具有软弱基座的逆向岩质斜坡形成演化机理研究

王宏益，马延龙，姜鑫，沈军辉

（1.甘肃省地矿局第三地质矿产勘查院，兰州 730050；2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059）

1 前言

具有软弱基座的逆向层状岩质斜坡的坡体结构特殊，决定了其独特的形成演化机理，且其变形破坏规模往往较大，如湖北省远安县盐池河崩塌，四川省巫溪县城南南门湾岩崩等，且其变形破坏机理较复杂、形成演化过程较隐蔽，坡体失稳破坏常具有突发性，往往造成灾难性的后果，有必要加强该类斜坡形成演化机理研究。本文以青川县一个具有软弱基座的逆向层状岩质斜坡为例，对该类斜坡的形成演化过程进行研究，为该类斜（边）坡变形破坏的预测提供依据。

2 斜坡坡体结构特征

现场调查表明，斜坡出露震旦系元吉组（Zy）地层，物质结构总体呈上硬（白云岩）下软（千枚岩）的复合特征，且岩层走向与坡面近一致，呈逆向坡（图1）。

斜坡上部为厚度达80 m的白云岩构成的硬层，呈厚层－块状结构，质硬性脆，岩体较完整，产状310°～320°∠30°～45°，表部岩体倾倒变形明显，产状310°～320°∠8°～12°。

图1 斜坡纵剖面图Fig.1 Longitudinal profile of the slope

白云岩岩体发育2组节理，节理①近平行于坡面发育，产状105°～125°∠75°～85°，节理②近垂直于坡面发育，产状25°～35°∠60°～80°（图2）。

斜坡下部为钙质绢云千枚岩构成的软层，强度较低，是该斜坡的软弱基座。

图2 白云岩节理发育特征Fig.2 Development characteristics of dolo mite joints

3 斜坡形成演化过程分析

3.1 斜坡形成演化机理分析

斜坡形成演化的地质力学模式为压致蠕变－拉裂－倾倒型［2]。结合斜坡所处的环境条件及坡体结构，将斜坡的演化过程划分为3个阶段。

（1）初始阶段

斜坡白云岩与钙质绢云千枚岩初始为平行不整合接触，产状310°～320°∠30°～45°，河谷宽缓（图3（a））。

（2）卸荷回弹陡立裂缝形成阶段

由于地壳大幅抬升、河流强烈下切，在高陡斜坡形成过程中，河谷大面积卸荷致使坡面周围的白云岩岩体产生卸荷回弹，在坡缘附近，岩体形成一系列与坡面近于平行的陡立拉张裂缝，或在应力集中部位产生一系列新的表生结构面，使岩体结构松弛。拉裂缝呈上宽下窄的“V”字形，其拉张宽度及扩展深度自坡面向内逐步递减（图3（b））。

（3）压致蠕变－拉裂－倾倒阶段

上覆白云岩体的重力较大，且斜坡坡脚地带为应力集中程度较高部位，软弱基座（钙质绢云千枚岩）产生弯曲、压缩及蠕变变形，为上覆白云岩变形提供底部临空条件。

随着软弱基座岩体的变形发展，上覆白云岩岩体产生自坡面向内其值递减的倾倒变形及不均匀沉陷，造成白云岩产生新的拉裂缝，或使原已形成的拉裂缝进一步发展。该类拉裂缝自上而下扩展，岩体被其切割为岩柱。随着软弱基座岩体变形不断发展，白云岩岩柱倾倒变形发展，甚至产生倾倒崩落（图3（c））。

图3 斜坡形成演化图Fig.3 Evolution mechanism of the slope

3.2 斜坡形成演化的数值模拟分析

为验证上述分析，采用二维离散元模拟斜坡形成演化动态过程。鉴于模拟的可操作性，设定沟谷下切一次完成。

根据岩体结构面统计结果，将斜坡岩体分块离散化，斜坡上部白云岩块体，岩层面作为主节理，主方向长5 m，与水平向夹角为35°，块体副方向长5 m，与水平向倾角85°，形成长5 m、宽5 m的菱形体。斜坡下部钙质绢云千枚岩划分为长2 m、宽2 m的方形体（图4）。

根据软件设计原理，Kn＝Ks且Kn＝10 J Kn。模型参数取值见表1。

图4 离散元计算模型Fig.4 Discrete element model of the slope

表1 模型参数取值表Table 1 Model parameters of rock mass

（1）河谷下切，坡面周围岩体产生卸荷回弹，使岩体结构松弛。软弱基座产生轻微弯曲变形，坡缘附近拉应力带部位形成一系列追踪近平行坡面结构面①的陡立拉张裂缝。拉裂缝呈上宽下窄的“V”字形，其拉张宽度及扩展深度自坡面向内逐步递减（图5）。

图5 迭代50 000步时块体变形特征Fig.5 Deformation after 50 000 times of iteration

（2）在上覆白云岩重力作用下，软弱基座变形进一步发展，为白云岩提供底部变形空间，白云岩产生自坡面向内其值递减的倾倒变形，使原已形成的拉裂缝发展贯通，并向坡内产生新拉裂缝，将岩体切割为岩柱（图6）。

（3）白云岩向坡内产生新拉裂缝，倾倒变形进一步发展，岩柱向坡外临空方向倾倒下错，直至崩落（图7）。

根据上述分析，离散元斜坡演化模拟结果与建立的压致蠕变－拉裂－倾倒型破坏地质力学演化模式一致。

4 结语

通过上述分析，可得到如下认识：

具有软弱基座的逆向层状岩质斜坡是常见的斜坡结构类型之一。通过地质分析及数值模拟分析揭示了该类斜坡形成演化的地质力学模式为压致蠕变－拉裂－倾倒型：该类斜坡的形成演化以软弱基座的压缩蠕变变形为先导，引起上部硬质岩体的拉裂、弯曲变形，并最终导致斜坡后缘拉张开裂、前缘压缩弯曲的倾倒式变形破坏。这为同类斜（边）坡的变形破坏的预测提供了依据。

图6 迭代400 000步时块体变形特征Fig.6 Deformation after 400 000 times of iteration

图7 迭代700 000步时块体变形特征Fig.7 Deformation after 700 000 times of iteration

［1]王宏益.四川省青川县麻柳沟斜坡形成演化机制及失稳运动特征［D].成都：成都理工大学硕士论文，2012.

［2]张倬元，王士天，王兰生.工程地质分析原理［M].北京：地质出版社，1994.

［3]任光明，宋彦辉，聂德新，等.软弱基座型斜坡变形破坏过程研究［J].岩石力学与工程学报，2003，22（9）：1510－1513.

［4]任光明，聂德新，刘高，等.反倾向岩质斜坡变形破坏特征研究［J].岩石力学与工程学报，2003，22（增2）：2707－2710.