顺向河谷陡倾角层状岩体边坡变形破坏模式及特征

李进元，施裕兵

（中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，成都 610072）

顺向河谷陡倾角层状岩体边坡变形破坏模式及特征

李进元，施裕兵

（中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，成都 610072）

我国西部地质环境复杂，大量顺向河谷中存在陡倾角层状岩体倾向坡外的边坡，具较高的地质灾害危险性。该类边坡在漫长的地质历史过程会发生位移～弯曲，经历轻微弯曲、强烈弯曲隆起阶段和变形破坏阶段。特殊的坡体结构在较长时间内使该类边坡可基本稳定，但地震、爆破、工程开挖切脚及水库蓄水等易使其失稳。本文通过典型实例探讨了顺向河谷陡倾角层状岩体且倾向坡外边坡的变形破坏模式和特征。

边坡；顺向河谷；陡倾角层状岩体；变形破坏

DO I：10.3969/j.issn.1006-0995.2014.01.025

我国西部地区处于隆升强烈且海拔最高的第一阶梯带内，具有河谷深切的高山峡谷地貌，外营力对浅表岩体改造强烈、地震活动相对较活跃，从而造就了西部地区成为地形和地质条件极其复杂的区域，且在客观上具有较高的地震危险性和地质灾害危险性[1]。而我国西部地区蕴藏着丰富的水力、矿产等资源，交通较落后。随着我国西部大开发战略实施，该区域内的水电、矿产资源将得到大规模开发，道路桥梁等基础设施建设也正规划实施中。顺向河谷陡倾角层状岩体且倾向坡外边坡的变形破坏模式和特征的研究具有重要意义。

1 典型实例分析

1.1 唐家山滑坡

唐家山位于北川县通口河右岸，岸坡高约250～400m，约以1 350m为界，上部地形较缓，坡度25°～30°，下部地形相对较陡，坡度35°～45°。坡面上下游各分布一条小型冲沟，上游为大水沟，下游为小水沟，两沟相距约500m，冲沟下切深度约20～40m。通口河以N70°E流经唐家山然后折转为S40°E，唐家山一带上下游分别有大水沟、小水沟切割，正面被通口河切割，形成三面临空且略向左岸凸出的山体，坡体结构为典型的层状地层中倾坡外的纵向河谷。

该河段位于青林口倒转复背斜的核部附近，出露地层为寒武系下统清平组上部（∈1c）灰黑色薄～中厚层状长石云母粉砂岩、硅质板岩夹薄～极薄层泥灰岩、泥岩和千枚岩，岩层呈软硬相间，岩层总体产状N60°～80°E/NW∠35°～45°。坡脚一带有基岩出露，坡顶及坡面分布厚约5～15m厚的残坡积碎石土层，植被茂盛。坡脚为苦竹坝电站库区，枯水期水面高程664～665m，水面宽100～130m。水深0.5～4m，河床中堆积有厚约15～20m的含泥粉细砂层。

受青林口倒转复背斜影响，地层发生强烈揉皱，岩体较破碎。该套地层中主要发育以下4组裂隙：①N70°～80°W/NE（SW）∠35°～45°，为层面裂隙，延伸长，层间顺层挤压带较发育，宽约5～15cm，局部达50cm，风化强烈；②N25°～30°E/NW∠10°～15°，延伸5～10m，间距一般为1～5m；③N80°～85°E/NW∠70°～80°，延伸5～8m，间距一般为3～5m；④N20°～40°E/NW（SE）∠60°～70°，延伸1～3m，间距一般为0.5～2m。此外因构造强烈挤压作用，岩体隐裂隙十分发育，将岩体切割为大小20～60cm块体。强风化强卸荷带厚度约10～30m，弱风化弱卸荷带厚度基本相当，约50～80m。

2008年5月12日汶川特大地震造成唐家山发生突发性滑坡（图1），形成著名的唐家山堰塞湖。据现场实地调查，唐家山滑坡规模巨大，堰塞体顶部长约803m，宽约612m，面积约30.7万m2，滑坡体厚度达50～75m，体积约2 037×104m3。堰塞坝最高点高程793.9m，堰塞体底部高程669.5m，最大坝高124.4m，低洼垭口处坝高82.6m。2008年6月9日堰塞湖回水至上游约25km治城一带，水位达743.1m，堰塞湖总容积约2.43亿m3。

