岩质边坡浅表层改造蠕动破坏机理探索与稳定性分析*

谭 强，高明忠，魏进兵，何 鹏，2

(1. 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室(四川大学)，四川 成都 610065;2. 四川大学 水利水电学院，四川 成都 610065；3．四川大学 建筑与环境学院，四川 成都 610065)

边坡失稳是影响人类社会发展和经济进步的严重的地质灾害之一[1].特别在山区，边坡分布广、失稳事故频发、危害严重，在国内外的水利水电、矿山、公路铁路、城市环境等方面都造成了大量的灾难性事故，例如宜昌盐池河磷矿山体崩塌、天生桥二级水电站南产房边坡倾倒、美国Brilliant开挖边坡事故、秘鲁的Ghurgar岩崩等等[2].

众多学者从不同角度对边坡失稳机理及破坏模式进行了深入研究.黄润秋[3]调查研究了中国西部大量的边坡事故，得出了边坡变形的发生机理以滑动面的贯穿过程为主体，滑动面的形成及贯穿具有累进性破坏的特征.Richards[4]在研究加拿大Jeffrey矿山的边坡稳定性的问题时，揭示了在考虑渐进性破坏机制的条件下，也难以通过模拟的手段对边坡的响应规律进行科学预测.李天竞[5]根据某边坡的实际发生情况，研究了该滑坡随时间蠕变变形破坏规律.董辉等[6]尝试运用Boosting集成支持向量回归机的方法进行滑坡位移预测，但现实数据的时空复杂性以及SVR 本身自由度的选择困难使其在工程应用中难以达到预期水平.D. N. Sérgio等[7]则通过试验方法研究了不同渗透率的土体中孔隙水压力的产生及与之相应的坡体变形破坏模式.路为等[8]分析了岩质顺层边坡的平面滑移破坏模式，比较了层面倾角α与内摩擦角φ的不同大小关系时,滑移-拉裂型边坡和水力驱动型边坡产生沿层面的滑移破坏.任光明等[9]用离散元模拟分析了软弱基座型边坡的变性破坏过程.E. Hoek 和J. Bray[10]在研究厚层板状岩体倾倒变形破坏时,提出了“塞缝石”的概念,强调关键块体对整个岩体边坡稳定的控制作用.

目前的研究主要针对边坡失稳滑动的基本规律以及不同类型边坡事故的触动原因和破坏模式，对于边坡事故形成初期存在的蠕动过程鲜有具体细致的研究报道.以某滑坡为典型案例，将岩质边坡蠕动过程中的变形发展作为切入点，着重分析蠕动变形渐进过程最终致使边坡破坏的机理.同时评价该滑坡当前的稳定状态.研究成果诠释了蠕动变形致使滑坡失稳的基本原理，可为该滑坡的稳定性分析和防护工程设计提供参考和建议.

1 滑坡地质概况

研究滑坡为一在页岩内发育的中型平面切层岩质滑坡，滑体纵向长180～200 m，横向宽度85～110 m，上宽下窄，后缘最高高程和前缘最低高程相对高差129 m.该滑坡整体地势北低南高，呈上中略缓前缘较陡，滑体坡度30°～50°，前缘坡度达40°～50°.滑坡主滑方向NE15°，与河道近似垂直.滑坡后缘以拉裂隙及变形为界，左右缘以自然冲沟为界，其中上游左侧冲沟切割较深，可见顺坡向缓倾角结构面发育.滑坡面积2.0×104m2，滑体厚度12～20 m，最大可达21.5 m，滑坡体总体积18×104m3(见图1).

图1 滑坡边界示意图

1.1 区域构造及地形地貌

研究案例滑坡位于平溪河流域，平溪河流域处于龙门山褶皱带，南接扬子准地台，北东为牛峰包复背斜，西南为天井山复背斜.平溪河总体上为U型谷地貌，但上游沟段和支沟沟谷变化较大，纵坡较陡，河床纵坡比约为80‰～300‰，具陡涨陡落的山溪沟谷特征.平溪河下游段坡度较缓，纵坡比约为20‰～45‰，宽度略大，下游段谷宽50～100m左右.沟域岸坡以陡坡地貌为主，一般坡度35°～45°，地形临空条件发育，客观上具备崩塌、滑坡等不良地质现象发育的地形条件.

区域主要断裂构造及其活动性特征是涉及到断裂潜在发震构造评价、潜在震源区划分和地震构造区划等关键问题的重要基础内容之一.勘查区周边的龙门山属于中浅切割中低山区，断裂带运动相当强烈.北西向横切河谷发育，岭脊曲折，山峰尖锐，地形崎岖.由于片理、劈理较发育，软硬岩性常相间交替，故山坡地段常有崩坡积层分布，厚达数米至数十米.

