受構造控制的某高陡巖質邊坡滑塌災害機理分析及其治理方式研究

劉玉華

(中煤地質集團有限公司， 上海 200000)

1 前言

崩塌及滑坡是我國最常見的地質災害種類，其造成的危害較大，多發(fā)生于丘陵地區(qū)或者山區(qū)；工程建設、礦業(yè)開采等經(jīng)濟活動所形成的高陡邊坡也極易發(fā)生滑塌災害。在巖質邊坡中，滑坡及崩塌的發(fā)生主要受控于邊坡構造；在構造復雜的情況下，其多種結構面組合造成的破壞后果往往較大，群體效應強[1-4]。本文以某構造發(fā)育的超高巖質邊坡為例分析其滑塌的機理及破壞特征，并對邊坡的綜合治理方案及監(jiān)測方式進行研究。

2 地質概況

該邊坡原為建筑用石灰?guī)r礦山，閉坑后土地利用開發(fā)過程中，對殘留邊坡進行綜合治理。該邊坡坡底場地標高36.32～47.36 m；坡頂標高最高處162.04 m；坡體最高處達114.68 m；屬于超高邊坡。邊坡施工采取光面爆破削坡；每15 m高度設置一平臺(寬4～5 m)；平臺間的坡面坡度50°，坡面采取掛網(wǎng)客土噴播的方式進行生態(tài)修復。

邊坡及場地地層巖性為由震旦系西峰寺組巖石組成，在施工過程中發(fā)現(xiàn)，邊坡內(nèi)部巖層構造比較復雜，發(fā)育多條斷層及褶皺。在構造作用下，多處巖層傾角小于邊坡坡面角度，加之巖層層面及節(jié)理的共同作用，使得巖體呈現(xiàn)局部臨空狀態(tài)；多處巖層由于節(jié)理、斷層、巖層面組成了楔形邊界。在邊坡開挖結束后一個月內(nèi)先后發(fā)生了兩次滑塌災害，滑塌體體積多達到3 000～4 000 m3；造成邊坡施工中斷；嚴重威脅場地內(nèi)在建工程及人員的安全。

2.1 巖石巖性

根據(jù)邊坡開挖揭露，由坡頂至坡底自上而下出露7個巖性層；局部受褶皺或斷層影響，巖層有重復出現(xiàn)現(xiàn)象，分述如下：

①灰褐色的泥質頁巖，片狀；

②灰黑色薄層狀含碳灰?guī)r及細砂巖；

③灰色中夾薄層狀石灰?guī)r、灰色白云巖；

④深灰色厚一中厚層狀石灰質巖，塊狀構造；

⑤灰黑色薄一中厚層狀石灰?guī)r，夾薄層狀含炭質灰?guī)r和細砂巖；

⑥含碳質泥質灰?guī)r；

⑦灰白色灰?guī)r夾薄層泥質巖，條帶狀分布。

2.2 層理

巖石層理十分發(fā)育，主要為水平狀層理、局部有波狀層理、偶見楔狀交錯層理和透境狀層理：水平層理層紋呈直線平行狀，層紋連續(xù)性好并與層面平行，層理厚幾厘米至十幾厘米不等，局部大于50 cm；波狀層理局部發(fā)育在薄層狀灰?guī)r中，波紋基本對稱，總體展布方向與層面平行，有時可見波狀清晰的波痕壓模等原始沉積造。其發(fā)育程度與巖石性質關系密切，具體情況見表1。薄層狀石灰?guī)r中層理最發(fā)育，層理面多呈微張一緊密狀，層理產(chǎn)狀受褶皺構造作用影響很大，層理產(chǎn)狀330°～40°∠30°～75°。

表1 不同巖性層理特征

2.3 節(jié)理

坡面巖體主要發(fā)育有3類節(jié)理：傾向節(jié)理(橫節(jié)理)、走向節(jié)理(縱節(jié)理)和斜向節(jié)理。傾向節(jié)理(橫節(jié)理)最發(fā)育，全區(qū)均有分布。節(jié)理密度疏密不一，大多與層理面呈高角度相交，一般具有張性特征，節(jié)理延伸短，節(jié)理面多呈微張狀，常見方解石細脈沿節(jié)理充填。局部呈網(wǎng)脈狀，偶見共軛狀節(jié)理。傾向節(jié)理(橫節(jié)理)易與層理面相互交切形成松動巖塊和，崩塌楔棱體。走向節(jié)理分布不普遍，節(jié)理面平直延伸長，產(chǎn)狀陡立，節(jié)理傾向與坡向基本一致。斜向節(jié)理不甚發(fā)育，一般延伸不長，呈不規(guī)則狀。其次，巖層表面局部見有與橫向節(jié)理大致同向延伸的卸荷節(jié)理存在，具有延伸短，節(jié)理面不平直，局部呈追蹤狀展布。

