岩溶区软岩基底岩质边坡失稳数值模拟研究

刘林洁

(郑州工业安全职业学院，郑州 450000)

1 工程概况

研究区边坡位于贵州省毕节地区威宁县新发乡。测区最高点海拔高程2 879.6 m，位于南西部岔河乡平臀梁子处；测区最低点海拔高程1 185 m，位于北东部洛泽河出境处；大部地区为2 000～2 400 m之间的海拔高程，平均海拔高程2 237 m；区内相对高差一般200～500 m之间，最大相差1 694.6 m。县境内的平均坡度14.7°，坡度在6°～25°之间的占77.81%。

研究区边坡出露地层为三叠系下统飞仙关组(T1f)，高程1 860～2 010 m之间陡崖处岩性主要有灰岩，斜坡中下部即在高程1 530～1 860 m之间发育为粉砂岩，中～细粒结构，局部为粗粒结构，薄层状。见图1-图2。

图1 灰岩

图2 粉砂岩

研究区软岩基底岩质边坡无区域性断裂通过。研究区边坡陡崖范围内灰岩岩层产状为200°∠6°。边坡主要岩性以灰岩和砂岩为主，构成软岩基底岩质边坡。根据野外调查统计，主要发育有两组优势节理裂隙(表1)，裂隙玫瑰花图见图3，裂隙均以陡倾为主，裂缝中见有少量碎石及泥质填充。

图3 裂隙走向玫瑰花图

表1 研究区裂隙汇总统计表

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2 危岩体边坡基本特征

岩体作为地质体的一部分，具有非均质和各向异性等特点。岩体中物质力学性能相对软弱的夹层或者是力学强度相对较低的部位，称为结构面[1]。岩体结构能够反映结构面发育的程度、块体的大小和岩体完整性及力学性质。研究区边坡属于层状结构。危岩体所处边坡整体上坡度较陡。危岩体规模大小不等，形态各异，位于高程1 860～1 970 m之间，相对高差110 m，坡体上部岩石裸露，坡度较陡，约75°～80°；中部、下部坡度相对较缓，约30°～50°；坡体中下部岩体岩性为砂岩，此范围内有植被覆盖。见图4。

图4 软岩基底岩质边坡全景及剖面图

该边坡区在高程1 530～1 820 m之间发育为粉砂岩(图5)，中～细粒结构，局部为粗粒结构，薄层状，矿物成分主要为长石、石英等，此区域粉砂岩表部风化严重，发育有侵蚀作用下的深沟。在高程1 820～2 010 m之间发育为灰岩，危岩体正处于此高程的中上部区域，坡体为缓内倾边坡。斜坡危岩体主要结构面类型：节理裂隙、卸荷裂隙和岩层层面。陡崖处水平裂隙发育较多，水平裂隙发育密度大约为3～4条/m，竖向裂隙发育长且深，结构面起伏粗糙，至下逐渐消失。据现场调查，岩层产状为200°∠6°，上部陡倾边坡处发育有两组优势结构面，产状为J1：235°∠88°和J2：286°∠84°。

图5 研究区边坡结构面产状

3 危岩体控制影响因素分析

研究区斜坡岩体内裂隙发育，贯通性良好，裂隙水压力扩大裂隙的张开程度，水的溶蚀作用将降低结构面上的抗剪强度，促进危岩的形成。

研究区边坡属于上硬下软的岩性组合，上部较硬的灰岩在自重应力作用下挤压下部较软的粉砂岩，进而导致上部灰岩和下部软岩交界面上产生拉裂缝，且交界面上软岩的压缩变形也将会导致上部灰岩重心移动，使坡体上部的卸荷裂隙沿着原有的陡倾结构面继续产生变形[2]。

危岩体岩性为灰岩，灰岩属于硬质碳酸盐岩。当边坡坡角大于70°时，在岩层界面上产生的差异性风化卸荷作用使斜坡表面局部形成众多深浅不一的凹岩腔(图6)。地表水沿灰岩内的节理面或裂隙面等发生溶蚀，破坏岩体稳定性，促进危岩形成。

图6 危岩体下方凹岩腔

4 危岩体失稳机理分析

软岩基底岩质边坡危岩体为倾倒式破坏：危岩体失稳方式受坡面、岩层层面、优势结构面及上硬下软的岩性组合多方面的影响，岩体结构特征及主要控制性结构面倾角对危岩稳定有很大影响。危岩失稳的侧边界为倾向近直立的卸荷结构面，底部控制面为岩层层面，后缘边界为顺坡向的陡倾结构面构成，危岩体位于坡体临空面陡崖处。由于上硬下软的岩性组合，上部较硬的灰岩在自重应力作用下挤压下部较软的粉砂岩，加之地下水对软弱基座的软化或侵蚀作用，使得粉砂岩产生一定的压缩变形，使得软硬岩层交界面处产生大量裂隙且裂隙的发展是自下而上的；受粉砂岩压缩变形的影响，上部灰岩重心发生位移，坡体后缘卸荷裂隙将沿着原有的陡倾结构面继续发生变形[3]。

