三峡库区高切坡典型破坏模式研究及其在白岩沟坡中的应用

杨雨亭，赵 萌

(1.昆明理工大学国土资源工程学院，昆明 650093；2.中国地质大学(武汉)工程学院，武汉 430074)

1 研究背景

目前三峡库区分布有20个移民县(区)，受蓄水水位至175 m影响，移民人口已经超过120万，同时还有着大量的工厂、企业及学校。在大规模的重新安置与建设中，为了获取和利用土地资源，不可避免的要实行劈坡造地，形成了大量的人工高切坡。在这些高切坡中，超过2 000个在2010年之前已经进行了加固，另外有大概1 000个左右的边坡仍处于加固过程中。由于所有的高切坡均由人工开挖后形成，因此其地质条件远远复杂于其初始状态，在天然的地质灾害基础上又产生一系列的新的地质灾害，如崩塌、滑坡、局部滑移等。考虑到大部分高切坡位于住宅建设与人口密集区域，一旦发生事故，将不可避免的对人民群众的生命财产构成高度威胁。

国内外学者已经对边坡灾害进行了广泛的讨论。Mostafa Sharifzadeh等在2010年运用分析和数值反演分析的方法调查了位于伊斯法罕地铁南部区域的Kargar边坡。在这之后，S.J.Harris等在2012年继续运用反演法确认了数值模型在降雨诱发滑坡预警系统的作用。Tsai和Chiang在2013年扩充了传统物理成因模型，考虑层状无限边坡来检验土层分布对于降雨诱发型浅层滑坡的重要性。接下来，浅层破坏模型被Herath等在2014年进一步研究，运用几何学、剪切强度特征与地质背景来评估边坡稳定性。Muntohar和Liao在2009年采用Green Ampt入渗模型研究边坡的雨水入渗。Regmi和Jung 在2015年分析降雨事件导致的边坡破坏时提出动态规划方法来确认任意形状滑裂面的位置。遗传算法(GA)也被Manouchehrian等在2014年提出用来发现分析边坡稳定性的回归模型。同时一种基于GA的进化算法也被用作完善预测圆弧状破坏模型安全系数(FS)的回归模型。

一些国内学者也做了很多关于边坡破坏模式的研究工作。其中，罗元华在2004年对三峡库区存在的具有重大风险不稳定性的滑坡进行了分类，同时给出了自己关于工程防护措施的建议。殷跃平2005年系统地研究了三峡库区边坡的地质结构类型，并分析了边坡在开挖前后的典型破坏过程。祝介旺等[10，11]2008年调查研究了边坡灾害的传统诱发因素，并提出了位于万州县的边坡破坏模式与防护方法。沈强等[12]2005年通过分析一些位于三峡库区的典型层状岩质边坡，提出了层状岩质边坡的可能破坏模式。接着，柴波等[13]在2009年在不同岩体结构及类型的边坡变形特性上也做了相关工作。吕美君等[14]2008年从力学观点讨论了滑坡的发生标准，并计算了水柱高度的预警值。

关于一般边坡的破坏模式已经做了大量的相关工作，但是对于高切坡的破坏模式还有待进一步的研究。目前为止，也没有较为成熟的破坏模式理论应用于人工开挖的高切坡。因此，在本文中，将系统地提出并总结高切坡的典型破坏模式，并将白岩沟高切坡作为工程案例，基于破坏模式理论来预测其潜在的破坏模式。

2 高切坡典型破坏模式及其机理

高切坡，是指在三峡库区中由人工开挖形成的边坡。区别于一般的边坡及滑坡，高切坡的坡角明显更大(常常超过40°)，同时坡体高度超过20 m。由于三峡库区的地质结构与岩性较为特殊且复杂，因而高切坡的破坏模式与其他区域的边坡形成了明显的差异。在通过对超过230个高切坡进行地质勘察后，提出了3种典型的破坏模式，分别为倾倒破坏、圆弧破坏、剪切滑移破坏。

2.1 倾倒破坏

倾倒破坏是指在静水压力、重力、地震力以及其它外部与内部力的作用下，岩体底部周围发生旋转运动导致的破坏。破坏发生的机理是倾倒力矩大于抗倾倒力矩，最终导致了岩体的转动。在三峡库区高切坡中，发生在硬岩(灰岩)与软岩(泥岩)之间的不同的风化作用是发生倾倒破坏的决定性原因。坡体基岩岩性为灰岩，泥岩一直处于被风化状态然后剥离，接着逐渐形成了岩洞。在这一过程中，灰岩上方的支撑面积减少，导致了重心的重新分布，同时岩洞在后缘不断扩大。最终，岩洞上方的灰岩将失去平衡并发生倾倒破坏。图1中给出了完整的倾倒破坏过程。

图1 高切坡倾倒破坏过程

2.2 圆弧破坏

圆弧破坏往往发生在由第四纪坡积物堆积而成的边坡上。根据地质勘察资料，三峡库区高切坡表面普遍覆盖有第四纪坡积物，其厚度从0.8 m到5.5 m不等。由于坡角很大，普遍超过40°，在重力作用下滑动力往往超过抗滑力，同时在外部力的共同作用下，边坡极易发生圆弧破坏。其破坏过程如图2所示。

