高切坡變形破壞及穩(wěn)定性探析范文

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《防災(zāi)科技學(xué)院學(xué)報(bào)》2016年第3期

摘要:

為了掌握歸州河以西沿江公路由于升級改造、工程開挖而產(chǎn)生的大量公路高切坡發(fā)育分布特征，總結(jié)其變形破壞模式，進(jìn)而對其穩(wěn)定性進(jìn)行分析。在野外實(shí)地宏觀調(diào)查、測量的基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)處理，運(yùn)用赤平投影法對調(diào)查區(qū)高切坡穩(wěn)定性進(jìn)行區(qū)劃，其中不穩(wěn)定切坡長約3.8km，占比39.6%，多發(fā)育在侏羅系遂寧組和聶家山組中，主要變形破壞模式為滑移型、傾倒型和剝落型，并根據(jù)其破壞模式的差異性提出相應(yīng)防治對策。

關(guān)鍵詞:

高切坡;破壞模式;赤平投影;穩(wěn)定性;防治對策

0引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的日益增長，交通基礎(chǔ)建設(shè)也發(fā)生了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，一些老舊公路陸續(xù)進(jìn)行拓寬、改造工程。這些工作的開展，使得公路高切坡穩(wěn)定性問題凸顯。如2014年7月12日巴東縣洞子溝高切坡發(fā)生崩塌，造成一人死亡，一輛小型轎車被毀，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)200萬元。2015年上半年湖北省秭歸縣水田壩鄉(xiāng)—泄灘鄉(xiāng)進(jìn)行公路改造拓寬工程，工程實(shí)施過程中進(jìn)行了大量工程開挖，一定數(shù)量的高切坡發(fā)生強(qiáng)烈變形、破壞甚至失穩(wěn)。本文在對該段公路高切坡詳細(xì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，對其破壞模式和穩(wěn)定性判別進(jìn)行分析，為當(dāng)?shù)卣诠犯脑?、拓寬工程后續(xù)的防災(zāi)減災(zāi)、工程治理提供基礎(chǔ)資料和依據(jù)。

1區(qū)域地質(zhì)概況

調(diào)查區(qū)域位于湖北省秭歸縣水田壩鄉(xiāng)董家院子—王家?guī)r。高切坡線路長度約8km。地形地貌上，該區(qū)域?qū)儆谥械蜕綅{谷地貌，多發(fā)于近南北向沖溝，切割深度15～100m，呈“V”型。地層巖性上，主要出露地層巖性為侏羅系地層［1］，其包括侏羅系聶家山組、侏羅系下沙溪廟組、侏羅系上沙溪廟組、侏羅系遂寧組，巖性主要以灰綠、黃褐、紫紅色薄－中厚層砂巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，以互層結(jié)構(gòu)為主，局部區(qū)域可見泥巖夾層，呈中－強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)，巖層產(chǎn)狀較穩(wěn)當(dāng)，25°～65°∠35°～55°。地質(zhì)構(gòu)造上，工作區(qū)位于上揚(yáng)子臺坪之秭歸臺褶束東緣，絕大部分屬于秭歸盆地，東部跨入NNE向的黃陵斷穹，北部包括NW向南大巴山弧形褶皺帶尾部，南為NE、NEE向恩施弧形褶皺帶，居于這三組不同方向構(gòu)造交匯部位，屬應(yīng)力作用微弱地區(qū)，因而構(gòu)造較為簡單。

2高切坡破壞模式

根據(jù)野外調(diào)查，在高切坡分類的基礎(chǔ)上，確定其可能的破壞模式［2－4］，不僅對高切坡的穩(wěn)定性可以迅速作出初步評價(jià)，而且為潛在破壞面的識別提供依據(jù)，對高切坡在公路工程中的影響作出初步判斷，進(jìn)而對提出初步治理方案具有指導(dǎo)作用。其變形破壞模式主要存在以下幾種:

