高切坡变形破坏及稳定性探析范文

《防灾科技学院学报》2016年第3期

摘要:

为了掌握归州河以西沿江公路由于升级改造、工程开挖而产生的大量公路高切坡发育分布特征，总结其变形破坏模式，进而对其稳定性进行分析。在野外实地宏观调查、测量的基础上，通过数据处理，运用赤平投影法对调查区高切坡稳定性进行区划，其中不稳定切坡长约3.8km，占比39.6%，多发育在侏罗系遂宁组和聂家山组中，主要变形破坏模式为滑移型、倾倒型和剥落型，并根据其破坏模式的差异性提出相应防治对策。

关键词:

高切坡;破坏模式;赤平投影;稳定性;防治对策

0引言

随着国民经济的日益增长，交通基础建设也发生了突飞猛进的发展，一些老旧公路陆续进行拓宽、改造工程。这些工作的开展，使得公路高切坡稳定性问题凸显。如2014年7月12日巴东县洞子沟高切坡发生崩塌，造成一人死亡，一辆小型轿车被毁，直接经济损失达200万元。2015年上半年湖北省秭归县水田坝乡—泄滩乡进行公路改造拓宽工程，工程实施过程中进行了大量工程开挖，一定数量的高切坡发生强烈变形、破坏甚至失稳。本文在对该段公路高切坡详细调查的基础上，对其破坏模式和稳定性判别进行分析，为当地政府在公路改造、拓宽工程后续的防灾减灾、工程治理提供基础资料和依据。

1区域地质概况

调查区域位于湖北省秭归县水田坝乡董家院子—王家岩。高切坡线路长度约8km。地形地貌上，该区域属于中低山峡谷地貌，多发于近南北向冲沟，切割深度15～100m，呈“V”型。地层岩性上，主要出露地层岩性为侏罗系地层［1］，其包括侏罗系聂家山组、侏罗系下沙溪庙组、侏罗系上沙溪庙组、侏罗系遂宁组，岩性主要以灰绿、黄褐、紫红色薄－中厚层砂岩、泥质粉砂岩为主，以互层结构为主，局部区域可见泥岩夹层，呈中－强风化状态，岩层产状较稳当，25°～65°∠35°～55°。地质构造上，工作区位于上扬子台坪之秭归台褶束东缘，绝大部分属于秭归盆地，东部跨入NNE向的黄陵断穹，北部包括NW向南大巴山弧形褶皱带尾部，南为NE、NEE向恩施弧形褶皱带，居于这三组不同方向构造交汇部位，属应力作用微弱地区，因而构造较为简单。

2高切坡破坏模式

根据野外调查，在高切坡分类的基础上，确定其可能的破坏模式［2－4］，不仅对高切坡的稳定性可以迅速作出初步评价，而且为潜在破坏面的识别提供依据，对高切坡在公路工程中的影响作出初步判断，进而对提出初步治理方案具有指导作用。其变形破坏模式主要存在以下几种:

2．1滑移型

(1)顺层滑移

该破坏类型主要发育在侏罗系遂宁组(J3s)顺层结构切破中，其特征为中厚层砂岩间夹有薄层泥岩，结构相对较为完整，层面倾角多＞45°，其临空方向多发育近水平和近垂直两组切层、控制性结构面，受两组结构面的切割，切割岩体以层面为滑动面，在自身重力作用下发生滑移破坏(图1)。

(2)切层滑移

该破坏类型的高切坡在该公路沿线较少发育，主要发育在侏罗系上沙溪庙组(J2s2)逆向结构边坡中，以薄－中层泥质粉砂岩为主，其泥质含量较高，节理、裂隙较发育，岩体极其破碎。公路临空方向坡脚开挖后，受卸荷和自身重力作用下，切层节理裂隙逐步延伸贯通形成统一滑动面，在降雨等外界因素诱发下发生滑动破坏［5］(图2)。