危岩体岩性为灰岩，灰岩属于硬质碳酸盐岩，当边坡坡角大于70°时，在岩层界面上产生的差异性风化卸荷作用使斜坡表面局部形成众多凹岩腔，导致上部危岩体的底部支撑稳定性变差，重力逐渐外倾，在危岩体自重及其它外力作用下危岩体绕下部基座支点向坡外发生转动，发生倾倒崩落[4]。

5 危岩体演变过程模拟

研究区边坡主要位于海拔高程1 850～2 100 m的山盆期一期夷平面范围内，斜坡危岩体的形成过程实际上伴随着危岩体内部的各种应力和位移变化过程，危岩体的演变过程主要考虑河流下切和溶蚀作用的影响。

5.1 模拟构建的原则和尺寸单元

模拟时，假设河谷形成前两岸原始地形线均为水平状态且符合夷平面高程范围，且假设初始原始地形线为2 100 m。

现将软岩基底岩质边坡的发育演化过程分为以下几个阶段，见图7。

图7 软岩基底岩质边坡危岩体演变过程模型

5.2 模拟结果分析

1) 位移特征。河流切割坡体之前，斜坡的变形主要受重力作用的影响，变形主要集中在坡体内部且位移较小。随着河流下切，坡体向临空面方向产生的水平位移逐渐变大，坡脚处水平位移最为明显，最大达0.14 m；竖向位移也随之增大，主要变形区位于危岩体前缘高高程区域，最大值达到1.4 m。见图8。

图8 水平、竖向位移分析

2) 应力特征。模拟结果显示，在初始阶段最大主应力方向为铅直向，随着河流下切斜坡变形不断发展，最大主应力越接近于临空面，就越平行于临空面；而最小主应力则与之相反，越接近于临空面，就越正交于临空面。河流下切过程中，在坡体临空面出现应力集中，且灰岩和粉砂岩交界处附近出现大范围的拉应力集中区。河流继续下切，软硬岩层界面处的拉应力范围在逐渐增大，软硬岩层界面处的拉应力的存在将使坡体内部出现大量的拉裂缝且裂缝发展方向是自下而上的。在高高程区域危岩体处最大主应力增高，最小主应力降低，危岩体附近应力差增大，且高高程危岩体处出现了拉应力，斜坡陡崖处剪应力也逐渐增大。斜坡内压应力存在于斜坡陡崖小凹岩腔附近，因此危岩体陡倾结构面的端部是斜坡最容易发生变形和破坏的部位[5]。见图9-图10。

图9 最大、最小主应力

图10 剪应力

模拟结果显示，明显的变形主要发生在斜坡临空面陡崖的端部和软硬岩层交界面附近。卸荷范围在风化卸荷作用下，终将覆盖整个坡表。在自重、风化、暴雨和地震等因素作用下，随着危岩体后缘裂隙的进一步扩大，陡倾结构面的端部逐渐被破坏，危岩体将以下部岩体某处为转点逐渐倾斜，因此危岩体发生倾倒的可能性较大。

6 结 论

1) 软岩基底岩质边坡主要在重力作用、河流下切及溶蚀作用下形成危岩体，斜坡岩体内裂隙发育，贯通性良好，水的溶蚀作用将降低结构面上的抗剪强度，促进危岩的形成。

2) 危岩主要受上硬下软的岩性组合、溶蚀作用及风化作用等因素控制。斜坡受灰岩岩溶发育的影响较大，灰岩的力学强度有所降低，是崩塌的易发岩组。综合各内在及外在因素，采用工程地质过程机制分析法，得出该边坡危岩体破坏模式为倾倒式破坏。

3) 危岩演化过程中，斜坡明显的变形主要发生在斜坡临空面陡崖的端部和软硬岩层交界面附近，在上部硬质岩体重力作用下，下部砂岩变形继续发展，导致软硬岩交界面处裂隙自下而上大量发展。

4) 对该类边坡危岩体稳定性评价得出，暴雨工况下危岩体的稳定性明显降低。最后根据此类边坡危岩体特定的工程地质条件，建议采取局部清除+支撑+锚固的治理措施。