上硬下软结构斜坡的失稳模式及机理研究<br/>--以四川李家寨危岩崩塌为例

上硬下软结构斜坡的失稳模式及机理研究
--以四川李家寨危岩崩塌为例

2016-08-23杨春光湛丹

地球 2016年7期

关键词：卸荷节理山体

■杨春光湛丹

（河北省地矿局第二地质大队河北唐山063000）

上硬下软结构斜坡的失稳模式及机理研究
--以四川李家寨危岩崩塌为例

■杨春光湛丹

（河北省地矿局第二地质大队河北唐山063000）

上硬下软结构斜坡的失稳模式和机理，一直是工程地质研究领域的热点问题。这类斜坡往往上部为灰岩、砂岩等硬脆岩层，下部为页岩、泥岩等软弱岩层，在长期的卸荷、风化等作用下，斜坡被节理切割，容易失稳。本文以李家寨山体斜坡为例，对上硬下软结构斜坡的失稳模式和机理进行研究，结果表明，这类斜坡主要以倾倒式和滑移式崩塌两种模式失稳破坏。由于长期卸荷及风化作用，在斜坡体内发育两组平行和垂直于坡面的节理，加上差异风化在软硬岩接触部位发育的凹腔，岩体被切割成独立于母体的危岩体。另外，降雨通过后缘节理裂隙渗入坡体内，产生近似水平向和垂向的静水压力，增加了危岩体的下滑力、减小了抗滑力，在这些因素的综合作用下，斜坡失稳。

上硬下软地层斜坡失稳模式失稳机理静水压力

1　引言

上硬下软结构岩质斜坡的破坏模式和失稳机理，是目前工程地质研究的热点问题[1]。对于这类地层结构边坡的失稳模式和机理研究，目前成果较多，殷跃平认为上部硬岩中富水而下部软岩隔水的水文地质结构是斜坡失稳的关键；刘传正认为上部厚层硬质岩石、下伏相对软弱层组成的上硬下软地层结构条件下斜坡易发生崩塌破坏。上硬下软结构岩质斜坡形成危岩体和发生崩塌灾害的例子较多。比如，三峡库区链子崖危岩体上部是硬质的灰岩、下部相对软弱的煤系地层；贵州关岭大寨崩塌-滑坡上部为灰岩、白云岩，中部为相对较缓的砂岩地层，下部为局部含煤的页岩、泥岩地层，总体为上硬下软结构；胡斌等认为上硬下软边坡崩塌形成的主要原因是由于差异风化在下部软岩部位形成凹腔，导致上部硬岩产生拉裂并逐渐贯通，而陈洪凯等[8]以三峡库区危岩下部岩腔内常见的泥岩为例，探索了区别于差异风化的泥岩压裂风化作用；邹威[2]等通过大型振动台试验研究认为，上硬下软岩质边坡破坏主要是岩层后缘拉裂后整体剪切错动，最终形成崩塌；王根龙[3]等认为上硬下软边坡中软弱岩层在上部岩体压力作用、遇水软化、长期风化剥落等因素作用下，不断压缩并向临空方向塑性流动，导致上覆较坚硬岩层拉裂，形成塑流--拉裂式危岩体。

本文以四川省南江县红四乡李家寨山体斜坡为例，在现场调查和勘测的基础上，查明斜坡的工程地质条件，揭示其失稳模式和失稳机理，为危岩稳定性评价和治理工作提供科学依据。

图1　危岩体分布及其周边概况图

图2　李家寨山体斜坡典型剖面，图1中I-I'剖面

2　李家寨山体斜坡基本特征

李家寨位于四川省南江县红四乡，是乡政府所在地（图1），距离南江县城南西30km。李家寨山体在平面上呈一北西至南东向椭圆形，山顶平缓，四周为断崖。山体西侧、东侧相对平缓地带为乡政府、乡卫生院、乡粮站及乡兽医站所在地，惠民村一社村民主要居住场所，并有红四乡至长赤镇乡级水泥路（长红路）、红四乡至沙河乡村公路（红沙路）通过。如图1所示，目前，沿李家寨山体周围，发育13处危岩，其中2008年汶川地震中及其随后的降雨危岩1、3、8、9、10已经失稳，并且还有再次失稳的可能，其余危岩也均有失稳的可能，严重威胁山体周围居民的生命财产安全。

南江县地形以中低山为主，境内河流切割深度较大，河谷多较狭窄，形成诸多峡谷地貌。在南江县总体地貌格局的控制下，李家寨山体表现为长约500m、宽80～110m的北西-南东向低山，山顶平缓，四周为断崖，陡崖壁总长1.2km，崖高15～30m，崖下坡面陡峻，一般35°～45°，局部达60°，与山顶相对高差达50～80m（图2）。

南江县降雨充沛，年平均降雨量达到1198.7mm。降雨在时间分布不均匀性，多集中在 4-10月。1983年降水量最高，达1832.5mm，1979年最低为829.3mm，1974年9月出现日最大降雨量，达258.8mm。大雨开始期平均在4月20日左右，大雨结束期平均在10月3日前后。全年平均降水量日数为141天。