1.2 地层岩性

地层岩性是滑坡发育的物质基础，也是滑坡研究和防治中首先考察的问题[11].勘查区地层由新至老分别为：1)第四系：人工填土层(Q4ml)主要成份为素填土，土黄色，松散，稍湿，成分复杂，以粘土为主，夹强风化页岩块石、碎石.冲洪积层(Q4al+pl)母岩主要成份为石英岩、砂岩、灰岩、板岩等.残坡积层(Q4el+dl)主要成份为中风化灰绿色页岩.崩坡积层(Q4col+dl)成份主要为碎石土，母岩成分主要为页岩，颗粒级配差、排列不均.2)石炭系：黄龙群(C2hn)：乳白色纯石灰岩、生物碎屑灰岩.总长沟群大塘组 (C1d)：乳白色纯石灰岩，偶夹砂叶岩.总长沟群岩关组 (C1y)：乳白色纯石灰岩，顶为铁质叶岩夹鲕状赤铁矿，底为白云岩.3)泥盆系：平驿铺组(D1p)岩性主要为灰白色中-厚层石英岩状砂岩、石英砂岩夹粉砂岩、粉砂质页岩.观雾山组(D2g)岩性主要为上部灰、灰白色中～厚层纯白云岩；下部石英砂岩、粉砂岩夹叶岩.4)志留系：龙马溪群(S1)岩性主要为灰绿色叶岩夹砂质叶岩及粉砂岩.罗惹坪群(S2)岩性主要为灰绿色叶岩、砂质叶岩夹灰岩或生物礁灰岩.沙帽群(S3)岩性主要为黄灰、砂质叶岩夹薄～中厚层石英细砂岩,底为瘤状泥质灰岩.5)奥陶系：谭家沟组+宝塔组(O2t+b)岩性主要为紫灰色龟裂纹灰岩、浅灰色细砂岩、钙质粉砂岩夹钙质页岩、薄层灰岩及含砂质带灰岩.

1.3 水文地质条件

滑坡区总体地形较陡，坡面不利于雨水聚积，坡面无塘、堰等地表水体.在滑坡体两侧均发育一自然冲沟，常年有水，多为地下水的排泄，坡脚河流为常年流水河流.

滑坡区地下水类型主要为基岩裂隙水.页岩的透水性较弱.基岩裂隙水主要接受大气降水补给，向坡脚河流排泄.滑坡区水文地质条件简单.

2 滑坡成因机制分析

该滑坡的形成与其所处的独特地质、地理环境有关.从地质上讲，滑坡处于向斜一翼，造成岸坡岩体破碎；从地理上讲，滑坡区地处平溪河侵蚀段，河流侵蚀作用为滑坡的发生提供了几何条件及前缘临空条件；而区域强地震和高落差为滑坡的发生提供了动力条件.变形破坏模式的研究是基于现场实地调查的边坡表层破坏现象和变形特点进行的.

2.1 浅表生改造

工程区表生蠕动改造在很大程度上控制了岩基一定深度范围内岩体的工程地质特性，甚至控制了岩体后期的时效变形形式.从滑坡体表面上看，岩体被错综分布的结构面切割，但钻孔或勘探所揭露的较深部岩体却有较高的完整程度，地表露出的宽大缓倾角岩层，进入到山体内部后，逐渐退化为大倾角层面.这类表生改造[12]是结构面后期性状的决定因素，经此类改造结构面强度已从峰值降为残余值，从而为进一步重力时效变形的发生奠定了基础.

图2和图3为滑坡体历史表生蠕动改造过程机理：页岩相对较软，针对该边坡地质条件，当倾角为70°时，即可启动变形，在重力作用下岩层逐渐连续向临空方向鼓胀弯曲(图2(b))，岩层变得陡立，随后岩层发生倒转(图4)，在曲率较大时局部应力集中，岩层破裂、倾倒，表层失稳下滑(图2(c))，导致前缘岩层近水平，出现松动破碎、强度降低现象，进而形成崩塌或滑坡.根据声波数据测算下滑区厚度约10 m，但影响深度为20 m.在继续表生改造过程中，这种表生改造周而复始(图2(d))，每次下滑厚度约10 m，但潜在危害深度为20 m，每次下滑结果便形成不同规模的滑坡，计算得出平均滑坡坡面积为2.0×104m2，方量约为9.5×104m2.

