缓倾层状高边坡典型破坏模式及宏观判据研究

董好刚，彭轩明，陈州丰，刘广宁，霍志涛

（宜昌地质矿产研究所，湖北宜昌 443003）

缓倾层状高边坡典型破坏模式及宏观判据研究

董好刚，彭轩明，陈州丰，刘广宁，霍志涛

（宜昌地质矿产研究所，湖北宜昌 443003）

缓倾层状高边坡是三峡库区典型的岸坡结构之一，其稳定性主要由岩体结构和岩性组合决定。通过对长江上游云阳—江津100个高边坡详细调查，针对缓倾角层状岩质边坡特殊情况，考虑其形成机理将三峡库区缓倾层状高边坡典型破坏模式概化为风化-崩落型、压剪-滑移崩落型、拉剪-倾倒崩落型、拉裂坠落型4种破坏模式。以岩体结构控制论为指导，结合实例分析了4种破坏模式的基本特征。从陡崖（坡）断面形状、主控结构面特征、优势面数目、节理密度以及岩性等方面构建了缓倾层状边坡破坏模式的宏观判据。经云阳—江津100个高边坡现场验证，利用这些宏观判据判识的破坏模式与实际相符。

三峡库区；缓倾角层状边坡；破坏模式；宏观判据

1 概 述

边坡变形破坏模式是稳定性分析研究的基础，一直倍受国内外学者的重视。目前国内外在边坡变形破坏模式研究中代表性的成果有：孙玉科等［1］考虑工程地质岩组特征、岩体结构、破坏形态、水文地质和变形破坏时间效应等方面，提出了5种地质模型；加拿大Brawner等［2］根据实际经验提出包括圆弧破坏、平面破坏等在内的6种常见的岩石边坡变形破坏模式；南京大学罗国煜等［3］，以优势面组合破坏形式为基础，提出火成岩的15种破坏模式和层状岩体的4种破坏模式；佴磊、汪发武［4］对层状岩体边坡破坏形式的工程地质判别进行了研究；殷跃平等［5］从边坡结构特征入手，划分了5种结构类型，并对典型边坡进行了数值模拟计算，得出了一些有益的结论；胡厚田［6］在危岩体失稳破坏机制基础上，提出倾倒式崩塌、滑移式崩塌、鼓胀式崩塌、拉裂式崩塌和错断式崩塌5种基本模式。

缓倾层状高边坡是三峡库区典型的岸坡结构之一，在云阳、万州、忠县3县分布比较集中，其他地区也分布较多。该类边坡岩层总体近于水平，倾角介于5°～20°，随地段的不同有些差异。缓倾角岩质边坡地层倾角较小，尤其是缓倾内边坡，在一般情况下，边坡的整体稳定性较好［7］。但由于缓倾角边坡特殊的岩体结构和地层岩性，多形成高大陡峭或阶_梯状斜坡，为小危岩体形成提供极为有利的地形条件；加之受地质构造作用和不同岩层或岩层界面的差异性风化卸荷作用，使缓倾层状边坡在局部坡面上，极易形成众多深浅不一的凹岩腔。这些凹岩腔的产生和发展，使得凹岩腔上覆岩体逐渐发展为危岩体，并在降雨、地震或人工开挖等诱发因素下，发生崩落。本文在对云阳-江津100个高边坡系统调查的基础上，针对缓倾角层状岩质边坡特殊情况，考虑其形成机理，将三峡库区缓倾层状边坡典型破坏模式概化为风化-崩落型、压剪滑移-崩落型、拉剪倾倒-崩落型、拉裂坠落型4种破坏模式。以岩体结构控制论为指导，结合实例分析了4种破坏模式的基本特征。从陡崖（坡）断面形状、主控结构面特征、优势面数目、节理密度以及岩性等方面构建了缓倾层状边坡破坏模式的宏观判据。