图2 高切坡圆弧破坏过程

2.3 剪切滑移破坏

剪切滑移破坏通常发生在岩体中，往往破坏规模大于圆弧滑动破坏。由于高切坡坡角较大，在重力作用下易产生很多张拉裂隙。伴随着静水压力与动水压力的影响，后缘的岩体就有可能发生位移。在后缘累计位移的影响下，边坡前缘也开始发生位移并且剪切口逐渐出现并扩展。随着岩体的持续变形，剪切滑移区最终被切穿，岩体顺着该区域滑动。完整的过程可见图3。

图3 高切坡剪切滑移破坏过程

3 白岩沟高切坡案例分析

3.1 案例背景

基于高切坡的典型破坏模式，选取白岩沟边坡作为工程实例来研究其破坏模式与稳定性。

白岩沟边坡(见图4)位于巴东县信陵镇。坡顶高程292～307 m，坡脚高程253 ～263.5 m并与北京大道相连。坡高50～60 m，坡角范围从40 ° ～54 °，平均坡角45 °。高切坡整体面积约为12 780 m2， 走向160 ° ～ 180 °。边坡平面形态为折线型，侧面整体轮廓为上缓下陡。

图4 白岩沟坡俯拍图

根据地质勘察资料，白岩沟边坡由三叠系中统巴东组第三段(T2b3)的灰岩组成，坡面主要为第四纪的坡积物以及岩土体，厚度3.3～ 5.0 m。T2b3岩体主要由中厚层褐黄色灰岩构成，单层厚度20～ 40 cm。坡顶裂缝发达且集中在边坡的中部以及后缘，岩体据调查属于中等风化。边坡前缘接近公路处，存在一个局部滑坡，经过现场勘察表明，第四纪坡积物破坏模式属于圆弧破坏，滑体最大厚度4.2 m。滑坡后缘(张拉裂隙)较大，可在图5中明显看出，该边坡的工程地质平面图如图6所示。

图5 局部滑坡处张拉裂隙

图6 白岩沟坡工程地质平面图

3.2 模型建立

在工程地质平面图上沿着主滑方向，选取一典型剖面线，钻孔ZK01与ZK02分别位于该线附近。为了避免不相关的局部应力集中存在于初始坡面，将坡面合理简化以便最终计算结果简明清晰而精确。计算剖面见下图7。

图7 白岩沟计算剖面图

3.3 SIGMA/W模拟

为了解该高切坡位移以及应力分布情况，运用SIGMA/W软件对剖面进行数值模拟。考虑到结构与组份特性，选取Mohr-coulomb模型作为计算的本构模型。岩土体参数如表1所示。

表1 岩土体参数

经过SIGMA/W软件计算，得到了位移云图以及剪切应变云图，分别如图8、图9。从图8来看，边坡位移主要集中在坡面，位移最大区域位于边坡前缘，呈圆弧状分布；同时，剪切应变结果也有着同样的分布规律，最大剪切应变集中在坡面。模拟结果显示，坡面区域破坏可能发生在白岩沟高切坡的前缘，与实际情况相一致。位移也集中于坡面中部，剪切应变呈条带状从坡脚延伸至坡顶，表明边坡中段与上段也存在着发生破坏的可能性。

图8 SIGMA/W位移云图

图9 SIGMA/W剪切应变云图

3.4 破坏模式

白岩沟高切坡中部(距离路面45 m处)与上部(距离路面75 m处)共设有两个钻孔测斜仪(分别为ZK01与ZK02)以测量其内部位移。每个钻孔底部距离坡面为20 m，所得监测数据(2014年1月至2015年12月)如图10所示。

ZK01钻孔测斜仪的深部位移曲线中，表明11 m深度处存在一个显著的错动，推测可能存在一个滑动区域。同时，ZK02钻孔测斜仪的监测数据也同时表明了4.5 m深度处有一错动，可能存在滑动区域。

图10 钻孔测斜仪位移数据ZK01(上)ZK02(下)

ZK02的深部错动靠近坡积物与基岩的接触面，这就导致了很难确定该错动发生在接触面还是发生在基岩上。但是3.8 m处的深部位移曲线表明了一个轻微的波动，恰好就是接触面所在位置。另一方面，从ZK01的土石接触面处的曲线来看，其位移并没有显示该深度存在明显错动，表明接触面并没有太大的位移。因此，ZK02的主要错动发生在基岩中。

基于数值模拟的结果，位移与剪切应变集中于边坡的中段与上段，这表明可能存在一个从坡顶开始的贯穿破坏。以此为假设，结合ZK01与ZK02的监测数据进行分析，由于ZK01和ZK02存在明显的较大位移以及变形趋势，最终结果表明边坡符合剪切滑移破坏的模式。因此，制得可能存在的滑动面，见下图11。