图2 滑坡形成机理示意图

滑坡区的基本地貌形态在表生蠕动改造过程中已初步形成，由于地震等因素作用，滑坡体发生了局部变形下滑，整体存在潜在滑动趋势.

2.2 缓倾角结构面控制的平面滑坡

滑坡的倾向为15°左右，坡度约为30°～50°.滑坡区地层主要由第四系崩坡积层(0～2 m)与基岩组成，基岩主要为志留系的页岩，岩性较软，岩层产状为354°∠77°.充分利用滑坡现场地形地貌优势，特别是上、下游冲沟出露结构面及钻孔揭露结构面，进行结构面调查.绘制工程区结构面产状极点等密图(见图5).从结构面等密图可以看出，在工程区主要优势结构面有3组，Ⅰ 组结构面最为发育，产状为330°～358°∠47°～60°，约占统计数的22%，从成因上分为页理层面和构造结构面；Ⅱ 组结构面产状为340°～359°∠27°～34°，约占统计数的18%，为次生结构面，发育程度仅次于Ⅰ 组结构面；Ⅲ 组结构面产状为49°～66°∠54°～65°，约占统计数的14%，为构造结构面.根据统计结果，3组主要结构面在统计范围内总体占到54%，优势明显，其余为随机节理，占统计数的46%.可以认为与工程区结构面发育趋势基本一致.

图3 表生改造机理

图4 出露岩层倒转

图6中I组结构面产状为350°∠52°，与岩层产状354°∠77°相近，基本特征为顺坡陡倾角裂隙，平直光滑，多充填岩屑，与坡面斜交且倾角大于滑坡角，对滑坡整体稳定影响不大.II组结构面产状为350°∠31°，顺坡缓倾角裂隙，赤平投影显示此组裂隙的倾向BO与滑坡倾向MO斜交，走向交角为25°，小于30°，坡面赤平投影线被II组结构面包含，对滑坡稳定不利.Ⅲ组结构面产状为57°∠60°，与滑坡斜交，赤平投影显示此裂隙倾向为CO方向，与斜坡面走向斜交角为42°，且倾角大于坡角，对滑坡稳定影响不大.从3组结构面与坡面组合来看，I组结构面与II组倾向接近，II组与III组结构面组合交线位于滑坡面投影之外(同侧)，离圆心较远，说明组合交线倾角小于滑坡角，对滑坡稳定不利，有引起小规模楔形体破坏的可能；I组与III组结构面组合交线虽位于坡面同一侧，但位于坡面内侧离圆心较近，说明组合线倾角大于滑坡倾角，岩体缺乏沿上述结构面的组合面滑移的空间条件.从工程地质角度分析，II组结构面以及II组结构面与III组的组合对滑坡的稳定性有一定的影响，整体滑坡存在安全隐患.

图5 结构面产状等密图

图6 优势结构面与坡面组合赤平投影图

滑动面沿单一平面发生滑动通常需要满足：①滑动面的走向必须与坡面平等或接近平行(约在±20°的范围之内)；②破坏面必须在边坡面出露，就是说它的倾角必须小于坡面的倾角；③坡坏面的倾角必须大于该面的摩擦角；④岩体中必须存在对滑动仅有很小阻力的解离面，它规定了滑动的侧面边界.为进一步确定滑坡滑动模式，通过极点分析快速判断失稳模式见图7，图中数字加“#”代表结构面组号，“数字+数字”代表两组结构面交线极点.不难看出2#号落入滑动区，为平面滑动，其它结构面及结构面组合均未落入滑动不稳定区和倾倒不稳定区.

图7 通过极点分析快速判断失稳模式

缓倾角倾向坡外的II组结构面在滑坡岩体内发育，产状为350°∠31°，赤平投影显示坡面被II组结构面包含，为一剪切结构面，结构面较为平直，延伸长度较长，可见延伸长度大于7 m，结构面大部分呈微张～张开状，张开度约为5 mm，在上、下游冲沟均有表现.局部由于卸荷作用张开度大于10 cm，如在河谷附近.局部表面附有红褐色铁锰质浸染，结构面里无充填或少充填.

根据现场调查结构面产状分析得知，裂隙规模不大，成断续分布，未贯通，边坡变形破坏模式大致可以分为大规模的平面切层滑动(见图8)和小规模的楔形体破坏等.其滑动机理为Ⅱ组结构面控制的岩质滑坡，剪出口位置位于河床附近，滑坡面积2.0×104m2，方量约24×104m3.由于滑坡体的变形，在滑坡体上发现大量植被变形与水平拉裂隙，裂隙长约6 m，宽20 mm；滑坡体后缘以错台及拉裂隙为界.左、右侧边界以上下游冲沟为界，在右侧冲沟有明显岩体错动痕迹，证明滑坡已发生过变形；左侧冲沟发育有大量缓倾角裂隙及边界裂隙，更进一步圈定了滑坡的影响范围.

