红砂岩边坡降雨入渗变形机理分析

余靖辉， 付　敏， 穆　程， 王　博

(1.湖南省永龙高速公路建设开发有限公司， 湖南 永顺　416700；　2.湖南省交通规划勘察设计院， 湖南 长沙　410008)



红砂岩边坡降雨入渗变形机理分析

余靖辉1， 付敏2， 穆程2， 王博1

(1.湖南省永龙高速公路建设开发有限公司， 湖南 永顺416700；2.湖南省交通规划勘察设计院， 湖南 长沙410008)

[摘要]为详细研究湘西红层边坡在降雨入渗作用影响下的变形机理，在收集已有资料的基础上对湘西红砂岩的特性进行了归纳总结，分析了红层边坡在不同变形阶段时的降雨入渗机理。表明：坡体在不同变形阶段其渗透系数大小不同；渗透系数差异决定了坡体变形破坏的形态；随着含水量的增加，软弱夹层的C、ф值也随之下降，最终达到残余强度；随着地下水位的升高，坡体的安全系数也随之下降。结合朱雀洞滑坡的治理，说明对小型坡体进行预加固、大的坡体可采用排水廊道措施，可以确保工程的安全经济，为类似边坡的勘察设计提供参考。

[关键词]红砂岩； 降雨入渗； 地下水； 朱雀洞滑坡； 排水廊道

1红砂岩及其特性

本文所指红砂岩主要是指湘西南地区广泛存在的侏罗系、白垩系、第三系的内陆相，红色岩层和第四系的“红化”沉积物，包括泥岩、砂质泥岩、泥质砂岩、砂岩及页岩等，因其铁质氧化物含量高，多呈红色、深红色或褐色，统称“红砂岩”[1]。

该类岩体受构造运动影响严重，其边坡主要工程地质特性为[2]： ①呈层状，且有岩性不均、软硬互层的特征(见图1)。红砂岩体主要由砂岩泥岩、泥岩砂岩、粉砂岩等组成，且多呈互层状，单层厚度变化多在10 cm～3 m左右，地层在岩性上有明显的不均匀性。 ②受构造运动作用影响，岩体内节理裂隙发育，节理发育，易风化，易崩解。层面节理较发育，节理与层面大角度相交，多微张，主要以泥质胶结物为主，局部可见硅质胶结。 ③岩层在褶皱与倾斜过程中，层间相对运动所形成的岩屑在地下水的浸泡下易泥化，成为坡体内的软弱夹层，该夹层具有粘聚力低，内摩擦角小的特点，特别是在含水量变化的情况下，夹层的黏聚力及内摩擦角急剧变小[3](见图2)。 ④多为单斜状，且岩层倾角较缓，多在5°～30°左右，边坡岩体破碎，地下水易沿节理裂隙下渗。

图1　红砂岩边坡特点Figure 1　Characteristics of red sandstone slope

图2　红砂岩泥化夹层抗剪强度—含水量变化关系　　　(据张可能)Figure 2　The relationship between the shear strength and the 　　　water content of the red sandstone(By Keneng Zhang)

2红砂岩边坡降雨入渗机理

降雨入渗主要指大气降雨由地表渗入到下伏土体、岩体以致饱和带的阶段性过程，地下水的运动规律一般服从达西法则。一次降雨补充到地下水的水量与该次降雨量的比值称为次降雨入渗补给系数，影响该系数的因素主要有：土壤性质、地形地貌、植被覆盖、降雨强度、降雨时空分布、雨前地下水埋深及其它人为因素。

2.1边坡特征

谷德振教授将地质体的水文地质结构类型划分为六类，孙广忠先生将前6类归纳为：统一含水体、层状含水体、脉状含水体及管道含水体等四类[4]。根据红砂岩地质特点，笔者认为该类地层边坡的水文地质结构类型主要为层状含水体和脉状含水体两类的组合。随岩体埋深的增加，结构面的密度和张开度相应减小，所以岩体的渗透性也随深度增加而减小。