2．1滑移型

(1)順層滑移

該破壞類型主要發(fā)育在侏羅系遂寧組(J3s)順層結(jié)構(gòu)切破中，其特征為中厚層砂巖間夾有薄層泥巖，結(jié)構(gòu)相對較為完整，層面傾角多＞45°，其臨空方向多發(fā)育近水平和近垂直兩組切層、控制性結(jié)構(gòu)面，受兩組結(jié)構(gòu)面的切割，切割巖體以層面為滑動面，在自身重力作用下發(fā)生滑移破壞(圖1)。

(2)切層滑移

該破壞類型的高切坡在該公路沿線較少發(fā)育，主要發(fā)育在侏羅系上沙溪廟組(J2s2)逆向結(jié)構(gòu)邊坡中，以薄－中層泥質(zhì)粉砂巖為主，其泥質(zhì)含量較高，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，巖體極其破碎。公路臨空方向坡腳開挖后，受卸荷和自身重力作用下，切層節(jié)理裂隙逐步延伸貫通形成統(tǒng)一滑動面，在降雨等外界因素誘發(fā)下發(fā)生滑動破壞［5］(圖2)。

2．2傾倒型

(1)彎曲－傾倒

該類高切坡主要發(fā)育在侏羅系下沙溪廟組(J2s1)中，具有塊體復(fù)合彎曲傾倒的典型特征。該類型切坡主要發(fā)育一組切層控制性結(jié)構(gòu)面，臨空面的開挖，在卸荷和重力作用下，巖層發(fā)生似連續(xù)的彎曲變形，這種彎曲是巖塊產(chǎn)狀緩慢變化的結(jié)果，相鄰巖塊間的巖層傾角變化十分微弱;因此看起來像連續(xù)的塑性彎曲。該類型切坡最初以小型垮塌破壞為主［6］(圖3)。

(2)拉裂－傾倒

該破壞類型的高切坡在該公路沿線發(fā)育較多，主要發(fā)育在侏羅系聶家山組(J1n)中，其特征為中－厚層粉砂巖斜向巖質(zhì)結(jié)構(gòu)斜坡中，節(jié)理裂隙較發(fā)育。切坡較陡，多為峻坡狀，節(jié)理裂隙多為陡立或反傾，在降雨等外界條件作用下，其重心不斷向臨空面移動，最終發(fā)生拉裂－傾倒破壞(圖4)。

2．3剝落型

(1)風(fēng)化－剝落

該類型高切坡在該公路沿線廣泛發(fā)育，主要發(fā)育在侏羅系上沙溪廟組(J2s1)中，其巖體中節(jié)理、裂隙極其發(fā)育，大多為小型切層節(jié)理，透水性較好，利于大氣降雨的入滲和排泄。遇水膨脹、浸水崩解、失水收縮抗風(fēng)化能力極弱是其變形破壞的主要原因。邊坡泥質(zhì)巖在雨水的沖刷、風(fēng)等風(fēng)化營力作用下，逐漸剝落或塌落，在坡體上，形成巖腔，誘發(fā)崩塌，在坡腳形成松散堆積，邊坡表層巖體剝落后，露出的新鮮巖石繼續(xù)風(fēng)化、發(fā)生不同程度的變形破壞(圖5)。

(2)殘留孤石

該破壞類型的高切坡在該公路沿線發(fā)育較少，主要發(fā)育在坡度35°～50°的斜坡上。表層多為第四系殘坡積物，孤石多為斜坡后緣山體崩落殘留在坡體表面，孤石塊度大小不一，為侏羅系層粉砂巖和砂巖。下方坡腳開挖，坡體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，每當(dāng)降雨尤其是強(qiáng)降雨過后，坡體表面均發(fā)生不同程度變形破壞(圖6)。表層土體發(fā)生松動滑移過程中，殘留孤石在重力作用下沿斜坡向下運(yùn)動，這也是經(jīng)常在坡體底部公路邊時(shí)常見到大小不一的塊石散落，該災(zāi)害類型隨機(jī)性較強(qiáng)，但由于山高坡陡，其具有較大的重力勢能，也是公路沿線的重要隱患。通過對董家院子－王家?guī)r段高切坡調(diào)查、統(tǒng)計(jì)，根據(jù)其破壞模式、集中發(fā)育的巖組、規(guī)模以及主要誘發(fā)因素進(jìn)行了總結(jié)，見表1。