2 缓倾层状高边坡的典型破坏模式

2.1 风化-崩落型

风化崩落破坏现象在三峡库区高边坡中非常普遍（约占调查边坡数量的30%），有均匀风化剥落和差异风化崩落2种形式。前者主要发生在紫红色泥质岩为主高边坡表面，表现为边坡表面的岩石呈细碎屑状向下剥落，是对边坡的一种缓慢、渐进式的破坏，典型代表为云阳汽修厂后高切坡（图1（a））。现场调查时发现风化剥落的泥岩在坡角下形成圆锥状堆积体，风化时有较强的落石声，堆积在坡脚的剥落碎屑物的大小一般为毫米级。根据坡脚碎屑堆积的体积、边坡面积及边坡开挖时间，估算出边坡平均的剥落速率（边坡后退速率）为1～2 cm／a。后者主要发生在泥岩和泥质粉砂岩互层的高切坡中，典型代表为103省道云阳杨沙村高切坡和稻场村高切坡（图1（b）、图1（c）、图1（d））。因边坡出露的地层非均一而存在非常明显的差异风化现象，使边坡面凹凸不平，砂质含量高的部位外凸，泥质含量高的部位内凹。砂岩、泥质粉砂岩厚0.5～3m，常因卸荷和风化作用形成平行和垂直于崖面的两组裂隙，节理裂隙往往夹于上下两层泥岩之间，节理间距0.3～1.5m左右，将相对较硬的粉砂岩切割成短柱状，被切割的岩块块度大小0.3～2.8 m3，极易坠落，威胁行人和交通安全，这种因差异风化而发生的危岩（岩块）崩落现象本文称之为风化-崩落模式。

图1 高切坡风化-崩落破坏模式Fig.1 Surface weathering failuremodes of cut slope

2.2 压剪-滑移崩落型

压剪-滑移崩落型破坏模式是指高边坡上的危岩体沿着主控结构面变形、滑移破坏，呈现压剪破坏的力学机理（图2（a））。此类危岩的主控结构面下部倾角较小，一般在45°以下，为陡崖或陡坡内缓倾的卸荷拉张结构面或缓倾角地层弱面。危岩体重心在主控结构面内侧，当主控结构面剪出口因坡角被切或软弱夹层因风化凹进而出露时，在诱发因素作用下发生滑移崩塌。滑移崩落方式一般有3种，一为顺层滑落，主控结构面是层面，典型灾害体如万州鱼背山岩块顺层滑落（图2（b）），这种顺层滑落和通常意义上的顺向滑坡有一定区别，一般是蠕滑变形长期积累的结果；二是切层滑落，主控结构面是切层裂隙，剪出口一般在软硬岩层界面处，典型代表为重庆弹广路切层滑塌（图2（c））；三是楔形滑落，一般因2组或2组以上结构面将危岩体切割为楔形，沿2个以上界面楔形滑落，典型代表为丰都长江大桥头楔形崩落危岩体（图2（d））。

图2 压剪-滑动崩落型模式Fig.2 Slidingmodes under pressure-shear

南岸区弹广路高边坡高切坡总长110 m，坡高35 m，坡向82°，坡面形态为凸形，边坡由硬质砂岩夹2层30 cm左右厚度泥岩组成，岩层产状平缓。边坡开挖后未及时进行支护，于2007年7月14日暴雨过后发生滑塌，堵塞交通。由切坡5＃危岩体的横断面图可以看出，边坡中上部的强烈卸荷开裂带在边坡中下部受到一软弱泥化夹层的影响和限制，近泥化层的上方裂隙存在弧形转弯的现象，剪出口在边坡面出现（图3（a））。泥化夹层下方的裂隙受卸荷影响较小，泥化夹层中擦痕及摩擦镜面明显，表明沿泥化夹层曾发生侧向滑移。由优势裂隙分布图可以看出（图3（b）），主控结构面倾角45°～55°，且与坡向同向，裂隙组合显然不利于坡体稳定。

图4是丰都大桥北高边坡1＃危岩体的横断面图。危岩体所在陡崖长50 m，高45 m，坡向220°，陡崖由砂岩夹若干层30 cm左右厚度软弱夹层组成，高30 m左右，下部为6～8 m厚泥岩组成软弱基座。因差异风化，泥岩形成深1～3 m、高2～3 m左右凹腔，层岩层产状平缓，为缓倾内高边坡。危岩体上部以软弱夹层为界，两侧以切割裂隙为界，东切割面L1产状195°∠64°～75°，张开10～50 cm，上窄下宽，充填块石，弯曲粗糙；西切割面L2产状275°∠55°～75°，张开10～50 cm，上宽下窄，充填少量黏土，弯曲粗糙。由优势裂隙分布图可以看出，两切割面交线方向与陡崖方向近一致，但倾角小于坡角，且因泥岩凹进使得剪出口在下部出现，两切割面组成的楔形体有向下滑移坠落的危险。