陈志坚[5]，将层状岩体的岩性分为四类：互层状薄层软、硬岩组合体；互层状中厚层、厚层软、硬岩组合体；厚层、中厚层硬岩夹薄层软岩组合体；厚层、中厚层软岩夹薄层硬岩组合体。根据岩体中软弱夹层、裂隙等结构面的分布规律，厚～中厚层状硬岩夹薄层状软岩组合体透水性强。

软岩边坡岩体变形强度与其本身强度有关，实验结果表明[6]，在单轴压缩下，岩质较软的泥岩，其破坏形式为具有塑性特征的剪切破坏，粉砂岩为剪切破坏，细砂岩为脆性剪切破坏，并带有纵向劈裂。

2.2覆盖层的作用

红砂岩边坡的覆盖层一般主要由残坡积黏土夹碎石组成，其厚度一般在1～10 m左右，具有孔隙率大、结构松散、透水性好等特征。降雨多以孔隙水形式储存在覆盖层中，并向下伏基岩以垂直入渗方式进行补给，当覆盖层下伏强、中风化基岩节理裂隙发育时，孔隙水会将覆盖层中细小的黏粒淋滤到节理裂隙中，起到“封堵”裂隙的作用，而裂隙中的黏粒在湿热交替环境中，会产生胀缩，对岩体产生“劈裂”作用，产生新的裂隙，进一步降低岩体的完整性。

3红砂岩边坡降雨入渗的作用

3.1红砂岩边坡不同阶段的降雨入渗情况

根据红砂岩边坡的入渗补给系数不同，结合边坡的不同变形阶段，可将红砂岩边坡降雨入渗特点归结为以下几点：

稳定边坡降雨入渗：此时坡体岩体完整性相对较好，节理裂隙多闭合，岩体的渗透性小，岩体的渗透性为微～弱透水性，渗透系数10-6～10-4cm/s，单次降雨入渗补给系数K0随降雨量的变化不大。

极限稳定阶段的降雨入渗：岩体内节理裂隙逐渐张开，覆盖层出现细小裂缝，岩体的渗透性为弱～中透水性，渗透系数10-5～10-3cm/s，此时坡体的次降雨入渗补给系数K1随降雨量、坡体的变形量呈逐渐增大的趋势。

滑移变形阶段的降雨入渗：在该阶段，坡体表面出现张拉裂缝、岩体内部的节理裂隙逐渐拉张，随后被剥蚀的岩石碎片或黏粒充填，使裂隙的抗剪强度降低[7]，岩体渗透性为强～极强透水性，此时的次降雨入渗补给系数为K2，相对K1急剧增大。随着大量的水进入坡体，坡体内的泥化夹层在水软化的作用下，强度急剧下降，导致坡体变形加速，变形的结果又会导致入渗量的增加，从而形成恶性循环。

滑移后稳定阶段的降雨入渗：此时坡体变形趋于稳定，该阶段降雨将覆盖层的黏粒淋滤到基岩裂隙中，且岩体本身在水浸泡的作用下会产生崩解、软化，节理裂隙渐渐被泥质填充，岩体渗透系数降低，此时沿节理方向的次降雨入渗补给系数K3将会逐渐降低。

