强降雨下岩质高边坡变形成因机制研究

柳 旻 周 奎 张 超 姚晨辉 黄 磊 刘争宏

（1.机械工业勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710043；2.陕西省特殊岩土性质与处理重点实验室，陕西西安 710043）

0 引言

在我国“一带一路”战略进程中，中资企业采取EPC、BOT 等模式在海外大量承揽公路、桥梁、机场等基础设施建设，矿产资源开采以及水利水电开发等项目，开发建设过程对工程区地质环境带来不同程度的改变，其中常涉及高边坡工程。

前述工程实践所遇高边坡多为岩质边坡。这类岩质边坡在自然与工程的双重力系作用下很有可能打破原有平衡，引起坡体发生连续性变形破坏响应，导致坡体失稳变形。大量工程实践表明，岩质边坡变形破坏的基础是其内部薄弱结构面，包括节理、软弱夹层、断层等，水的作用则是变形破坏的诱因。针对边坡变形响应机制，张御阳等[1]认为碎裂岩质边坡的变形破坏主要受自身结构及内部相对长大结构面控制；黄志鹏等[2]得出锦屏水电站料场边坡变形破坏主要受层内剪切软弱夹层及断层控制；陈 菲等[3]认为白格滑坡裂缝区主滑区的两组控制性结构面是边坡变形演变过程中节理相互连接贯通的结果；张灵熹等[4]提出云盘头滑坡形成的主要原因是坡体经过开挖导致软弱夹层出露，随着坡脚关键块体沿着软弱层面向临空面滑移，后部块体随之滑动导致坡体整体发生滑移；樊友庆等[5]进行大量的野外调研，揭示赣南地区岩质边坡的变形破坏模式为沿着原有结构面滑动；曾荣福等[6]在分析西藏某水电站近坝库岸滑坡稳定性时，认为滑动带是堆积体下部碎石混合土这一软弱层；焦国木[7]在研究某市政公路高变坡时，提出该边坡的破坏形式以楔形体破坏与浅层失稳掉块为主；姬永尚等[8]通过模拟，认为F9 断层是影响阿尔塔什水利枢纽工程坝址右岸高边坡稳定性的关键因素；冉 涛等[9]认为导致川西某岩质边坡变形破坏的最主要因素是软弱夹层及岩体结构；黄镇伟等[10-11]、杨建成等[12]通过研究倾倒边坡，认为其稳定性取决于结构面和结构体特征。喻永祥等[13]认为雪浪山横山寺西侧边坡的滑动面为软弱夹层，暴雨会加速滑坡的产生；宋娅芬等[14]以宜巴高速公路沿途彭家湾软硬岩互层边坡为工程依托，认为该类软硬岩互层边坡的破坏模式是以深部软层为滑动面的整体滑移，水是滑坡发生的条件和诱因；刘震涛等[15]结合边坡变形监测数据和降雨资料，拟合日均降水量和日位移速率曲线，显示两者呈对数关系。

东南亚某在建水电站属“一带一路”两优项目，在大坝右岸边坡开挖过程中，由于削方开挖及降雨等因素引起变形及局部滑坡，本文在现场调查和地质编录基础上，分析碎裂岩体结构特征，通过建立地表变形监测系统，全面监测该边坡在滑移起动后的变形过程，系统分析了该边坡在滑移过程中的变形特征。在此基础上，结合该边坡的地形地貌特征、工程地质特征、结构面特性，研究了该边坡的变形破坏机制，为后续的开挖及支护方案提供依据及参考。

1 右岸F11 断层带边坡工程地质概况

该水电站大坝右岸边坡最高开挖高程约EL.1110 m，形成的最大临空高差约138 m，其中坝肩永久边坡高64 m，开挖坡比为1∶0.75～1∶1.20（见图1）。

图1 右岸边坡全貌

该边坡主要岩性为砂砾岩，层面产状N 25°～75° E、NW∠55°～65°，强风化-弱风化，灰白色，碎裂-碎块结构，钙质胶结，岩体节理裂隙发育，完整性较差-较破碎。部分强风化岩体砂化，裂面高岭土化现象较明显，砾岩有溶蚀现象。

该边坡原始地形陡峻，岩体中发育有与河道近平行的中、陡倾角节理，岸坡岩体卸荷现象明显，岩体卸荷下限基本位于弱风化下带处。卸荷带内多发于卸荷裂隙，裂隙一般呈张开-微张状，局部见宽张裂隙。