2．2倾倒型

(1)弯曲－倾倒

该类高切坡主要发育在侏罗系下沙溪庙组(J2s1)中，具有块体复合弯曲倾倒的典型特征。该类型切坡主要发育一组切层控制性结构面，临空面的开挖，在卸荷和重力作用下，岩层发生似连续的弯曲变形，这种弯曲是岩块产状缓慢变化的结果，相邻岩块间的岩层倾角变化十分微弱;因此看起来像连续的塑性弯曲。该类型切坡最初以小型垮塌破坏为主［6］(图3)。

(2)拉裂－倾倒

该破坏类型的高切坡在该公路沿线发育较多，主要发育在侏罗系聂家山组(J1n)中，其特征为中－厚层粉砂岩斜向岩质结构斜坡中，节理裂隙较发育。切坡较陡，多为峻坡状，节理裂隙多为陡立或反倾，在降雨等外界条件作用下，其重心不断向临空面移动，最终发生拉裂－倾倒破坏(图4)。

2．3剥落型

(1)风化－剥落

该类型高切坡在该公路沿线广泛发育，主要发育在侏罗系上沙溪庙组(J2s1)中，其岩体中节理、裂隙极其发育，大多为小型切层节理，透水性较好，利于大气降雨的入渗和排泄。遇水膨胀、浸水崩解、失水收缩抗风化能力极弱是其变形破坏的主要原因。边坡泥质岩在雨水的冲刷、风等风化营力作用下，逐渐剥落或塌落，在坡体上，形成岩腔，诱发崩塌，在坡脚形成松散堆积，边坡表层岩体剥落后，露出的新鲜岩石继续风化、发生不同程度的变形破坏(图5)。

(2)残留孤石

该破坏类型的高切坡在该公路沿线发育较少，主要发育在坡度35°～50°的斜坡上。表层多为第四系残坡积物，孤石多为斜坡后缘山体崩落残留在坡体表面，孤石块度大小不一，为侏罗系层粉砂岩和砂岩。下方坡脚开挖，坡体结构发生变化，每当降雨尤其是强降雨过后，坡体表面均发生不同程度变形破坏(图6)。表层土体发生松动滑移过程中，残留孤石在重力作用下沿斜坡向下运动，这也是经常在坡体底部公路边时常见到大小不一的块石散落，该灾害类型随机性较强，但由于山高坡陡，其具有较大的重力势能，也是公路沿线的重要隐患。通过对董家院子－王家岩段高切坡调查、统计，根据其破坏模式、集中发育的岩组、规模以及主要诱发因素进行了总结，见表1。

3高切坡稳定性判别及分区

高切坡内结构面的发育对其稳定性具有明显的控制作用［7－9］。通过调查该段公路高切坡结构面十分发育。故运用赤平投影的方法对该段公路高切坡稳定性进行判别［10］(图7)。假设天然边坡的投影弧为ETW、开挖边坡的投影弧为EKW，弧线两端点E与W的连线即表示边坡的走向方位。分别做弧ETW、EKW的内切圆，交点为T和K。小圆、中圆分别代表开挖边坡(KP)、天然边坡(TP)的坡角范围。T、K与圆心O的连线即为天然、开挖边坡的倾向，假设圆心O与T、K连线的延长线交赤平投影基圆N，则T、K与N的距离即为天然、开挖边坡的倾角大小。可见，OT、OK值越大，坡越缓;OT、OK值越小，则坡越陡。假定切坡内发育控制性结构面J1、J2、J3、J4……，通过其两两结构面组合交线与边坡投影弧的相对关系，即可判断出边坡的稳定性状况。图7以切坡中发育J1、J2两组结构面为例进行解析:(其中天然坡产状为:180°∠70°;开挖坡产状为:180°∠40°;结构面J1产状为:205°∠45°;结构面J2产状为:155°∠50°)。以边坡走向线EW为界，当J1、J2结构面的交点P位于EW线的下部，则组合交线OP－OP'的倾向与边坡倾向相反(图8中①)，边坡最稳定;交点P位于EW线的上部，且处于小圆之内(I区)，则组合交线OP－OP'的倾向与边坡倾向相对一致，倾角大于开挖边坡的坡角(图8中②)，边坡稳定;当交点P位于EW线的上部，处于中圆与赤平投影基圆之间(III区)，则组合交线OP－OP'的倾向与边坡倾向相对一致，倾角小于天然边坡的坡角(图8中③)，边坡基本稳定;当交点P位于EW线的上部，处于小圆与中圆之间(II区)，则组合交线OP－OP'的倾向与边坡倾向相对一致，倾角大于天然边坡的坡角，而小于开挖边坡的坡角(图8中④、⑤)，边坡较不稳定或不稳定［11］。而现实切坡中可能发育J1、J2、J3、J4……Jx多组控制性结构面，那么通过控制性结构面两两交线分别进行判别。判别过程中以安全为前提，两两组合均稳定，则切坡稳定，有任一组不稳定，则边坡不稳定［12］。根据该原则对调查高切坡进行了逐一评判，同时结合其所处岩性段、发育长度进行了统计分析(表2)。由表2可知:从总体稳定性上看，调查切坡总长度9571m，其中不稳定长3794m，约占总长度的39.6%;从单一岩组上看，不稳定切坡中主要发育在侏罗系聂家山组(J1n)和遂宁组(J3s)中，总长度2499m，占不稳定切坡的65.9%，占切坡总长度的26.1%。通过统计对调查高切坡段进行稳定性区划(图9)。