对比这四种类型的入渗补给系数，有如下关系：K2>K3>K1>K0。

3.2降雨对边坡地下水的影响

降雨会导致坡体内地下水位升高，在坡体内形成静水压力及扬压力。由于红砂岩本身具有成层性，根据前人研究[8、9](见图3)，沿层面渗透系数大于垂直层面的渗透系数，当岩层倾向坡内时，反向坡的渗透系数高于顺坡向节理组的渗透系数，此时坡体内的地下水位较高，坡面附近的水压增大，顺坡向的节理裂隙中静水压力大，会产生“劈裂”作用，此时坡体会形成台阶状滑坡(见图3(a))；当岩层陡倾且顺坡向时，沿层面渗透系数远大于倾向坡内的节理组渗透系数，层面静水压力高，易使岩体沿层面产生外倾，形成溃曲或崩塌破坏，在坡体内形成折线破坏面；当岩层顺坡向缓倾角时，地下水易从坡面沿岩层层面渗出，坡体内地下水位面近平行层面，一旦开挖形成临空面，则会产生顺层滑坡(见图3(c))。此外，如坡脚处有自由水面，坡体内的地下水位面易受坡外水面变化的影响。

图3　不同渗透系数-岩层倾角下坡体地下水及破坏情况Figure 3　Ground water and damage of rock slope with 　　　different permeability coefficient

3.3降雨对红砂岩边坡岩体力学性能的影响[1]

红砂岩的主要矿物成分为蒙脱石、伊利石和高岭石等碎屑矿物，具有比表面积大、亲水性强、浸水时膨胀、软化的特点。蒙脱石矿物的结构单位层间为氧—氧联结，其键力很弱，易为具有氧键的强极化水分子楔入所分开。其八面体中的铝离子Al4+常为低价的其它离子(如镁Mg2+)所置换，在八面体浅层面上出现多余的负电荷，从而吸附水中的阳离子，使极化水分子成为水化阳离子，进入结构单位层间使层间距离增大而呈现较大的膨胀等工程特性。此外，铁质矿物也易因磁作用而导致风化，并可能引起软质红砂岩的膨胀和破碎。此外，红砂岩的沉积构造也将影响其崩解特性，层面和层理形成弱面，水较易沿弱面产生软化带，并被吸入到该结构空隙形成粒间水而导致岩体膨胀，岩石中的裂隙在反复干湿过程中也为岩石的崩解提供了条件。岩石愈弱，裂隙的频率一般也愈高，干燥过程中，由于负的孔隙水压力导致的孔隙水压力梯度，使岩石破裂成多边形，这种干裂与已有裂隙、纹理在侵蚀引起的应力释放效应下，可在数月内迅速将大部分岩石崩解成块状集合体，其崩解时间随干湿频率及岩石的矿物成分和结构的不同而不同。

3.4地下水对软弱夹层力学性能的影响

水对坡体稳定性影响主要体现在以下几个方面：降低滑面处的有效应力；在滑坡后缘产生静水压(推)力；降低滑带土体强度；降低坡体土体渗透系数。

水的浮托作用降低了滑体在滑面处的有效法向应力，从而降低滑面的抗滑力。坡体的变形，在坡体后缘产生张裂缝，张裂缝中水的压力水深度呈线性增加，其作用在滑体后缘的合力沿斜面向下，同时在岩体与张裂缝交界面处对岩体产生上举力u(见图4)降低该部位有效法向应力，计算公式如式(1)所示。

图4　裂隙水作用图Figure 4　Effect of fissure water

τ=c+(σ-u)tanφ

(1)

水对岩体不连续面的粘结和摩擦性能的影响取决于充填物和胶结物的性能。充填物为砂质土或者砾石时，其土体强度c、φ值不会受到水的影响；

但是粘粒含量较大的充填物，在水的作用下，土体的c、φ值随土体水含量的多少而有很大的变化(见图2)；当充填物为断层泥或粘土时，其渗透系数比坡体岩体低三到四个数量级，使得地下水滞留在岩体内，对坡体稳定性产生不良影响。从表1中的示例可以看出：坡体内地下水位每上升3～4 m，坡体的安全系数降低约0.1，可见，坡体内地下水对坡体的稳定性有很大的影响。

表1 水位升降对坡体安全系数的影响(理正岩土计算)Table1 Effectofwaterlevelonthesafetyfactoroftheslope(Lizhenggeotechnical)结构面参数粘聚力/kPa6内摩擦角/(°)9水位标高/m272.9274.9276.9278.9安全系数0.960.9430.8800.803