该边坡第四系坡积物主要分布于边坡下游侧边缘，呈散体结构；全风化、强风化岩体主要分布于EL.1020～1025 m 以上。断层带内砾岩透镜体及泥质板岩条带多呈强风化状，碎裂结构，岩体完整性为较破碎-破碎，其中泥质板岩遇水易软化，工程性能较差；弱风化岩体主要分布于EL.1020 ～1025 m 以下，岩层多呈中厚层-厚层状结构，该层岩体层厚较大，卸荷不明显（见图2）。

图2 右岸F11 断层带边坡开挖地质展视图

边坡开挖揭示的主要构造为F11 和F22 断层。其中F11 断层在EL.1046 m 以下整体产状为N25°E、NW∠77°，宽约11～18 m，由泥质板岩条带、构造角砾岩及碎粉岩组成，胶结较差，断层带内紫红色泥质板岩条带、碎粉岩物质等遇水易泥化、软化。

2 边坡开挖变形特征

2.1 边坡结构特征

右岸下游侧边坡上部开口线位于EL.1046 m 左右。坡向大致为N36°E，与岩层面走向近乎平行。边坡外侧靠河流下游侧为第四系覆盖层和全风化岩体，属土质边坡；EL.1046～1025 m 多为强风化岩层，属碎裂岩体边坡；EL.1025 m 以下以弱风化岩体为主，为横向坡。

F11 断层带走向与开挖边坡坡向近垂直，但与下游侧冲沟形成的边坡近平行，且倾向偏于坡内。

2.2 变形体基本特征

2018年9月19日，现场发现右岸EL.1046 m 边坡出现裂缝，裂缝宽约3 mm，走向N40°E，贯穿坝顶公路至EL.1046 m 以上边坡。现场踏勘后认为裂缝成因是雨水沿喷锚边缘下渗，F11 断层中物质吸水软化，加之开挖后应力场重分布，导致沉降产生。由于2018年12月前该裂缝变化不显著，未对裂缝进行封闭处理。

2018年12月上旬，工程区连续发生两次较大降雨，右岸下游F11 断层带部位边坡在EL.1046～1010 m断续新增多条裂缝，且原有裂缝明显加宽，出现错台现象；EL.1025 m 马道内缘有较为明显的鼓胀现象。现场踏勘后初步判断雨水入渗导致断层带物质软化，引起边坡局部浅表层变形，以及坡体上部破碎岩体在重力作用下发生旋转滑移破坏。降雨起到了明显的触发作用。

变形集中在EL.1046～1010 m 的边坡上，主要为浅表滑动，裂缝发育情况见图3，根据现场调查，将变形区划分为3 个区域（见图4）：

图3 右岸F11 断层带边坡裂缝平面分布图

图4 右岸F11 断层带边坡分区图

（1）1 区域（Zone 1）为EL.1046～1025 m 的边坡，包括靠近混凝土加工系统侧的临空面和水垫塘正面边坡。边坡形态外凸，表面开裂破坏集中在边坡凸起部位及F11 断层带部位。其中EL.1046 m 平台裂缝宽度最大达8 cm，并有错台现象，该裂缝属边坡后缘拉裂缝，主拉裂缝位于EL.1046 m 平台，由外至内约5 m，裂缝延伸长约20～30 m（见图5）；边坡坡面有多处张拉裂缝，且有轻微鼓胀现象，但裂缝未贯穿坡面（见图6）；EL.1025 m 马道内侧见明显的膨胀裂缝，属边坡变形剪出口部位（见图7）。

图5 EL.1046 m 主拉裂缝

图6 边坡外凸处裂缝发育

图7 EL.1025 m 马道内缘鼓出开裂

（2）2 区域（Zone 2）为EL.1025～1010 m 的边坡，其变形特征主要为沿马道外缘的开裂（见图8），坡体上张拉裂缝发育、喷射混凝土局部轻微鼓胀变形。

图8 EL.1025 ～ 1010 m 边坡开裂

（3）3 区域（Zone 3）为EL.1010～995 m、位于F11 断层带下游侧的边坡。前期开挖此处边坡时，发生过两处块体失稳事件，均发生于EL.1010 m 马道内缘，其失稳楔形体由两组侧向陡倾节理和一组底部中倾坡外节理组合切割而成（见图9）。

图9 右岸边坡F11 断层带处开挖期间滑塌区

2.3 变形体组成物质及厚度

（1）1 区域（Zone 1）内下游侧面边坡多为第四系覆盖层和全风化岩体，水垫塘正面边坡区域多以全风化-强风化岩体为主。1 区域的变形体主要为F11断层，根据裂隙张开分布情况及反演的潜在滑动面，推测1 区域变形体厚度较薄，一般为1～3 m，最大不超过5 m（见图10）。