3高切坡穩(wěn)定性判別及分區(qū)

高切坡內(nèi)結(jié)構(gòu)面的發(fā)育對其穩(wěn)定性具有明顯的控制作用［7－9］。通過調(diào)查該段公路高切坡結(jié)構(gòu)面十分發(fā)育。故運(yùn)用赤平投影的方法對該段公路高切坡穩(wěn)定性進(jìn)行判別［10］(圖7)。假設(shè)天然邊坡的投影弧為ETW、開挖邊坡的投影弧為EKW，弧線兩端點(diǎn)E與W的連線即表示邊坡的走向方位。分別做弧ETW、EKW的內(nèi)切圓，交點(diǎn)為T和K。小圓、中圓分別代表開挖邊坡(KP)、天然邊坡(TP)的坡角范圍。T、K與圓心O的連線即為天然、開挖邊坡的傾向，假設(shè)圓心O與T、K連線的延長線交赤平投影基圓N，則T、K與N的距離即為天然、開挖邊坡的傾角大小?？梢姡琌T、OK值越大，坡越緩;OT、OK值越小，則坡越陡。假定切坡內(nèi)發(fā)育控制性結(jié)構(gòu)面J1、J2、J3、J4……，通過其兩兩結(jié)構(gòu)面組合交線與邊坡投影弧的相對關(guān)系，即可判斷出邊坡的穩(wěn)定性狀況。圖7以切坡中發(fā)育J1、J2兩組結(jié)構(gòu)面為例進(jìn)行解析:(其中天然坡產(chǎn)狀為:180°∠70°;開挖坡產(chǎn)狀為:180°∠40°;結(jié)構(gòu)面J1產(chǎn)狀為:205°∠45°;結(jié)構(gòu)面J2產(chǎn)狀為:155°∠50°)。以邊坡走向線EW為界，當(dāng)J1、J2結(jié)構(gòu)面的交點(diǎn)P位于EW線的下部，則組合交線OP－OP'的傾向與邊坡傾向相反(圖8中①)，邊坡最穩(wěn)定;交點(diǎn)P位于EW線的上部，且處于小圓之內(nèi)(I區(qū))，則組合交線OP－OP'的傾向與邊坡傾向相對一致，傾角大于開挖邊坡的坡角(圖8中②)，邊坡穩(wěn)定;當(dāng)交點(diǎn)P位于EW線的上部，處于中圓與赤平投影基圓之間(III區(qū))，則組合交線OP－OP'的傾向與邊坡傾向相對一致，傾角小于天然邊坡的坡角(圖8中③)，邊坡基本穩(wěn)定;當(dāng)交點(diǎn)P位于EW線的上部，處于小圓與中圓之間(II區(qū))，則組合交線OP－OP'的傾向與邊坡傾向相對一致，傾角大于天然邊坡的坡角，而小于開挖邊坡的坡角(圖8中④、⑤)，邊坡較不穩(wěn)定或不穩(wěn)定［11］。而現(xiàn)實(shí)切坡中可能發(fā)育J1、J2、J3、J4……Jx多組控制性結(jié)構(gòu)面，那么通過控制性結(jié)構(gòu)面兩兩交線分別進(jìn)行判別。判別過程中以安全為前提，兩兩組合均穩(wěn)定，則切坡穩(wěn)定，有任一組不穩(wěn)定，則邊坡不穩(wěn)定［12］。根據(jù)該原則對調(diào)查高切坡進(jìn)行了逐一評判，同時(shí)結(jié)合其所處巖性段、發(fā)育長度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析(表2)。由表2可知:從總體穩(wěn)定性上看，調(diào)查切坡總長度9571m，其中不穩(wěn)定長3794m，約占總長度的39.6%;從單一巖組上看，不穩(wěn)定切坡中主要發(fā)育在侏羅系聶家山組(J1n)和遂寧組(J3s)中，總長度2499m，占不穩(wěn)定切坡的65.9%，占切坡總長度的26.1%。通過統(tǒng)計(jì)對調(diào)查高切坡段進(jìn)行穩(wěn)定性區(qū)劃(圖9)。