4工程实例介绍

4.1工程概况[10]

朱雀洞滑坡位于泸溪县潭溪镇朱雀洞村，属于构造剥蚀的丘陵区，坡顶高程282 m，坡脚高程125 m左右，斜坡坡度10°～20°。坡脚为丹青河，此段河道呈U型拐弯。高速公路位于河流冲刷岸的山体中部，路基距离河道170～270 m，距山顶200～250 m，路线所在的山坡位于河流弯道的冲刷岸。该段坡体覆盖层厚度较小，约0～3 m，下伏基岩为白垩系上统(K2)中厚层状钙质砂岩与钙泥质粉砂岩、粉砂质泥岩互层，各岩性单层厚度一般2～4 m。

该段坡体于2007年7月份，因持续降水及洪水骤涨淘蚀河岸发生了大型山体滑坡(见图5)，滑体前缘冲入丹青河造成河道阻塞形成堰塞湖，2007年8月疏通河道后，河床高度抬升至127～130 m。

图5　朱雀洞滑坡全景图Figure 5　Landslide panorama of zhouquedong

根据钻探及地质调绘，该滑坡为一典型的牵引式滑坡，滑动面的埋深主要表现为后浅前深，滑坡后部滑面埋深约0～11 m，上部边坡滑床已经出露；滑坡前部滑面埋深13～20 m。

滑坡体的剪出口位于滑坡发生前的丹青河岸边，根据调查，滑坡剪出口的标高约124～125 m，基本平原河床，为滑坡的滑动源。表2为各勘探剖面在不同水位时安全系数计算情况。

表2 各剖面参数验算情况Table2 Checkingcalculationofparametersofeachsection计算断面安全系数下滑段抗剪强度抗滑段抗剪强度常水位高水位粘聚力C/kPa内摩擦角ϕ/(°)粘聚力C/kPa内摩擦角ϕ/(°)B-B’1.1460.8487141925C-C’1.2710.9667141925D-D’1.1280.9567141926E-E’1.0480.9147141926F-F’1.0210.9877141926

4.2降雨入渗在该滑坡中的作用

降雨入渗在该滑坡形成的过程中起到的作用有以下几点：

① 内部作用。降雨沿浅部较破碎强风化岩体中垂直的节理裂隙下渗，在相对完整的岩体上层蓄积，顺层向的排水通道不能及时的将雨水排出，坡体内的地下水不断蓄积，从而形成浮托力、静水压力及扬压力。同时地下水对岩体内的节理裂隙、层里面填充物也起到软化作用。

此外，坡体在产生滑坡之前由于连续降雨已经产生变形，致使坡体内部节理裂隙逐渐张开，坡体渗透性急剧增大，为降雨入渗形成了有利的条件。

② 外部作用。该段自然坡体坡脚为丹青河，河水流量具有典型的山区河流的特点，暴雨季节水量骤涨，直接冲切、掏蚀坡体前端凹岸坡脚，形成临空面；河流水位的抬高，反过来也补给坡体内的地下水，也对坡体前部岩体造成浸泡作用。

③ 施工影响。发生滑移前，坡体中后部的路基已经填筑成型，但排水措施尚未全部完成，该段路基对坡体中后部的渗流场形成一定的影响，同时由于排水施设尚未发挥作用，从而路堤本身则成为一“土坝”。

