貴州淺變質巖邊坡穩定性影響因素分析

楊益彪 徐呈祥 何 云

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

由于貴州復雜的地形地貌和地質條件，在公路建設中形成了大量高陡邊坡。經調查分析發現，這些高陡邊坡中的淺變質巖邊坡在公路建設及運營過程中由于自然、人為等因素極易產生邊坡失穩問題，僅在貴州玉屏至凱里高速公路建設中就發生了多個大型變質巖滑坡，造成了大量生命及財產損失。

邊坡穩定性問題一直以來都是巖土工程界研究的熱點，陳祖煜[1]、王恭先[2]、黃潤秋[3]等諸多學者根據大量工程實例對邊坡穩定性影響因素進行了系統的歸納總結。關于貴州境內的淺變質巖邊坡穩定性分析評價，王勇[4]、何配天[5]等都通過對三凱高速的地質災害治理探討進行了歸納總結，吳嘉丞[6]、許湘華[7]等以廈蓉高速公路貴州段的淺變質巖高邊坡為研究對象分析其穩定性，王崇軍[8]則對淺變質巖風化層邊坡進行了系統性的研究。

本文系統地分析歸納了影響貴州淺變質巖邊坡穩定性的內部因素與外部因素，并通過工程實例進一步揭示變質巖邊坡的變形破壞機理，以期為貴州以及西部山區類似邊坡的勘察設計提供思路和工程借鑒。

1 貴州淺變質巖的工程特性

變質巖是地殼中的巖漿巖或沉積巖在環境條件改變的影響下，其礦物成分、化學成分及結構構造發生變化而形成的。貴州境內分布的變質巖以區域變質巖為主，多為淺變質的綠片巖相，主要出露有晚元古宙板溪群清水江組及震旦系地層。其中清水江組地層多為灰綠、淺灰及灰色變余砂巖、變余凝灰巖、凝灰質板巖、粉砂質板巖等；而震旦系地層主要為變余砂巖、礫巖、含礫板巖等。貴州區內淺變質巖物質成分以泥質、砂質成分為主，巖體極易風化，全、強風化厚度大，巖體破碎，結構面多有泥化現象。此外，巖體強、弱風化層界線模糊，存在漸變區域，表現出明顯的不均勻風化特征。由于該套變質巖的隔水性較強，其表層土體及全、強風化層內易富集地下水，造成邊坡工程在雨季施工特別困難，且持續降雨后的變質巖風化層邊坡易發生失穩破壞。

淺變質巖質邊坡特別是其風化層邊坡與其它邊坡存在一些差別，比如自然邊坡較緩，滑坡的滑動面較淺，易產生次生滑動面，并且滑動面位置難以確定等。

2 影響淺變質巖邊坡穩定性的主要因素

2.1 內部因素

影響淺變質巖邊坡穩定性的內部因素主要有地層巖性、巖體結構、地質構造等，這些是影響邊坡穩定性的主導因素，并決定了邊坡破壞的形式和規模。

1) 地層巖性。地層巖性是決定邊坡工程地質特征的基本因素。地質年代老的地層，由于硬結成巖過程較長，巖體膠結緊密，其力學強度相對較高，因而這些地層形成的邊坡穩定性相對較好；而地質年代新的地層，由于硬結成巖時間短，巖體膠結較差甚至沒有膠結成巖，其力學強度低，則在這些地層形成的邊坡穩定性也相對較差。貴州地區的淺變質巖，上部地層主要為粉砂質板巖、千枚狀板巖、絹云母板巖、千枚巖等，下部地層多為變余砂巖、變余粉砂巖、變余凝灰巖等。這類淺變質巖的抗風化能力差，巖石風化后其抗壓強度與抗剪強度均表現出明顯降低，因而該地區的淺變質巖風化層邊坡極易發生邊坡失穩。