4防治對策

針對該段公路內(nèi)不穩(wěn)定切坡的誘發(fā)因素及變形破壞模式分別提出相應(yīng)防治對策［13］。順層滑移型:由于其主要發(fā)育在厚層砂巖與中薄層泥質(zhì)粉砂巖巖性組合內(nèi)，上部多為厚層－塊狀砂巖，下伏力學(xué)性質(zhì)較差的泥質(zhì)粉砂巖，失穩(wěn)主要以上部的砂巖為主，故對該類型的不穩(wěn)定斜坡，建議①對飄傾于坡面以上懸空的厚層砂巖進(jìn)行清除;②對懸空厚層砂巖下方路面處進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù);切層滑移型:由于其巖體結(jié)構(gòu)極其破碎，建議采取清除+噴護(hù)進(jìn)行處理;彎曲傾倒型:該類型的不穩(wěn)定斜坡多為節(jié)理裂隙較發(fā)育的碎裂巖體，建議對該類型的不穩(wěn)定斜坡上部的變形破壞強(qiáng)烈處進(jìn)行清除，同時(shí)進(jìn)行坡面噴護(hù)，同時(shí)做好排水處理;拉裂傾倒型:規(guī)模小，建議清除;規(guī)模大，建議錨固;風(fēng)化－剝落型:該類型不穩(wěn)定斜坡多為薄層泥質(zhì)含量極高的泥質(zhì)粉砂巖，其抗風(fēng)化能力極差，遇水極易軟化崩解。對該類型不穩(wěn)定斜坡應(yīng)采取對表面強(qiáng)風(fēng)化巖體進(jìn)行清除，后期進(jìn)行坡面噴護(hù)、排水處置。殘留孤石:對于該類型的不穩(wěn)定斜坡，建議對斜坡上部潛在威脅的孤石進(jìn)行清除。

5結(jié)論及建議

(1)通過調(diào)查統(tǒng)計(jì)，董家院子—王家?guī)r公路高切坡總長度9571m，運(yùn)用赤平投影法對其穩(wěn)定性進(jìn)行分析，其中穩(wěn)定切坡2543m、基本穩(wěn)定切坡3234m、不穩(wěn)定切坡3794m，不穩(wěn)定切坡多發(fā)育在侏羅系聶家山組(J1n)和遂寧組(J3s)巖性段內(nèi)。

(2)通過調(diào)查高切坡主要變形破壞模式為滑移型、傾倒型和剝落型，其規(guī)模以中小型為主，主要威脅對象為下方公路交通，邊坡變形破壞的主要誘發(fā)因素有降雨、人工開挖、風(fēng)化和自身重力作用。

(3)切坡變形破壞模式和其自身所處的巖組有明顯的相關(guān)性，滑移型多發(fā)育在侏羅系遂寧組(J3s)和上沙溪廟組(J2s2)中;傾倒型多發(fā)育在上沙溪廟組(J2s2)和聶家山組(J1n)中;剝落型多發(fā)育在下沙溪廟組(J2s1)中。

(4)建議對該段公路高切坡加強(qiáng)巡視力度，尤其是持續(xù)降雨的汛期，做好附近居民的群測群防工作，發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情及時(shí)通報(bào)。對目前變形破壞跡象明顯、危害性大的切坡，建議根據(jù)其不同的破壞模式進(jìn)行相應(yīng)的專業(yè)監(jiān)測或工程治理。

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作者:劉廣寧 齊信 黃波林 王世昌 單位:中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心