图8 切层滑动

通过以上分析，滑坡潜在失稳模式有两种：浅表生改造和缓倾角结构面控制的平面滑坡.前者影响深度有限，推测历史上曾有发生，目前地貌即为浅表生改造的结果，根据地质条件及环境的不同，将可能导致不同规模类似牵引式滑坡.后者滑动机理为受缓倾角结构面控制的平面滑坡，特征更明确，且有两侧冲沟及钻孔资料作为佐证，滑坡边界显著.

3 滑坡体稳定性评价

3.1 计算工况

根据《滑坡防治工程设计与施工技术规范DZ/T 0219-2006》，工程等级为I等，抗滑安全系数应不小于：①工况I，自重：1.20～1.40；②工况II，自重+地下水：1.10～1.30；③工况III，自重+暴雨+地下水：1.02～1.15；④工况IV，自重+地震+地下水：1.02～1.15.

结合地质调查情况(图9)，根据反演的滑动面抗剪强度参数，计算滑坡在不同工况下的安全系数，如安全系数不能满足规范要求，提出加固措施建议并计算加固后的安全系数.由于该滑坡地形较陡，坡面不利于雨水聚积，坡面无塘、堰等地表水体，水位线位于滑体以下，因此计算未考虑工况II，自重+地下水.对于工况IV，工程区地震烈度以滑坡在5.12汶川地震中的稳定性状况作为反演的依据.

3.2 计算分析与评价

根据室内结构面残余强度试验，反演确定出抗剪强度参数c=20 kPa，φ=31.5°.采用Morgenstern-Price[13]极限平衡方法进行二维稳定性计算，计算模型见图10.滑坡在天然状态下的稳定性评价考虑持久状态、短暂状态和偶然状态.持久状况为正常工况，荷载组合为基本荷载自重；短暂状态考虑暴雨；偶然状况为基本组合+地震荷载，地震加速度取为0.15 g(地震烈度为Ⅶ度).

强度折减法采用非线性数值分析程序FLAC3D对该滑坡进行计算模拟，计算剖面与极限平衡一致，有限元计算模型见图11，共剖分3 838个结点，2 762个单元.模型中将滑坡材料划分为滑体、滑带和基岩3类.计算分两步进行，第一步计算滑床(基岩)、滑体和滑带在重力作用下的弹性变形和应力，作为初始状态；第二步将弹性变形清零，将滑带的材料属性变更为弹塑性，模拟变形和破坏发展过程.滑带使用理想弹塑性本构模型，Mohr-Coulomb[14]屈服准则；滑体和滑床使用线弹性模型.计算参数见表1.

水平距离/m

图10 极限平衡法计算模型

图11 强度折减法计算模型

表1 强度折减计算参数

经过二维极限平衡法和强度折减法计算，滑坡在持久状况、短暂状况和偶然状况下的安全系数相当，各约为1.10，1.03和0.95.与规范要求的1.20～1.40，1.02～1.15和1.02～1.15有一定差距，需要采取相应的处理措施.

3.3 加固治理措施

建议锚索+格构对滑坡进行治理.支护范围为公路高程(约515 m)至575 m，预应力锚索的锚固力1 500 kN，间、排距5 m ，锚索俯角15°.加固后计算模型见图12.

图12 加固后计算模型

表2是采用极限平衡法计算不同工况下加固前和加固后的安全系数.由计算结果可见，加固后安全系数总体能满足规范要求.表3是采用强度折减法(加固中的锚杆和锚索选用Cable单元模拟)计算不同工况下加固前和加固后的安全系数.该滑坡受结构面控制，在偶然地震工况下，加固效果明显.最大位移大幅降低，达到工程要求限值.模拟结果说明地震对该滑坡的安全影响极大.

表2 极限平衡法安全系数计算成果

表3 强度折减法安全系数计算成果

加固后各安全系数均得到提高，满足规范要求.二维极限平衡法与强度折减法的计算成果基本一致，表明计算成果及加固措施是合理的.

4 结 论

该岩质边坡事故形成机制主要受控于以下两个因素：①浅表生改造；②缓倾角结构面控制的平面滑坡.滑坡在表生蠕动改造过程中形成基本的地形地貌，在缓倾角结构面发育过程中发生整体破坏.边坡变形破坏分为大规模的平面切层滑动和小规模的楔形体破坏.

