贵州浅变质岩边坡稳定性影响因素分析

杨益彪 徐呈祥 何 云

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550081)

由于贵州复杂的地形地貌和地质条件，在公路建设中形成了大量高陡边坡。经调查分析发现，这些高陡边坡中的浅变质岩边坡在公路建设及运营过程中由于自然、人为等因素极易产生边坡失稳问题，仅在贵州玉屏至凯里高速公路建设中就发生了多个大型变质岩滑坡，造成了大量生命及财产损失。

边坡稳定性问题一直以来都是岩土工程界研究的热点，陈祖煜[1]、王恭先[2]、黄润秋[3]等诸多学者根据大量工程实例对边坡稳定性影响因素进行了系统的归纳总结。关于贵州境内的浅变质岩边坡稳定性分析评价，王勇[4]、何配天[5]等都通过对三凯高速的地质灾害治理探讨进行了归纳总结，吴嘉丞[6]、许湘华[7]等以厦蓉高速公路贵州段的浅变质岩高边坡为研究对象分析其稳定性，王崇军[8]则对浅变质岩风化层边坡进行了系统性的研究。

本文系统地分析归纳了影响贵州浅变质岩边坡稳定性的内部因素与外部因素，并通过工程实例进一步揭示变质岩边坡的变形破坏机理，以期为贵州以及西部山区类似边坡的勘察设计提供思路和工程借鉴。

1 贵州浅变质岩的工程特性

变质岩是地壳中的岩浆岩或沉积岩在环境条件改变的影响下，其矿物成分、化学成分及结构构造发生变化而形成的。贵州境内分布的变质岩以区域变质岩为主，多为浅变质的绿片岩相，主要出露有晚元古宙板溪群清水江组及震旦系地层。其中清水江组地层多为灰绿、浅灰及灰色变余砂岩、变余凝灰岩、凝灰质板岩、粉砂质板岩等；而震旦系地层主要为变余砂岩、砾岩、含砾板岩等。贵州区内浅变质岩物质成分以泥质、砂质成分为主，岩体极易风化，全、强风化厚度大，岩体破碎，结构面多有泥化现象。此外，岩体强、弱风化层界线模糊，存在渐变区域，表现出明显的不均匀风化特征。由于该套变质岩的隔水性较强，其表层土体及全、强风化层内易富集地下水，造成边坡工程在雨季施工特别困难，且持续降雨后的变质岩风化层边坡易发生失稳破坏。

浅变质岩质边坡特别是其风化层边坡与其它边坡存在一些差别，比如自然边坡较缓，滑坡的滑动面较浅，易产生次生滑动面，并且滑动面位置难以确定等。

2 影响浅变质岩边坡稳定性的主要因素

2.1 内部因素

影响浅变质岩边坡稳定性的内部因素主要有地层岩性、岩体结构、地质构造等，这些是影响边坡稳定性的主导因素，并决定了边坡破坏的形式和规模。

1) 地层岩性。地层岩性是决定边坡工程地质特征的基本因素。地质年代老的地层，由于硬结成岩过程较长，岩体胶结紧密，其力学强度相对较高，因而这些地层形成的边坡稳定性相对较好；而地质年代新的地层，由于硬结成岩时间短，岩体胶结较差甚至没有胶结成岩，其力学强度低，则在这些地层形成的边坡稳定性也相对较差。贵州地区的浅变质岩，上部地层主要为粉砂质板岩、千枚状板岩、绢云母板岩、千枚岩等，下部地层多为变余砂岩、变余粉砂岩、变余凝灰岩等。这类浅变质岩的抗风化能力差，岩石风化后其抗压强度与抗剪强度均表现出明显降低，因而该地区的浅变质岩风化层边坡极易发生边坡失稳。

2) 岩体结构。根据岩体自身强度计算，边坡高达数百米也是能稳定的，而当岩体中含有不利结构面时，高度不大的边坡也可能发生破坏。其根本原因就在于结构面及其组合将岩体分割成不同形状与结构，使岩体变得不连续、非均匀，且结构面的强度远低于岩体本身的强度，从而大大降低了岩体的整体强度。

3) 地质构造。地质构造主要指区域内的岩层产状、节理以及断层、褶皱等的发育情况。边坡的稳定性受岩层产状与边坡的空间几何关系的影响十分显著：当岩层倾向与边坡坡向一致或接近时，岩体易顺岩层发生垮塌和滑动，边坡稳定性较差，岩层层面构成了控制边坡破坏的主要结构面；反之，当岩层倾向与边坡坡向相反或大角度相交时，边坡则相对较为稳定。节理包括构造节理与风化节理，是岩体中发育最高的一种地质构造，多组节理组合交错时往往会将岩体切割破碎，导致岩体的工程地质条件变差。断层与褶皱地壳中最重要的构造，处在断层带与褶皱轴部的岩体由于受到构造应力的作用，其结构往往受到破坏，从而影响处在断层带及褶皱轴部的边坡的稳定性。

2.2 外部因素

影响浅变质岩边坡稳定性的外部因素主要有水的作用、风化作用、人类工程活动等，这些往往是边坡失稳破坏的诱发因素。

1) 水的作用。诸多工程实践表明，大多数变质岩边坡的失稳破坏均与水的作用有关。水对变质岩边坡的稳定性的影响主要表现在对边坡岩体的破坏及岩体(含结构面)力学强度降低2个方面。

在一定条件下，变质岩边坡岩体矿物发生水化和脱水作用所引起的矿物体积或成分变化会导致岩体结构或化学成分改变。在水和气温等其它因素综合作用下，岩体的风化作用将得以向岩体深部发展扩散，从而使岩体破坏。