2.4 褶皺

坡面巖層由一系列軸向北東東的向斜和背斜組成復雜的復式褶皺，褶皺巖層形態(tài)主要呈圓弧狀，其次局部見有尖棱狀、箱狀或撓曲狀。坡面東部邊坡為一向斜構造的南翼，為一斜立傾伏褶皺，該向斜軸向20°，樞紐向北東呈緩傾角傾伏，傾伏角度10°左右，北翼產(chǎn)狀154°～167°∠65°～73°，南翼下部產(chǎn)狀330°～360°∠34°～55°、上部產(chǎn)狀335°～6°∠43°～73°，南翼層理傾向與邊坡坡面基本一致，形成了較多的順向坡，而且多處出現(xiàn)有層理臨空的現(xiàn)象。

由于褶皺構造的作用，尤其多級褶皺疊加時，使層理構造產(chǎn)狀變化甚大，層理與坡面的交切關系也較復雜多變，一個平整邊坡的不同部位層理面的臨空狀況不盡相同。

2.5 斷層

坡面斷層構造發(fā)育，主要有5條具壓扭特征的斷層較為明顯。

(1)F1斷層：為一順層斷裂，產(chǎn)狀340°～355°∠40°～60°；斷層面呈波狀起伏，層產(chǎn)狀與層理產(chǎn)狀基本一致，斷面光滑，擦痕明顯，擦痕傾伏方向與斷層傾向一致，上盤向下滑動，未見明顯破碎構造，但沿斷層面見有滑痕，是邊坡破壞的主要運動結構面，多處見有沿斷層發(fā)生順層崩塌作用后形成的光潔巖面。

(2)F2斷層：為一縱向斷層，產(chǎn)狀185°∠70°，未見有斷層泥等軟弱物質，斷面緊閉未見明顯巖石破碎現(xiàn)象。

(3)F3斷層：斜切褶皺軸向，使褶皺軸斜向切錯，錯距60余m，斷層面呈舒緩波狀，總體產(chǎn)狀320°∠70°，局部斷層破碎帶寬1～2 m，見有碎裂狀構造巖并有大量鐵質浸染。該斷層在PM2坡面東部(B2區(qū))切斷向斜構造傾伏端，破壞向斜構造的連續(xù)性。

(4)F4斷層：為一縱向斷層，斷層走向與褶皺軸向基本一致，與向斜南翼呈反切坡關系，與F1斷層呈現(xiàn)共軛交切關系，斷層面具舒緩波狀特征，總體產(chǎn)狀177°∠35°。沿斷層面未見明顯巖石破碎現(xiàn)象，斷層帶內(nèi)斷層泥等軟弱夾層不發(fā)育，對邊坡的破壞主要表現(xiàn)在與層理面坡和切斷巖體的整體性。

(5)F5斷層：屬橫切斷層，切錯地層使地層在走向上不連續(xù)，斷面呈舒緩波狀，斷帶寬l.5 m，帶內(nèi)巖石破碎明顯，斷層兩側巖體呈斷層接觸，產(chǎn)狀290°∠65°。斷層切錯背斜軸向，斷層上盤(西盤)地層層理下部陡立，上部與坡面呈反向坡，斷層下盤(東盤)層理傾向與坡面基本一致，但傾角一般大于坡面角，局部見有順向坡存在。

2.6 水文地質條件

(1)潛水：該類地下水主要賦存于表層殘坡積層中，富水性較差，滲透性較好；主要受大氣降水補給，排泄方式為側向徑流。

(2)基巖裂隙水：基巖裂隙水主要賦存于泥巖、頁巖、石灰?guī)r中，水量受多種因素影響較大，補給來源主要為潛水，次為基巖風化層側向徑流補給；徑流方式主要通過巖層節(jié)理裂隙、構造由高處向低處滲流。

(3)巖溶裂隙水：本區(qū)巖溶不發(fā)育，富水性差，在斷層交匯部位巖溶較發(fā)育。

3 邊坡破壞特征及演化特征

3.1 破壞特征

邊坡破壞型式明顯受構造控制,以層理面、斷層面、節(jié)理面及臨空面形成楔形塊體[5],并且軟弱夾層面、斷層面及層理面提供了滑動的基面。

由于該邊坡削坡施工是采取爆破施工，在爆破震動、巖體卸荷、降雨等多種因素疊加作用，巖體在沿巖層范圍內(nèi)產(chǎn)生一定的張拉力[6]；在拉張力的作用下沿垂向節(jié)理和其他裂隙面開裂，與其他結構面組成楔體邊界；形成多個楔形塊體，進而形成群發(fā)性楔形破壞。該邊坡滑塌楔體的運動不一定沿某個特定層面呈整體性滑動，而是以F1斷層面或與之平行的巖層層理面為基面，以間斷的邊界拉開由下而上逐漸滑動破壞。運動面主要發(fā)生在含軟弱夾層的層狀灰?guī)r中，在外來因素作用下導致層間摩擦力小于巖體下滑力，由此發(fā)生滑塌災害。