4防治对策

针对该段公路内不稳定切坡的诱发因素及变形破坏模式分别提出相应防治对策［13］。顺层滑移型:由于其主要发育在厚层砂岩与中薄层泥质粉砂岩岩性组合内，上部多为厚层－块状砂岩，下伏力学性质较差的泥质粉砂岩，失稳主要以上部的砂岩为主，故对该类型的不稳定斜坡，建议①对飘倾于坡面以上悬空的厚层砂岩进行清除;②对悬空厚层砂岩下方路面处进行补强支护;切层滑移型:由于其岩体结构极其破碎，建议采取清除+喷护进行处理;弯曲倾倒型:该类型的不稳定斜坡多为节理裂隙较发育的碎裂岩体，建议对该类型的不稳定斜坡上部的变形破坏强烈处进行清除，同时进行坡面喷护，同时做好排水处理;拉裂倾倒型:规模小，建议清除;规模大，建议锚固;风化－剥落型:该类型不稳定斜坡多为薄层泥质含量极高的泥质粉砂岩，其抗风化能力极差，遇水极易软化崩解。对该类型不稳定斜坡应采取对表面强风化岩体进行清除，后期进行坡面喷护、排水处置。残留孤石:对于该类型的不稳定斜坡，建议对斜坡上部潜在威胁的孤石进行清除。

5结论及建议

(1)通过调查统计，董家院子—王家岩公路高切坡总长度9571m，运用赤平投影法对其稳定性进行分析，其中稳定切坡2543m、基本稳定切坡3234m、不稳定切坡3794m，不稳定切坡多发育在侏罗系聂家山组(J1n)和遂宁组(J3s)岩性段内。

(2)通过调查高切坡主要变形破坏模式为滑移型、倾倒型和剥落型，其规模以中小型为主，主要威胁对象为下方公路交通，边坡变形破坏的主要诱发因素有降雨、人工开挖、风化和自身重力作用。

(3)切坡变形破坏模式和其自身所处的岩组有明显的相关性，滑移型多发育在侏罗系遂宁组(J3s)和上沙溪庙组(J2s2)中;倾倒型多发育在上沙溪庙组(J2s2)和聂家山组(J1n)中;剥落型多发育在下沙溪庙组(J2s1)中。

(4)建议对该段公路高切坡加强巡视力度，尤其是持续降雨的汛期，做好附近居民的群测群防工作，发现险情及时通报。对目前变形破坏迹象明显、危害性大的切坡，建议根据其不同的破坏模式进行相应的专业监测或工程治理。

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作者:刘广宁 齐信 黄波林 王世昌 单位:中国地质调查局武汉地质调查中心