2) 巖體結構。根據巖體自身強度計算，邊坡高達數百米也是能穩定的，而當巖體中含有不利結構面時，高度不大的邊坡也可能發生破壞。其根本原因就在于結構面及其組合將巖體分割成不同形狀與結構，使巖體變得不連續、非均勻，且結構面的強度遠低于巖體本身的強度，從而大大降低了巖體的整體強度。

3) 地質構造。地質構造主要指區域內的巖層產狀、節理以及斷層、褶皺等的發育情況。邊坡的穩定性受巖層產狀與邊坡的空間幾何關系的影響十分顯著：當巖層傾向與邊坡坡向一致或接近時，巖體易順巖層發生垮塌和滑動，邊坡穩定性較差，巖層層面構成了控制邊坡破壞的主要結構面；反之，當巖層傾向與邊坡坡向相反或大角度相交時，邊坡則相對較為穩定。節理包括構造節理與風化節理，是巖體中發育最高的一種地質構造，多組節理組合交錯時往往會將巖體切割破碎，導致巖體的工程地質條件變差。斷層與褶皺地殼中最重要的構造，處在斷層帶與褶皺軸部的巖體由于受到構造應力的作用，其結構往往受到破壞，從而影響處在斷層帶及褶皺軸部的邊坡的穩定性。

2.2 外部因素

影響淺變質巖邊坡穩定性的外部因素主要有水的作用、風化作用、人類工程活動等，這些往往是邊坡失穩破壞的誘發因素。

1) 水的作用。諸多工程實踐表明，大多數變質巖邊坡的失穩破壞均與水的作用有關。水對變質巖邊坡的穩定性的影響主要表現在對邊坡巖體的破壞及巖體(含結構面)力學強度降低2個方面。

在一定條件下，變質巖邊坡巖體礦物發生水化和脫水作用所引起的礦物體積或成分變化會導致巖體結構或化學成分改變。在水和氣溫等其它因素綜合作用下，巖體的風化作用將得以向巖體深部發展擴散，從而使巖體破壞。

由于巖土體的物理力學性質受水的影響很大，因而地下水富集程度的提高對邊坡穩定性的影響主要表現在：①增加了巖土體的自重使得坡體下滑力增大；②軟化邊坡巖體，使邊坡巖體及結構面的抗剪強度降低，導致坡體的抗滑力減小；③引起孔隙水壓力上升，降低巖土體的有效應力，導致坡體的抗滑力減小。因此，持續降雨后，雨水順坡面松散土層及風化層迅速下滲往往會引發邊坡失穩破壞。

2) 風化作用。風化作用對巖體工程性質的影響主要表現在2個方面：破壞巖體的完整性與降低巖體的物理力學強度。

風化作用會通過物理化學作用使變質巖沿著巖體中的軟弱面等形成新的裂隙，或進一步加深和增寬巖體中的原有裂隙。新裂隙的形成及原有裂隙的加深增寬提高了巖體內部裂隙的連通性，降低了巖體的完整性，甚至導致軟弱結構面產生，從而降低邊坡的穩定性。

風化作用會破壞變質巖中的礦物顆粒及顆粒之間的聯結，使得巖石空隙度增大、巖體抗剪強度降低。此外，風化作用還會造成巖體結構面中充填物減少和裂隙巖壁的粗糙程度降低，從而導致結構面強度減小。

3) 人類工程活動。在長期地殼運動與風化剝蝕作用下，自然邊坡有趨于穩定的趨勢，而人類工程活動對邊坡穩定性的影響具有直接性、突然性。修建公路不得不開挖自然邊坡，改變了邊坡原有的應力平衡條件，產生了臨空面，而邊坡開挖過程中的爆破震動等會造成巖體結構松動，這些均可能誘發邊坡發生變形破壞。