采用二维极限平衡法及强度折减法对滑坡稳定性进行综合评价、复核，二者结果相当：滑坡在持久状况、短暂状况和偶然状况下的安全系数均不满足规范要求.

建议锚索+格构对滑坡加固，支护范围为公路高程至575 m，建议预应力锚索的锚固力1 500 kN，间、排距5 m ，锚索俯角15°.加固后滑坡在3种状况下的安全系数均满足规范要求.

[1] 李晓,李守定,陈剑，等. 地质灾害形成的内外动力耦合作用机制[J]. 岩石力学与工程学报,2008,27(9):1792-1806.

LI Xiao, LI Shou-ding, CHEN Jian,etal. Coupling effect mechanism of endogenic and exogenic geological processes of geological hazards evolution[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008,27(9):1792-1806.(In Chinese)

[2] 谭儒蛟,杨旭朝,胡瑞林. 反倾岩体边坡变形机制与稳定性评价研究综述[J].岩土力学,2009,30(2): 479-484.

TAN Ru-jiao, YANG Xu-zhao, HU Rui-lin. Review of deformation mechanism and stability analysis of anti-dipped rock slopes[J]. Rock and Soil Mechanics,2009,30(2):479-484.(In Chinese)

[3] 黄润秋. 中国西部地区典型岩质滑坡机理研究[J]. 地球科学进展,2004,19(3):443-450.

HUANG Run-qiu. Mechanism of large scale landslides in western China[J]. Advance in Earth Sciences,2004,19(3):443-450.(In Chinese)

[4] RICHARD L. Case examples of rock mechanics principles used in rock engineering. comprehensive rock engineering[M].[S. l.]．London:Pergamon Press, 1993:691-718.

[5] 李天竞. 边坡蠕变失稳研究[J]. 贵州工业大学学报, 2007, 37(1): 101-104.

LI Tian-jing. Study of the slope stability resulted from creeping[J]. Journal of Guizhou University of Technology,2007,37(1):101-104.(In Chinese)

[6] 董辉,傅鹤林,冷伍明,等. Boosting 集成支持向量回归机的滑坡位移预测[J]. 湖南大学学报:自然科学版,2007,34(9):6-10.

DONG Hui, FU He-lin, LENG Wu-ming,etal. Boosting ensemble of support vector regression for landslide prediction[J]. Journal of Hunan University: Natural Sciences,2007, 34(9):6-10.(In Chinese)

[7] SÉRGIO D N, LOURENÇO K S, HIROSHI F. Failure process and hydrologic response of a two layer physical model:Implications for rainfall-induced landslides[J]. Geomorphology,2006,73(1/2):115-130.

[8] 路为,白冰,陈从新. 岩质顺层边坡的平面滑移破坏机制分析[J]. 岩土力学,2011,32(2):204-207.

LU Wei, BAI Bing, CHEN Cong-xin. Analysis of mechanism of plane sliding failure for bedded rock slopes[J]. Rock and Soil Mechanics,2011,32(2):204 -207. (In Chinese)

[9] 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.

REN Guang-ming, SONG Yan-hui, NIE De-xin,etal. Study of deformation and failure process of soft foundation slope[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2003,22(9):1510-1513. (In Chinese)

[10]HOEK E, BRAY J. 岩石边坡工程[M]. 卢世宗,李成村,夏继祥等译. 北京:冶金工业出版社,1983:183-193.

HOEK E, BRAY J. Rock slope engineering[M]. Translated by LU Shi-zong, LI Cheng-cun, XIA Ji-xiang,etal. Beijing:China Metallurgical Industry Press,1983: 183-193.(In Chinese)

[11]吴玮江,王念秦. 黄土滑坡的基本类型与活动特征[J]. 中国地质灾害与防治学报,2002,13(2):36-40.

WU Wei-jiang, WANG Nian-qin. Basic types and active features of loess landslide[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control,2002,13(2): 36-40.(In Chinese)

[12]李天斌,王兰生. 岩质工程高边坡稳定性及其控制[M]. 北京:地质出版社,2008:34-50.

LI Tian-bin, WANG Lan-sheng. Stability and control of high rock engineering slopes[M]. Beijing:Geological Publishing House, 2008: 34-50.(In Chinese)

[13]陈祖煜. 土质边坡稳定分析——原理·方法·程序[M]. 北京:中国水利水电出版社,2003:41-56.

CHEN Zu-yu. Soil slope stability analysis—theory, methods and programs[M]. Beijing:China Water Power Press,2003:41-56.(In Chinese)

[14]Itasca Consulting Inc. User’s manual (version 3.0) of FLAC3D[R].Itasca Consulting Group Inc,2005:12-58.