唐家山位于5.12汶川大地震发震的龙门山中央断裂上盘，距断裂直线距离约2km。据洪时中[1]，唐家山位于本次地震Ⅺ度区内，龙门山断裂带附近50多个地震台站获得大于100Gal地震加速度记录，什邡八角、绵竹清平、汶川卧龙台记录到最大加速度达到633.1、842.1、957.7Gal，可见汶川地震对唐家山一带边坡影响是十分剧烈的。

据现场调查和地震幸存者描述，山体滑坡时，漫天尘土，烟尘避日，滑坡体将河谷中的粉细砂层几乎刨殆蚀尽，左岸元河坝处直径约5m的混凝土吊桥桥墩向上卷高了约100m余，左岸坡体80m范围内原有植被和土层不翼而飞，露出光秃的基岩，较远部位树木上的枝叶和树皮均被剥光。而滑坡体上树木未完全倾到，地物仍基本保持原状。发生的这一切持续时间尚不足 1分钟，可见唐家山滑坡具有高速性、突发性、规模和能量较大性等特点。经初步估算，唐家山滑坡速度高达36～42m/s。

发生唐家山滑坡的根本原因在于其特殊的坡体结构，而强震是触发因素。唐家山一带为典型的顺向中倾坡外的岸坡，下游受大水沟和小水沟切割，正面被通口河切割，形成三面临空且向左岸凸出的山体。地层为受构造挤压并发生强烈揉皱的软硬相间的砂板岩夹泥岩和千枚岩，且顺层挤压破碎带较发育。特殊的坡体结构决定其在漫长的地质历史时期内易发生“滑移～弯曲”。根据资料，唐家山岸坡中下部于高程830～900m一带有轻微隆起现象，地层产状存在一定变化。说明在滑坡发生前，边坡已经发生滑移～弯曲，形成潜在滑坡体，在无外因条件下，边坡尚可在相当长的时间内保持稳定，强烈地震成为滑坡发生的触发因素，并最终导致边坡发生突发、高速、大规模、高能量破坏。

1.2 雅砻江某工程进场公路边坡

雅砻江某工程进场公路分布于雅砻江左岸，该段河谷总体较平顺，河流流向为 S5°W。自然边坡高陡，岸坡高约300～500m，坡度60°～80°。地层产状N15°～25°E/SE∠60°～65°，走向与河流近于平行，为典型层状地层中倾坡外的纵向河谷。

该段河谷基岩为三叠系（T）中厚层状变质砂岩夹薄层状板岩，坡面局部分布2～4m的崩坡积块碎石土。边坡岩体内除层面裂隙外还主要节理有2组，第①组产状为N70°～80°W/NE∠70°～80°，延伸长大，一般5～10m。第②组产状为N20°～30°E/NW∠20°～30°，延伸较段小，一般1～3m。因受第①组结构面切割，坡面上形成多个错列分布的纵向基岩陡坎，高5～8m。

现场地质调查表明，坡面岩体风化较弱，但卸荷较强烈，沿层面裂隙多见卸荷裂隙，一般张开1～3cm，内充填岩屑夹次生泥。卸荷裂隙延伸长大，多从坡顶贯穿至坡脚。

该路段按矿二标准设计，路基宽12m，该公路利用原简易公路（宽约4.5～5.0m）采用坡内开挖施工方式，在原路的基础上向内扩挖7～8m。

因地层岩性差异，桩号K41+840~K42+004段薄层状板岩含量较高，设计开挖边坡1：0.6，每高8m设一级马道，马道宽1m；桩号K42+004~K42+518段主要为坚硬的中厚层状变质砂岩，设计开挖边坡1：0.2，每20m高设一马道，马道宽1m。

2004年2月20日中时约12：00～12：30，施工单位对桩号K42+070～K42+150段实施路基扩挖爆破，爆破参数设置为采用5个炮孔，孔深4～5m，每孔装药量200kg。爆破2小时后约2：30分已开挖完毕段（桩号K41+870～K41+930）产生突发性高速滑坡。

图1 唐家山滑坡工程地质剖面图（破坏后状态）

滑体呈略近梯形，宽30～60m，长180m～200m，厚5～8m，体积约5～8万m3。滑坡瞬间于江中形成一长100～150m，宽80～100m，高约10m的水上堆积体，并将雅砻江阻断成库，库容约200万m3，回水长约3km，上下游水位差5～7m。坡脚处工棚被抛至约120m将对岸，经初步计算，滑坡速度可达21～25m/s。