3 工程實例分析

3.1 工程概況

貴州某高速公路K32+710-K32+845下行邊坡，長135 m，最高約23 m。邊坡原狀為：一、二、三級邊坡坡率分別約為1∶0.9，1∶1，1∶1，一、二級邊坡坡面均采用格構梁植草進行防護，三級邊坡坡面采用菱形骨架植草進行防護。地勘資料顯示，邊坡覆蓋層為殘坡積層(Qel+dl)含碎石黏土，下伏基巖為震旦系長安組(Zac)薄～中厚層狀變余砂巖。含碎石黏土呈硬塑狀，厚0.5～3.5 m；基巖強風化層巖體極破碎，厚5.7～28.0 m，中風化層巖體較破碎。

2016年5月，受持續暴雨影響，該邊坡發生變形破壞。經現場測繪發現，K32+782-K32+815段距坡口外約10 m位置出現開裂下錯，坡頂分布的2座墳墓被拉裂；K32+762-K32+830段第一、二級坡體發生臌脹變形，一、二級平臺出現下沉、開裂，坡面局部格構梁與坡體脫離，部分格構梁折斷、變形等；第三級坡面菱形骨架、邊坡坡腳右側高速公路路面及邊溝均未見明顯變形跡象。為保證高速公路的運營安全，需對該邊坡進行加固處治。

3.2 邊坡變形破壞機理與穩定性計算分析

經調繪及鉆探揭露分析，該邊坡前緣變形區域寬約72 m，沿主滑方向約37 m，面積約2 000 m2，滑體平均厚度約為11 m。滑坡體的物質組成主要為含碎石黏土與強風化變余砂巖，滑帶主要位于強風化變余砂巖中，整體呈圓弧型蠕動滑移。邊坡工程地質平面圖及邊坡穩定性分析計算斷面圖分別見圖1與圖2。

圖1 邊坡工程地質平面圖

圖2 邊坡穩定性分析計算斷面圖

根據邊坡的變形破壞特征，選取K32+800為典型斷面，恢復到原始地面線后，分別取Fs=1.20及Fs=0.98反算正常工況下巖土體與暴雨工況下滑動面的抗剪強度參數。

經反算分析得到正常工況下巖土體與暴雨工況下滑動面的抗剪強度參數見表1。

表1 邊坡巖土體與滑動面抗剪強度參數計算結果

根據邊坡變形破壞特征及穩定性計算分析可以看出，邊坡坡體多為含碎石黏土與強風化變余砂巖，巖土體抗剪強度低，邊坡未發生變形破壞之前處于穩定狀態。邊坡所在區域受持續暴雨影響后，大氣降雨入滲邊坡坡體不僅增加了邊坡巖土體的容重導致邊坡下滑力增大，還軟化邊坡巖土體使得巖土體抗剪強度進一步降低，導致邊坡抗滑力減小，并在邊坡開挖切腳的影響下，誘發邊坡于強風化變余砂巖中產生近圓弧型蠕動滑移。

選取K32+800為典型斷面，根據JTG D30-2015 《公路路基設計規范》表7.2.2，最不利工況(暴雨工況)下取安全系數K=1.20，計算得剩余下滑力水平分力E=665 kN/m。根據該邊坡的變形破壞特征及剩余下滑力大小，可采用放坡、加固等多種措施對該邊坡進行處治。

4 結語

1) 影響貴州變質巖邊坡穩定性的內部因素主要有地層巖性、巖體結構、地質構造等，這些是影響邊坡穩定性的主導因素；影響貴州變質巖邊坡穩定性的外部因素主要有水的作用、風化作用、人類工程活動等，這些往往是邊坡失穩破壞的誘發因素。

2) 持續降雨使得大量雨水入滲邊坡坡體，不僅增加了邊坡巖土體的容重導致邊坡下滑力增大，還軟化邊坡巖土體使得巖土體抗剪強度進一步降低導致邊坡抗滑力減小，是造成大量邊坡失穩的主要原因。

3) 對于淺變質巖邊坡，勘察時應著重查清其風化層厚度，設計施工中應盡可能放緩至自穩狀態后進行坡面防護，并加強邊坡截排水措施。