图3 南岸区弹广路高边坡横断面剖面图及裂隙分布图Fig.3 （a）Cross-section and（b）fissure stereogram of Danguanglu cut slope of south bank

图4 丰都大桥北高边坡横断面剖面图及裂隙分布图Fig.4 （a）Cross-section and（b）fissure stereogram of Fengdu Yangtze Bridge cut slope

2.3 拉剪-倾倒崩落型

当缓倾内层状岩质边坡的岩层较厚，岩性呈软硬互层状产出，且岩层间软弱夹层较厚时，在相对贯通的陡倾构造节理或风化卸荷裂隙切割下，坡面上常发育有以层面或夹层为底界的突出岩体。此类危岩的主控结构面倾角变化较大，一般大于25°，多为陡崖或陡坡的卸荷张拉结构面，且主控结构面下端部潜存于陡崖或陡坡岩体内。在荷载作用下危岩体通常围绕主控结构面的下端部或下端部与临空面的交点旋转倾倒破坏，危岩体呈现拉剪破坏力学机理，失稳破坏模式可概化为拉剪-倾倒崩落（图5（a））。典型代表有万州江南大石盘危岩体、忠县石宝寨危岩体、万州神龙观景台危岩体等（图5）。

图5 拉剪倾倒-崩落型模式Fig.5 Fallingmodes of tension-shear

图6 是忠县-石宝寨县级公路高边坡危岩横断面图，高切坡总长50 m，坡高16 m，坡向265°，岩层产状平缓，为缓倾内高边坡。高切坡岩性上硬下软，因差异性风化，下部5～6 m泥岩向内形成凹腔，深3～3.5 m，上部砂岩被2组节理切割，呈长柱状危岩（体积一般5 m×4 m× 10 m），修建公路开挖下部坡脚后，2组节理后期卸荷作用明显。与坡面平行的卸荷裂隙为主控结构面，切割深度8m左右，产状252°∠79°，张开10～30 cm，上宽下窄，显示向外倾倒特征。随着下伏泥岩夹层进一步风化剥蚀，危岩体重心将进一步外倾并沿旋转支点倾倒失稳崩落，威胁到下方公路以及路边居民住宅。

图6 忠县石宝寨拉剪倾倒-崩落型危岩体剖面图Fig.6 Slidingmode under pressure-shear

2.4 拉裂坠落型

当缓倾内边坡的岩层较薄，岩性均一，且层间结构面力学性质较好时，在陡倾构造节理和风化卸荷裂隙切割下，坡面上也常发育有以层面或夹层为底界的突出岩体。由于这些突出岩体底界岩层面和夹层力学性质较好，所发生的压缩变形量有限，以致突出岩体难以发生较大转动而倾倒。但因岩层相对较薄，突出岩体的受力特性可概化为悬臂梁模型。在悬臂的弯矩作用下，突出岩体上部承受拉张应力，加之岩体自身存在的众多微观缺陷，将产生局部微裂纹，而在微裂纹端部，也随之发生应力集中现象，并导致微裂纹加宽加深形成宏观裂隙。随时间推移，宏观裂隙将进一步加宽加深，形成主控结构面，并最终导致小危岩体拉裂破坏，其模式如图7（a）。这种类型的破坏在缓倾层状高边坡破坏中占有相当大的比例，典型代表有万州梁吊线178塔危岩、万州渝宜高速路入口危岩、长寿污水厂内危岩等（图7）。

图7 拉裂坠落型破坏模式Fig.7 Fallingmodes under tension

图8 是万州渝宜高速公路引道处黑岩脚高边坡2＃危岩体剖面示意图。高边坡坡面形态为倒梯形，崖高35 m，坡向102°，岩层产状平缓，为缓倾内高边坡。2＃危岩体呈透镜状，两端薄中间厚，受倾向外侧裂隙控制，横剖面呈倾斜条状，上下皆以软弱夹层为界，体积13 m×5 m×7 m左右。下部悬空，悬空面呈台阶状，主控结构面在台阶处出露剪出口，表明危岩体系多期分级坠落形成。因下部软弱夹层较薄，危岩只能在重力作用下拉裂坠落。