3.2 破壞演化特征

邊坡破壞區(qū)結構面傾角及傾向是邊坡的穩(wěn)定的關鍵因素，己發(fā)生的崩塌體剖面上呈楔體狀，滑塌體厚度平均在3 m左右，斷層面或層理面為滑動基面，與層理面高角度相交的節(jié)理面成為楔體的切割邊界，極易引發(fā)群發(fā)性楔形破。

關于楔形破壞的原因及分析，多位研究人員指出，楔形破壞應在超靜假設狀態(tài)進行分析。但是實際邊坡受外界干擾因素較多，對于結構面較多的邊坡模型，其破壞形式取決于結構面的形態(tài)及其與邊坡產(chǎn)狀的組合關系。尤其該邊坡采取爆破施工，爆破慣性荷載對巖層層理及節(jié)理均有不利的影響；加之邊坡開完后發(fā)現(xiàn)不良結構時，未采取應急加固措施，在雨水的影響下，巖層之間摩擦力變小，節(jié)理逐漸加深加大，繼續(xù)引發(fā)巖塊滑塌。

由于邊坡施工設置平臺，在局部巖層傾向與邊坡傾向一致的地方，平臺的設置，切斷了巖層的連續(xù)性，增大了巖層的下滑力；并在節(jié)理或者其他裂隙處形成拉張作用，加之本邊坡構造較發(fā)育，多種結構面共同作用，使得巖體的滑塌逐步加劇。

4 邊坡穩(wěn)定性分析

4.1 基本分析

(1)由于順坡向的層理面處于臨空狀態(tài)，并且層理面間因多呈微張狀和軟弱夾層的存在使巖層間的摩擦力大大降低，邊坡容易以層理面或以順層斷層面為運動面發(fā)生楔體狀崩塌破壞，因此邊坡處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。

(2)斷層、節(jié)理及巖層層理面相互交叉，在外部荷載的作用下,極易造成楔形破壞。

(3)根據(jù)現(xiàn)場勘查，以層理面的臨空分析，將坡腳最低臨空結構面按照層理面產(chǎn)狀的空間展布作為潛在運動面考慮，據(jù)此推測潛在運動面分布在層面5～18 m。

(4)由于巖面裸露，增加了大氣降水沿巖石裂隙下滲補給作用，從在向斜轉折端見有數(shù)處地下水出露點的現(xiàn)象上分析，層理面是地下水主要的水力連系面，基巖裂隙水具有沿層理面向向斜轉折端匯集的特征，由此降低結構面間的摩檫力，這也是滑塌破壞的主要影響因素之一，持續(xù)的降雨有可能引發(fā)再次崩塌。

4.2 結構面赤平投影分析

根據(jù)邊坡(A、B、C、D區(qū))的不同特征和空間分布對邊坡的穩(wěn)定性和危險特征對其主要結構面進行赤平投影分析，按結構面空間展布特征將邊坡劃為不穩(wěn)定、欠穩(wěn)定和基本穩(wěn)定。

1)A區(qū)

位于南側邊坡東部+105 m平臺和+135 m平臺以下區(qū)域，也是潛在運動面的主要分布區(qū)。己經(jīng)發(fā)生的二次滑塌，塌殘留體底部臨空成為危巖體。層理傾向與邊坡傾向基本一致，發(fā)育的橫節(jié)理和層理面間的交棱線與坡面傾向交角小于20°，且傾角小于坡面角，坡腳結構面臨空，存在潛在滑動面和變形的不利因素，潛在崩塌體厚度5～18 m，存在以層理面為運動的順層崩塌可能存在不穩(wěn)定的臨空體和坡腳結構呈臨狀態(tài)是該區(qū)主要的災害隱患，邊坡不穩(wěn)定。A區(qū)赤平投影分析如圖1所示。

圖1 A區(qū)赤平投影分析

2)B區(qū)

位于A區(qū)西側和+105 m平臺、+135 m平臺以上區(qū)域。層理傾向與邊坡傾向基本一致，發(fā)育的橫節(jié)理和層理面間的交棱線與坡面傾向交角小于25°，且傾角小于坡面角，部分平臺上的坡面局部存在層理面臨空狀態(tài)，臨空面的層厚小于5 m,具有上部厚下部薄的特征，存在以層理面為運動面發(fā)生順層破壞的可能。平臺上的順向坡局部出現(xiàn)剪出口和其他不良結的存在是該區(qū)主要的災害隱患，邊坡不穩(wěn)定- 欠穩(wěn)定。B區(qū)赤平投影分析如圖2所示。

