏特征。其中，1－1区左侧渠坡在人工降雨2 d，累计降雨约6 h后，一级马道以下发生大面积浅层滑坡，见图4。滑坡位于一级马道以下，桩号SY0＋061．8至 SY0＋075，高程94．75至103．76，滑坡呈扇形展开。滑坡前缘宽13．2 m，后缘宽5．6 m，后缘跌坎高1．5 m，滑弧深度约1．5 m。从滑坡的形态上看，是一个比较典型的浅层滑动，但滑坡体以块状的岩体居多，局部甚至存在整块岩体平移的现象，显示出岩与土在变形和滑动特征上的差异。

图4 降雨引起的滑坡Fig．4 Landslide caused by a rainfall

图5 非试验区开挖引起的滑坡Fig．5 The photo of expansive rock landslide

从滑坡后的取样分析试验显示，该滑坡体的含水率在降雨前后发生了显著的变化，尤其是浅、表层（0．5 m）的土体的含水率由9．8%增大到15．7%，而吸力则由50 kPa降低到0。根据Fredlund抗剪强度理论，吸力对土体抗剪强度的贡献可以表示为：τ＝（ua－uw）tanφb，结合室内非饱和土强度试验，本试验区泥灰岩φb＝20°，因此，50 kPa吸力对强度的贡献为18．1 kPa，换言之，由于吸力的降低，使得渠坡岩土体的凝聚力降低了18．1 kPa，可以说岩土体抗剪强度降低是滑坡的主要原因之一。

3．4．2 开挖卸荷引起的滑动

膨胀岩（土）边坡的浅层滑动在开挖期和运行期均有发生，如前所述，运行期的滑动主要是岩（土）体的水份变化导致的抗滑力减小，滑动力增大和膨胀变形；而施工期的滑动主要是卸荷引起的侧向约束力减小和层间结构面（裂隙面）的存在。调查发现，膨胀岩（土）边坡在开挖期的滑动主要受岩（土）层产状和裂隙面走向趋势控制。本试验段的非试验区，在开挖期发生了一处较大范围的浅层滑动，见图5。

据地质报告，该滑坡体位于试验段桩号SY1＋179．7至SY1＋240．5渠道左侧二至四级马道的渠坡上，滑塌体长度60．8 m，滑坡方量约900 m3。滑坡开始是因开挖卸荷引起，当时施工单位正进行二级马道以下渠坡修坡，滑坡从三级马道开始启动，上缘出现宽0．5～0．8 m的张拉裂缝，还伴有一组X形剪切裂隙，并有约3 m左右的跌坎，滑坡体最大厚度约1．2 m。

通过现场地质人员对滑坡体进行的坑槽勘探，发现此段黏土岩中裂隙发育，其中，走向270°～340°的裂隙共计38条，与区域断裂构造线方向基本一致，并发现有一条连通性较好的裂隙。此外，地质编录表明，此段裂隙面、层间面、软弱夹层等地质结构面较为发育，其中一组倾向南东向的缓倾角结构面与滑坡体滑动面一致，其裂隙面上有1～2 mm泥化夹层，并有铁锰结核擦痕、蜡状光泽等，含水率高。现场取样试验表明，滑动面上土体的自由膨胀率为61．5%～105%，但原状样天然状态的中型剪切试验强度偏高，主要与滑动面起伏不平等因素有关。

分析滑坡发生的机理可知，地质构造和开挖施工是滑坡的主要诱因，其中，场区结构面走向与渠道走向一致，倾向与渠道边坡倾向一致，滑动前缘倾角较缓，并小于渠道开挖坡角是滑坡的内因；外因则是边坡开挖导致岩土体的侧向约束丧失。此外，附近的爆破施工，也是引起滑坡的因素之一。