据钱七虎、杨佑发等[2-3]爆破产生地震震级经验公式（1）及最大地震动加速度公式（2）：

（K为介质系数；c为衰减系数；Q为装药量，单位 kg；R为距爆心的距离，单位m）

图2 雅砻江某工程进场公路滑坡工程地质剖面图（破坏后状态）

本次开挖爆破产生地震震级仅为0.65级，而最大地震动加速度可达 0.10～0.15g，影响烈度可达Ⅶ度。由此可见爆破对边坡岩体影响是比较强烈的。

发生滑坡的根本原因在于其特殊的坡体结构，而开挖坡脚及爆破是触发因素。该路段为典型的顺向中倾坡外的岸坡，后缘层面裂隙发育并伴随强烈卸荷作用，侧向受第①组裂隙切割，在岸坡形成的漫长地质历史过程中，夹薄层状板岩的层状变质砂岩发生滑移～弯曲，但因处于初阶段变形尚不明显。路基开挖对层状岩体边坡切脚和爆破震动，破坏了坡体稳定性，使得侧向切割面进一步贯通并最终导致于坡交处发生剪切破坏，发生突发、高速、大规模、高能量滑坡。

2 顺向河谷中陡倾角层状岩体边坡变形破坏模式

张倬元、王士天、王兰生等[4-6]对顺向河谷中陡倾角层状岩体边坡变形破模式进行了深入研究，并提出“滑移～弯曲”变形破坏模式。岩体是一种粘弹性介质，其力学特性取决于岩体的应变速率，当岩体的应变速率大于其临界应变速率，岩体为弹性介质并表现为脆性破坏，当岩体的应变速率小于其临界应变速率，岩石呈粘性状态并表现为粘性流动变形。在无外力及岩体所处的地质环境不发生重大变化条件下，经极其漫长的地质历史过程，顺向河谷中陡倾角且倾向坡外的层状岩体可发生滑移～弯曲。

图3 滑移～弯曲破坏演化图（据王兰生等[6]）

笔者在生产实践及科研中接触了大量顺向河谷层状岩体边坡，随地层倾角不同，边坡呈现出的变形破坏特征各异。倾角小于30°～35°的缓倾坡外层状岩体边坡，其变形破坏以塑流拉裂或压致拉裂为主，倾角大于65°～70°的陡倾坡外层状岩体边坡，其变形破坏以倾倒拉裂为主。而地层倾角在35°～65°之间且倾向坡外层状岩体边坡，变形破坏主要表现为滑移～弯曲，并十分常见。滑移～弯曲变形破坏模式一般经历三个阶段（图3），第一阶段为轻微弯曲阶段，边坡顺层面拉裂，局部岩体被压碎，坡面轻微隆起，岩体发生较轻微松动；第二阶段为强烈弯曲隆起阶段，弯曲部位显著扩容并出现剖面“X”剪节理，岩体进一步松动，局部产生崩落现象；第三阶段为剪切面贯通并发生滑坡。

中陡倾角且倾向坡外层状岩体边坡，因层面特别是层间错动带、挤压破碎带等原生结构面和构造结构面存在而构成潜在滑移面。在河谷下切过程中，边坡发生应力调整，在该过程中，外营力作用下发生风化、卸荷等物理地质现象会进一步加速潜在滑移面的贯通和形成。在边坡岩体自身重力作用下，滑移面的贯通和形成与边坡发生滑移～弯曲彼此相互促进，累进发展。滑移面的贯通和形成为中陡倾角且倾向坡外层状岩体边坡发生滑移～弯曲提供了条件，而边坡发生滑移～弯曲会进一步促进滑移面的贯通和形成。

通过数值模拟方法对顺向中陡倾角且倾向坡外层状岩体边坡进行研究发现：①坡体上部存在拉应力相对集中区；②破脚一带产生压应力相对集中区；③当坡体中存在软弱夹层或强度较低的千枚岩等地层时，坡体中剪应力集中现象更明显。从侧面说明，该类边坡坡体结构决定了其易发生滑移～弯曲变形；坡顶产生拉应力区为外营力改造坡体提供通道。外营力对坡体改造及软弱夹层存在会进一步促进边坡发生滑移～弯曲变形。