4.3防护及处治措施

综合滑坡产生的原因，经过多次分析论证，最后对该滑坡提出的处治措施如下：抗滑桩+排水廊道+浆砌片石挡墙。

排水廊道的设置主要是为了降低坡体内的地下水位，从而降低水对坡体稳定性的不良影响。

排水廊道施工过程中便可见坡体内地下水下渗(见图6)，施工完成后，坡体内仍有大量的水渗出(见图7)。由次可见：排水廊道起到了预期的作用。

图6　施工过程中廊道内泄水情况

Figure 6The discharge

of the corridor in the

construction process图7施工完成后廊道口排水情况

Figure 7After the completion of construction of corridor crossing drainage

5结论及建议

红砂岩由于其独特的工程地质特性，在该类地层的边坡尤其是顺向坡应特别重视；

根据坡体变形的不同阶段，其降雨入渗系数有所不同，加速变形阶段其次降雨入渗系数大；

在不同岩层倾向的坡体中，地下水位是不一致的，并对坡体的变形起到一定的影响；

降雨入渗既能软化坡体岩体，又能对坡体内的软弱夹层产生软化作用，随着含水量的增加，软弱夹层的抗剪强度急剧降低；

该类型的滑坡处治过程中，应对地下水的作用进行重点研究，制定针对性的截排水措施，降低坡体地下水位，确保工程安全的同时，又能有效的节约工程造价。

[参考文献]

[1]中华人民共和国区域地质调查报告芷江幅1：200000.G-19-Ⅱ地质部分[R].湖南省革命委员会地质局区测队，1973.

[2]付敏.湘西红砂岩边坡施工过程稳定性分析及监测技术应用研究 [D].长沙：中南大学，2006：7-9.

[3]张可能，周斌，彭环云，等.湘西高速公路红砂岩工程特性及边坡稳定分析[J].南华大学学报：自然科学版，2009，23(3)：5-9.

[4]孙广忠，孙毅.岩体力学原理[M].北京：科学出版社，2011：39.

[5]陈志坚.层状岩质边坡地下水分布特征及其控稳作用[J]，河海大学学报，2001，29(1)：107-110.

[6]程强.红层软岩开挖边坡致灾机理及防治技术研究 [D].成都：西南交通大学，2008：54-57.

[7]P.B 阿特维尔，I.W.法墨.工程地质学原理[M].北京：中国建筑工业出版社，1982：439.

[8]E.Hoek J.W.Bray，(卢世宗等译)岩石边坡工程[M].北京：冶金工业出版社，1983：9-10.

[9]袁绍国，杨万根.边坡岩体裂隙水渗流的计算机模拟[J].中国矿业，1995，20(4)：47-49.

[10]湖南省交通规划勘察设计院.湘西自治州朱雀洞滑坡治理工程工程地质勘察报告[R]，长沙：湖南省交通规划勘察设计院，2008.

Deformation Mechanism of Red Sandstone Slope at Rainfall Infiltration

YU Jinghui1， FU Min2， MU Cheng2， WANG Bo1

(1.Hunan Province Yonglong Highway Construction & Development Co.Ltd.Yongshun， Hunan 416700， China；2.Hunan Provincial Communications Planing， Survey & Design nistitute， Yongshun， Hunan 416700， China)

[Abstract]In study of the deformation mechanism of red-sandstone slope at rainfall infiltration influence in the western of Hunan，base on existing data collection and the characteristics of the red sandstone were summarized，analyzed deformation mechanism in different stages of rainfall infiltration.Indicate that：The permeability coefficient of slope is different in different deformation stages，the difference of permeability coefficient determines the shape of slope deformation and destruction，with the increase of water content，weak inter-layer C，ф value also decreased，and ultimately achieve the residual strength.Along with the rise of the groundwater level，the safety factor of the slope also decreases.Combined with the Zhu-que-dong landslide governance，illustrate the drainage corridor measures to ensure the safety and economy of engineering in small or large slope pre-reinforcement or reinforcement.Provide a reference for the similar slope survey and design.

[Key words]red-sandstone； rainfall infiltration； groundwater； landslide of zhouquedong； drainage corridor

[中图分类号]U 416.1+4

[文献标识码]A

[文章编号]1674—0610(2016)02—0221—05

[作者简介]余靖辉(1972—)，男，湖南岳阳人，高级工程师，主要从事高速公路建设与管理工作。

[收稿日期]2016—01—08