图10 EL.1025 ～ 1010 m 边坡支护结构开裂主要特征

（2）2 区域（Zone 2）总体为横向结构边坡，边坡岩体以强风化-弱风化砂砾岩为主，局部夹灰绿色泥质板岩。2 区域的变形体主要为F11 断层下盘碎裂岩体（见图11），根据裂隙张开分布情况、EL.1010 m 以上可能的牵引式滑动区及反演的潜在滑动面，推测2 区域变形体厚度亦较薄，水平厚度一般为1～3 m。EL.1010 m 马道宽度达3 m，且EL.1010 m底部变形不明显，整体判断2 区域（Zone 2）潜在滑动方量不大。

图11 EL.1025 ～ 1010 m F11 断裂带处边坡支护结构开裂主要特征

（3）3 区域（Zone 3）边坡变形体主要为弱风化砂砾岩体，为不利节理组合切割形成的不稳定楔形块体（见图12）。经现场测量前期开挖时的两次失稳范围，不稳定楔形体厚度约2.5 m、宽5～10 m，两处失稳方量分别约3946.5 m³和4450.2 m³，方量较大。

图12 3 区域塌方区域赤平投影图

2.4 变形体破坏特征

监测资料显示，2018年12月14-19日，EL.1046 m 平台裂缝累计最大水平位移为101 mm（见图13），累计最大垂直下沉值达115 mm。表明1 区域滑动面基本形成，上缘拉张变形影响区清晰，整体向下方河面产生滑移，滑动方向N36°E。

图13 EL.1046 m 平台5#主拉裂缝宽度监测数据

3 变形体成因机制分析

根据开挖编录资料、现场调查和监测数据，结合变形体分区、物质组成及形态特征，认为各区域变形体成因机制如下：

（1）1 区域（Zone 1）：整体属外凸坡，开挖后形成较陡的临空面，开挖松弛作用较为明显。岩体破碎，节理裂隙发育，裂隙面多泥质填充。受后期强降雨渗透作用，裂隙中物质软化，使得软弱结构面强度弱化；同时降雨产生裂隙水压力和渗流压力，加速裂隙向深部延伸发展，进一步软化深部岩土体。变形体压缩蠕变量逐渐累积增大，滑面贯穿形成后，产生了较大的后缘拉裂。由于边坡侧向临空，岩体纵向压缩过程中伴随有一定程度的侧向扩张，这种现象在坡脚处或马道处表现得最为明显，形成弯曲隆起的鼓丘前缘，为鼓胀剪出变形，具有明显的“剪出口”特征。因此，1区域边坡主要破坏形式为松散介质边坡经开挖松弛、遇水软化后沿最大剪应力面产生滑移-拉裂变形。

（2）2 区域（Zone 2）边坡岩体以强风化-弱风化碎裂岩体为主，整体较1 区域开挖坡形更平顺，因此受开挖松弛影响稍弱；且2 区域张拉裂缝沿坡面不同高程均有展布，张开度普遍较小，受雨水渗入作用也较1 区域弱，因此2 区域压缩蠕变累计量较1 区域小，变形量有限，变形体滑面尚未贯通形成。故其变形体主要形成机制为F11 断层带形成的松散介质和碎裂岩体边坡的局部剪切滑移。

此外，受EL.1010 m 平台以下两处开挖期间发生的块体失稳影响，2 区域在上部坡体自重应力作用下产生斜坡蠕变，上部坡体随蠕变发展不断松弛，产生新的表生破裂面，因而EL.1010 m 上部边坡产生了多个牵引式的变形拉裂缝。

（3）3 区域（Zone 3）边坡岩体多呈中厚层-厚层状结构，该区域岩体层厚较大，处于卸荷带底部影响范围内，岩体坚硬，受降水及基岩裂隙水作用后未发生软化，其变形主要表现为楔形体（由中倾坡外的节理、陡倾结构面和开挖面共同切割而成）的平面滑移。

4 结论

（1）坝基右岸F11 断层带边坡在开挖后，产生了张拉裂缝、混凝土鼓出等一系列变形响应，通过对边坡形态、物质组成、变形特征及监测数据等进行综合分析，将变形区划分三个区域，得出各区边坡变形破坏机制。

（2）各区域变形机制如下：

①1 区域为松散介质边坡，经开挖松弛、遇水软化后，发生蠕滑-拉裂型破坏。两次强降雨起到了软化岩土体、产生渗流压力、加速裂缝延伸的作用。

②2 区域为松散介质和碎裂岩体，开挖坡型较平缓，开挖松弛作用不强烈、雨水下渗影响较小，未形成贯通滑裂面，叠加发生于开挖期的下部块体失稳影响，发生局部剪切滑移破坏。

③3 区域岩体为中厚层-厚层状结构，岩质坚硬，受降水的不利影响小，破坏模式体现为不利结构面组合切割的楔形体的平面滑移。