圖2 B區(qū)赤平投影分析

3)C區(qū)

位于B區(qū)上部到150 m平臺以上區(qū)域，層理面傾向與坡面呈正切坡關系，層理與節(jié)理面的交棱線與坡面傾向基本垂直，結構面不存在臨空面，邊坡表層裂隙面的交切形成松動巖塊，坡面不平整，存在表層落石的可能，邊坡欠穩(wěn)定。C區(qū)赤平投影分析如圖3所示。

圖3 C區(qū)赤平投影分析

4)D區(qū)

位于南側邊坡西部到80 m平臺以下區(qū)域，層理傾向與坡面呈反向坡關系，但節(jié)理發(fā)育，節(jié)理產(chǎn)狀與坡面產(chǎn)狀基本一致，多處坡面由節(jié)理面組成，結構面不存在臨空面，但由于節(jié)理面陡立緊密度差、延伸長間距小，存在傾倒崩塌的可能，邊坡欠穩(wěn)定。D區(qū)赤平投影分析如圖4所示。

圖4 D區(qū)赤平投影分析

5 治理工程設計方案研究

5.1 邊坡等級劃分

本邊坡高度大于100 m，屬于超高邊坡；坡腳場地區(qū)域為重要工程建設項目，邊坡破壞后果非常嚴重，根據(jù)邊坡工程安全等級劃分確定本邊坡等級為一級。

5.2 加固方案選擇

根據(jù)本邊坡破壞特征及結構面的特征，針對已出現(xiàn)滑塌的區(qū)域及欠穩(wěn)定區(qū)域采取加固治理。巖層加固技術在國內(nèi)比較成熟，擬選擇錨桿及預應力錨索對巖層進行加固，增加巖層面間的黏合強度，坡體及平臺表面采取噴射混凝土防護，對其他穩(wěn)定區(qū)采用邊坡進行生態(tài)復綠(掛網(wǎng)客土噴播方式)。

5.3 邊坡設計參數(shù)的確定

根據(jù)經(jīng)驗值暫定黏聚力C和內(nèi)摩擦角φ，并根據(jù)已發(fā)生滑塌的區(qū)域(假設安全系數(shù)K值為0.95；巖體下滑力為0)進行C和φ值的合理性，再結合未發(fā)生滑塌邊坡(假設安全系數(shù)K值為1.05，巖體下滑力為0)反算C和φ值。

模擬計算出巖體參數(shù)C和φ之后，選擇一橫斷面為例，計算安全系數(shù)K值為1. 35時，確定深層滑移面的下滑力，根據(jù)下滑力確定錨桿及錨索的參數(shù)，再根據(jù)錨桿及錨索的參數(shù)建模反算安全系數(shù)K是否滿足假定值。

5.4 監(jiān)測方案

監(jiān)測對象主要是邊坡巖體、坡體后緣及邊坡加固工程，施工期間每天進行監(jiān)測，施工結束后1次/月，雨季增加監(jiān)測頻次。錨桿及錨索監(jiān)測根數(shù)根據(jù)規(guī)范執(zhí)行(錨桿監(jiān)測數(shù)≥總數(shù)3%、錨索監(jiān)測數(shù)≥總數(shù)3%)。

錨桿、錨索的應力變化及損失是否在允許范圍內(nèi)，坡體一共設置80個監(jiān)測點，監(jiān)測點均勻布置在坡體平臺上；坡面另行設置3個監(jiān)測孔(深度30 m)。

預警值：監(jiān)測點連續(xù)3天日變形3 mm或累計達到10 mm或者監(jiān)測數(shù)值出現(xiàn)較大變化時，累計位移量和累計沉降量小于20 mm，最大位移速率和沉降速率小于2.5 mm/d。

6 結論

該邊坡在施工過程中發(fā)現(xiàn)巖體構造較復雜，多組構造面相互交叉，形成不穩(wěn)定的楔形體，加之群發(fā)性，導致邊坡失穩(wěn)。根據(jù)分析巖層的構造面及其與邊坡的產(chǎn)狀的組合，分析出邊坡的穩(wěn)定性及其破壞特征。根據(jù)破壞特征及模式，選擇了相應的加固方案。坡體經(jīng)過加固施工結束后，原欠穩(wěn)定的巖層之間的結合度得到加強，雨水浸入巖體的途徑被切斷。根據(jù)經(jīng)過兩個監(jiān)測周期的監(jiān)測，邊坡的位移值都在預警戒值內(nèi)。