图11 白岩沟坡剪切滑移破坏

3.5 GPS监测数据验证

为了进一步讨论破坏模式的准确度，将给出的破坏模式与2014年1月至2015年12月间的GPS监测数据进行验证，如图12所示。

图12 2014年GPS监测数据

数据表明，GP01和GP02的位移明显大于GP03，并呈每月增长的趋势。分析3个GPS点所处的位置，GP01高程与ZK01一致，GP02高程在ZK01和ZK02之间，GP03高程高于ZK02。为进一步比较GPS位置与可能的滑动区域，经确认GP01与GP02与钻孔位移数据接近，处于滑体上，GP03位移数据相比小得多，位于滑体之外。因此，可推断GP01与GP02与滑体位移一致，GP03在滑体之外相对稳定，从而验证了剪切滑移的破坏模式。图13中给出了在平面图上补充的滑动区域。

图13 滑动区域平面示意图

4 讨论

本文基于钻孔监测数据、GPS数据以及数值模拟，分析了白岩沟高切坡可能的破坏模式，总结了该边坡最有可能的破坏形式为剪切滑移破坏。但是由于监测方法与监测点数量的限制，无法计算出精确的岩体滑动轨迹。

在针对白岩沟高切坡的数值模拟中，下滑力涉及到了岩体的重力，但其他滑动因素如降雨和地震力并没有考虑到。这些问题有待于下一步的研究中继续讨论。

5 结论

本文主要结论如下：

(1) 对三峡库区高切坡典型破坏模式进行了分类，分别为崩塌破坏、圆弧滑动破坏以及剪切滑移破坏。

(2) 白岩沟高切坡的位移集中分布在前缘，而这一区域经确认也正是滑坡所处位置。

(3) 钻孔倾斜仪数据显示该高切坡中段与上段也存在着较大位移，这表明基岩中可能会发生大规模的滑动破坏。

(4) 基于钻孔数据与数值模拟，推断白岩沟高切坡可能的破坏模式为剪切滑移破坏。

(5) 所给出的白岩沟高切坡可能破坏模式经GPS监测数据确认，证明是符合实际的。

最后，这种破坏模式分析方法也为确定三峡库区的其它高切坡的破坏模式提供了一种有效的技术手段，对于高切坡风险评估与加固工程起到了指导作用。基于此的研究以及后续治理可减少人民生命财产的损失。

[1] Mostafa Sharifzadeh， Mohsen Sharifi. and S. Mohammad Delbari. Back analysis of an excavated slope failure in highly fractured rock mass: the case study of Kargar slope failure (Iran) [J].Environmental Earth Sciences，2010，60(1):183-192.

[2] S J Harris， R P Orense， and K Itoh. Back analyses of rainfall-induced slope failure in Northland Allochthon formation[J].Landslides，2012，9(3):349-356.

[3] Tung-Lin Tsai， Sen-Jung Chiang. Modeling of layered infinite slope failure triggered by rainfall[J].Environmental Earth Sciences，2013，68(5):1429-1434.

[4] H M Janaki M K Herath， Sudheera S I Kodagoda，A.A.Virajh Dias. Shallow Modes of Slope Failure in Road Earth Cuttings in Sri Lanka[C]. Landslide Science for a Safer Geoenvironment，2014，51-58.

[5] Agus Setyo Muntohar， Hung-Jiun Liao. Analysis of rainfall-induced infinite slope failure during typhoon using a hydrological-geotechnical model[J]. Environmental Geology， 2009，56(6):1145-1159.

[6] Ram Krishna Regmi， Kwansue Jung. Application of dynamic programming to locate the critical failure surface in a rainfall induced slope failure problem[J]. KSCE Journal of Civil Engineering，2015，1(4):1-11.

[7] Amin Manouchehrian， Javad Gholamnejad， and Mostafa Sharifzadeh. Development of a model for analysis of slope stability for circular mode failure using genetic algorithm[J]. Environmental Earth Sciences，2014，71(3):1267-1277.

[8] 罗元华，伍法权.三峡水库区岩土体高切坡的基本特点与防治方法[J].中国地质灾害与防治学报，2004，15(S1):115-118.

[9] 殷跃平.三峡库区边坡结构及失稳模式研究[J].工程地质学报，2005，13(2):145-154.

[10] 祝介旺，和海芳，柏松.三峡库区高切坡致灾因素及防护对策——以重庆市万州区为例[J].中国地质灾害防治学报，2008，19(2):7-11.

[11] 祝介旺，伍法权，苏天明.三峡库区万州段高切坡破坏模式和防护措施研究[J].工程地质学报，2007，15(1):8-15.

[12] 沈强，陈从新，汪稔.三峡库区水平层状岩质边坡稳定性分析[J].岩土力学，2005，26(S2):16-20.

[13] 柴波，殷坤龙，陈丽霞.岩体结构控制下的斜坡变形特征[J].岩土力学，2009，30(2):521-525.

[14] 吕美君，晏鄂川，程江涛.近水平岩层滑坡启动的零界水柱高度研究[J].岩土力学，2008，29(1):207-211.