3 顺向河谷中陡倾角层状岩体边坡变形破坏特征

通过上述两个工程实例分析并结合笔者接触到的大量顺向河谷中陡倾角层状岩体且倾向坡外的边坡，该类边坡具有如下一些变形破坏特征：

1）顺向河谷中陡倾角层状岩体且倾向坡外的边坡发生滑移～弯曲变形破坏必然经过漫长的地质历史过程。在河谷下切后的漫长地质历史时期内，部分已经发生滑动并形成古滑坡，地表呈现出较明显滑坡地形地貌，主要表现为河流急剧转弯，岸坡常形成凸岸，坡体上圈椅状地形明显等。部分处于强烈弯曲隆起阶段，在边坡中下部地形常表现为“鼓肚皮”，并见大量近水平的张裂隙，地层产状变化明显。而大部分处仍于轻微弯曲阶段，边坡岩体变形特征不明显，在天然状态下较长时间内可基本保持稳定。

2）处于轻微弯曲阶段虽可基本保持稳定，但地震、爆破、工程开挖切脚及水库蓄水等均可能成为诱发因素，触发其从轻微弯曲阶段直接进入变形破坏阶段。

3）而一旦顺向河谷中陡倾角层状岩体且倾向坡外的边坡发生变形破坏，具有突发性、滑动速度高、规模较大、破坏力较强等特点并可造成重大人员伤亡及财产损失。

4 结语

1）通过较典型顺向河谷中陡倾角层状岩体且倾向坡外的边坡实例分析，探讨了该类边坡发生滑移～弯曲变形破坏模式及变形破坏特征。

2）顺向河谷中陡倾角层状岩体且倾向坡外的边坡发生滑移～弯曲是较普遍存在的。

3）顺向河谷中陡倾角层状岩体且倾向坡外的边坡发生变形破坏，其根本原因在于其特殊的坡体结构，地震、爆破、工程开挖切脚及水库蓄水等易成为其发生变形破坏的触发因素。

4）顺向河谷中陡倾角层状岩体且倾向坡外的边坡发生变形破坏，具有突发性、滑动速度高、规模大、破坏力强等特点。

5）该类边坡处于强烈隆起阶段或已发生滑动破坏，因地形地貌特征较明显，前期勘察易发现。但处于轻微弯曲阶段，因地层受构造及沉积环境影响，产状出现一定变化实属正常，测量本生亦存在一定误差，变形很难被发现，勘察中往往被忽略。

6）我国西部地区顺向深切河谷众多，山高坡峻，交通较落后，水电、矿产等资源丰富，而地质环境复杂且脆弱并具较高的地震及地质灾害危险性。开发西部地区水电及矿产等资源、进行基础设施建设必然触及大量顺向河谷中陡倾角层状岩体且倾向坡外的边坡，在勘察过程中必须对该类边坡予以足够的重视。

7）对该类边坡勘察，首先应对构成坡体结构的地形地貌、地层岩性、结构面等进行宏观把握，其次对坡体侧向及后缘切割面进行分析，最后应对轻微产状变化等细节进行认真分析判断。

[1] 宋胜武．汶川大地震工程震害调查分析与研究[M]．科学出版社，2009年：4~5，159~167．

[2] 钱七虎，陈士海．爆破地震效应[J]．爆破，2004，21（2）：1~5．

[3] 杨佑发，崔波．爆破震动速度峰值的预测[J]．振动与冲击，2009，28（10）：195~198．

[4] 张倬元，等．工程地质探索与开拓[M]．成都科技大学出版社，1996年.1：34~45．

[5] 王士天，等．复杂环境中地质工程问题分析的理论与实践[M]．四川大学出版社，2002年：130~137．

[6] 王兰生，等．地壳浅表圈层与人类工程[M]．地质出版社，2004年：1~8，193~203．

M odel and Characteristics of Slope Failure of Steep-Dipping Stratified Rock M ass in a Consequent Valley

LI Jin-yuan SHI Yu-bing
(Chengdu Hydroelectric Investigation & Design Institute, CHECC, Chengdu 610072)

The geological environment is very complicated in west China where steep-dipping stratified rock masses are well developed in consequent valleys which often results in slope failure. This paper makes an approach to the model and characteristics of this slope failure by two typical examples.

consequent valley; steep dipping stratified rock mass; slope failure

P642.2

A

1006-0995（2014）01-0104-05

2013-03-12

李进元（1969-），男，河北崇礼人，硕士，高级工程师，主要从事地质工程、岩土工程勘察及科研工作