李家寨山体斜坡地层主要是白垩系剑门关组和第四系，自上至下依次为：①青灰色强风化-弱风化厚至巨厚层中细粒砂岩，产状为145～169°∠9～10°，厚度15～30m，其间夹含砾砂岩、细粒砂岩构成软弱夹层（厚度0.2～0.4m），坡面均直立状，构成一级陡崖，节理裂隙发育，为危岩体的主要原生层；②棕红色强风化-弱风化粉砂质泥岩，产状145～169°∠9～10°，总厚度4～10m，其抗风化能力较上覆粉砂质砂岩弱，差异风化导致砂岩与粉砂质泥岩的接触部位形成凹岩腔，促进了危岩体的产生；③厚层细粒砂岩，产状145～169°∠9～10°，总厚度2～8m，颗粒较细，强度稍弱，在山体东侧较发育，构成二级陡崖，节理裂隙发育地段亦构成危岩体；④棕红色粉砂质泥岩和泥质粉砂岩互层，产状135～145°∠5～8°，分布至山脚沟谷，其下部表层基本覆盖第四系崩坡积物和残坡积物，坡面稍缓，坡角35～45°，局部达60°以上。地层在剖面上的分布如图2。

由于受到长期的构造、卸荷和风化作用，李家寨山体中节理发育，主要的节理有四组，它们的产状分别为：第一组：40°～90° ∠80°～90°、第二组：135°～180°∠70°～85°、第三组：185° ～250°∠75°～90°、第四组：300°～357°∠75°～85°。这四组节理的走向分别与椭圆形山体四周的坡面走向大致平行，对于倾向一个方向的坡面，一般受到平行于坡面的一组卸荷节理与另一组垂直于坡面节理裂隙的切割，就形成了柱状岩体。

3　李家寨山体斜坡失稳模式

对李家寨山体周围已经发生的几处崩塌和潜在崩塌的岩体结构和形成机制进行调查总结，发现李家寨危岩体均发育于斜坡上部的硬脆性岩层即厚层的中粗粒砂岩中，控制危岩体稳定性的因素主要有两个：

（1）节理裂隙切割。李家寨山体四面陡崖，都受到与崖面平行和垂直的两组节理裂隙切割，形成了柱状的岩体。例如7～11号危岩体，受到了与坡面平行的第一组节理和与坡面垂直的第二组节理切割，形成了柱状岩体。

（2）岩体凹腔。由于上部粗粒砂岩和下部粉砂质泥岩的差异风化，使两者接触部位形成大量凹腔。这些凹腔起到两个作用，第一是和节理裂隙一起，把岩体切割成独立于母体的危岩体，第二是使上部的硬脆性岩体失去支撑，容易失稳。

在上面两方面因素的控制下，危岩体的失稳模式，主要取决于斜坡的坡度及与斜坡坡面平行的卸荷节理的产状。卸荷节理的特点是其产状与斜坡的坡面基本一致，因此，当斜坡坡面较陡时，发育的卸荷节理产状便陡，反之亦反。这组卸荷节理的产状控制着危岩体的失稳模式（见图3、图4）：

图3　倾倒式崩塌

图4　滑移式崩塌

（1）倾倒式崩塌。一般发生在陡坡，且坡体后部存在与边坡坡向一致的陡倾、断续贯通的主控卸荷节理面，由于差异风化危岩体底部凹岩腔发育，局部临空，危岩体垂心多位于基座临空支点外侧，支点为中风化岩层外缘点，形成倾倒式破坏。

（2）滑移式崩塌。相对于倾倒式崩塌，此类破坏模式发育在坡度较缓的斜坡中，相应地斜坡后部连续贯通的节理面产状也较缓，因此，被切割的独立岩体能够沿着后部节理面和坡面发生滑移。

4　李家寨山体斜坡失稳机理

李家寨山体斜坡的失稳机理，主要包括三个方面，除了节理切割形成独立岩体、差异风化在软硬岩接触部位形成凹腔等斜坡体自身因素外，降雨入渗在坡体内产生水平推力和浮托力，是坡体失稳的外部诱发机理。

在李家寨山体斜坡中，上部粗砂岩中节理裂隙发育，是很好的储水介质，且为雨水入渗的良好通道。南江县雨水充沛且极其分布不均匀，在雨季降雨量大，雨水沿节理裂隙迅速下渗并充满裂隙，但是砂岩下部的粉砂质泥岩，节理裂隙不发育，透水性小，是天然的隔水介质。入渗的雨水在粗砂岩裂隙和砂泥岩交界处聚集，对已经被节理裂隙切割形成的独立粗砂岩施加水平向的静水压力和竖向的浮托力（图5），水平力增大了危岩体的下滑力，而浮托力则减小危岩体有效应力，进一步减小危岩体的抗滑力，在两者的作用下，危岩体极易在雨季失稳破坏。