由于岩土体的物理力学性质受水的影响很大，因而地下水富集程度的提高对边坡稳定性的影响主要表现在：①增加了岩土体的自重使得坡体下滑力增大；②软化边坡岩体，使边坡岩体及结构面的抗剪强度降低，导致坡体的抗滑力减小；③引起孔隙水压力上升，降低岩土体的有效应力，导致坡体的抗滑力减小。因此，持续降雨后，雨水顺坡面松散土层及风化层迅速下渗往往会引发边坡失稳破坏。

2) 风化作用。风化作用对岩体工程性质的影响主要表现在2个方面：破坏岩体的完整性与降低岩体的物理力学强度。

风化作用会通过物理化学作用使变质岩沿着岩体中的软弱面等形成新的裂隙，或进一步加深和增宽岩体中的原有裂隙。新裂隙的形成及原有裂隙的加深增宽提高了岩体内部裂隙的连通性，降低了岩体的完整性，甚至导致软弱结构面产生，从而降低边坡的稳定性。

风化作用会破坏变质岩中的矿物颗粒及颗粒之间的联结，使得岩石空隙度增大、岩体抗剪强度降低。此外，风化作用还会造成岩体结构面中充填物减少和裂隙岩壁的粗糙程度降低，从而导致结构面强度减小。

3) 人类工程活动。在长期地壳运动与风化剥蚀作用下，自然边坡有趋于稳定的趋势，而人类工程活动对边坡稳定性的影响具有直接性、突然性。修建公路不得不开挖自然边坡，改变了边坡原有的应力平衡条件，产生了临空面，而边坡开挖过程中的爆破震动等会造成岩体结构松动，这些均可能诱发边坡发生变形破坏。

3 工程实例分析

3.1 工程概况

贵州某高速公路K32+710-K32+845下行边坡，长135 m，最高约23 m。边坡原状为：一、二、三级边坡坡率分别约为1∶0.9，1∶1，1∶1，一、二级边坡坡面均采用格构梁植草进行防护，三级边坡坡面采用菱形骨架植草进行防护。地勘资料显示，边坡覆盖层为残坡积层(Qel+dl)含碎石黏土，下伏基岩为震旦系长安组(Zac)薄～中厚层状变余砂岩。含碎石黏土呈硬塑状，厚0.5～3.5 m；基岩强风化层岩体极破碎，厚5.7～28.0 m，中风化层岩体较破碎。

2016年5月，受持续暴雨影响，该边坡发生变形破坏。经现场测绘发现，K32+782-K32+815段距坡口外约10 m位置出现开裂下错，坡顶分布的2座坟墓被拉裂；K32+762-K32+830段第一、二级坡体发生臌胀变形，一、二级平台出现下沉、开裂，坡面局部格构梁与坡体脱离，部分格构梁折断、变形等；第三级坡面菱形骨架、边坡坡脚右侧高速公路路面及边沟均未见明显变形迹象。为保证高速公路的运营安全，需对该边坡进行加固处治。

3.2 边坡变形破坏机理与稳定性计算分析

经调绘及钻探揭露分析，该边坡前缘变形区域宽约72 m，沿主滑方向约37 m，面积约2 000 m2，滑体平均厚度约为11 m。滑坡体的物质组成主要为含碎石黏土与强风化变余砂岩，滑带主要位于强风化变余砂岩中，整体呈圆弧型蠕动滑移。边坡工程地质平面图及边坡稳定性分析计算断面图分别见图1与图2。

图1 边坡工程地质平面图

图2 边坡稳定性分析计算断面图

根据边坡的变形破坏特征，选取K32+800为典型断面，恢复到原始地面线后，分别取Fs=1.20及Fs=0.98反算正常工况下岩土体与暴雨工况下滑动面的抗剪强度参数。

经反算分析得到正常工况下岩土体与暴雨工况下滑动面的抗剪强度参数见表1。

表1 边坡岩土体与滑动面抗剪强度参数计算结果

根据边坡变形破坏特征及稳定性计算分析可以看出，边坡坡体多为含碎石黏土与强风化变余砂岩，岩土体抗剪强度低，边坡未发生变形破坏之前处于稳定状态。边坡所在区域受持续暴雨影响后，大气降雨入渗边坡坡体不仅增加了边坡岩土体的容重导致边坡下滑力增大，还软化边坡岩土体使得岩土体抗剪强度进一步降低，导致边坡抗滑力减小，并在边坡开挖切脚的影响下，诱发边坡于强风化变余砂岩中产生近圆弧型蠕动滑移。

选取K32+800为典型断面，根据JTG D30-2015 《公路路基设计规范》表7.2.2，最不利工况(暴雨工况)下取安全系数K=1.20，计算得剩余下滑力水平分力E=665 kN/m。根据该边坡的变形破坏特征及剩余下滑力大小，可采用放坡、加固等多种措施对该边坡进行处治。

4 结语

1) 影响贵州变质岩边坡稳定性的内部因素主要有地层岩性、岩体结构、地质构造等，这些是影响边坡稳定性的主导因素；影响贵州变质岩边坡稳定性的外部因素主要有水的作用、风化作用、人类工程活动等，这些往往是边坡失稳破坏的诱发因素。

2) 持续降雨使得大量雨水入渗边坡坡体，不仅增加了边坡岩土体的容重导致边坡下滑力增大，还软化边坡岩土体使得岩土体抗剪强度进一步降低导致边坡抗滑力减小，是造成大量边坡失稳的主要原因。

3) 对于浅变质岩边坡，勘察时应着重查清其风化层厚度，设计施工中应尽可能放缓至自稳状态后进行坡面防护，并加强边坡截排水措施。