图8 万州黑岩脚危岩体剖面示意图Fig.8 Fallingmode under tension

3 缓倾层状高边坡破坏模式宏观判据

宏观判据是指凭肉眼或借助于简便的量测工具在现场识别高边坡破坏模式的指标类型。通过100个高边坡的系统调查，本文认为可以从陡崖（坡）断面形状、主控结构面特征、优势面数目、节理密度以及岩性5个方面拟定破坏模式宏观判据因素，据此建立不同类型破坏模式的宏观判据（见表1）。通过这些判据对所调查的危岩破坏模式进行分类，效果良好。这些宏观判据具有与工程结合紧密、能获得定量结果、层次清晰及使用方便等优点，有助于提高这类高切坡治理的针对性和有效性。值得指出的是，为了较全面地确定各类危岩高边坡的物理力学性质特性，为进行岸坡稳定性分析及防治工程设计，在高边坡失稳模式分类基础上尚应具体进行岸坡（危岩）测量、钻探、裂隙水压力测试，并从危岩体及其环境岩土中取样进行室内物理力学性质试验。

表1 缓倾层状高边坡破坏模式宏观判据Table 1 Macro-criterion to identify the failuremodes for high slope

4 结论与建议

（1）通过对三峡库区近100个高边坡的系统调查，以岩体控制论为指导，考虑其破坏机理，将缓倾层状高边坡典型破坏模式概化为风化-崩落型、压剪-滑移崩落型、拉剪-倾倒崩落型、拉裂坠落型4种模式。

（2）从陡崖（坡）断面形状、主控结构面特征、优势面数目、节理密度以及岩性等5个方面拟定破坏模式宏观判据因素，据此建立缓倾层状边坡破坏模式的宏观判据。通过对云阳-江津100多个高边坡的现场调查，这些判据对所调查的高边坡（危岩）破坏模式与实际情况基本相符。这些宏观判据具有与工程结合紧密、能获得定量结果、层次清晰及使用方便等优点，有助于提高这类高切坡治理的针对性和有效性。

［1］ 孙玉科，牟会宠，姚宝魁.边坡岩体稳定性分析［M］.北京：科学出版社，1988.

［2］ BRAWNER C O，MILLIGAN V.Stability in open pit mining［C］.New York：Society of Mining Engineers of the American Institute of Mining，Metallurgical，and Petroleum Engineers.1971.

［3］ 罗国煜，王培清，陈华生，等.岩坡优势面分析理论与方法［M］.北京：地质出版社，1992.

［4］ 佴 磊，汪发武.层状岩体边坡破坏形式的工程地质判别［J］.长春地质学院学报，1991，21（3）：327-340.

［5］ 殷跃平.三峡库区边坡结构及失稳模式研究［J］.工程地质学报，2005，13（2）：145-154.

［6］ 胡厚田.崩塌与落石［M］.北京：中国铁道出版社，1989.

［7］ 杨达源，李徐生，冯立梅，等.长江三峡库区崩塌滑坡的初步研究［J］.地质力学学报，2002，8（2）：173-178.

（编辑：周晓雁）

Typical Failure Modes and Identification of Low-angled Stratofabric Rock Slope

D0NG Hao-gang，PENG Xuan-ming，CHEN Zhou-feng，LIU Guang-ning，HUO Zhi-tao
（Institute of Geology and Mineral of Yichang，Yichang 443003，China）

Stratified high slope with gently inclined bedding is one of the typical bank structures in Three Gorges Reservoir.Themain controlling factors of embankment slope stability are engineering geological petrofabric and rock property.An investigation was carried out at 100 high slopes from Yunyang to Jiangjin in Chongqing.To the stratified slopes with gently inclined bedding，the findings show that there are four failure typicalmodes in high slopes.They are surface weathering mode，sliding mode under pressure-shear，falling mode of tension-shear and fallingmode under tension.According to control theory of rock fissure and in combination with typicalmodes，the features of each category have been described.In view of the section outline of cliff or steep slope，the features ofmain control structural plane，the number of dominant plane，joint density，and lithology，the authors found macro-criteria to identify perilous rock in the field.These macro-criteria are checked with 100 modes from Yunyang to Jiangjin and are closely coincidentwith the realmodes.

Three Gorges Reservoir area；low-angled stratofabric rock slope；failuremode；macro-criterion

TV143.4

A

1001-5485（2009）08-0036-05

2008-10-13；

2008-12-26

中国地质调查局地质灾害预警项目（12120101640601）

董好刚（1970-），男，山东青州人，工程师，硕士，主要从事地质灾害调查和研究，（电话）0717-6346394（电子信箱）donghaogang＠126.com。