差异风化条件下大别山地区片麻岩边坡局部变形破坏模式及防治对策研究

张 攀， 何明明， 艾广申， 陆 浩， 吴鹏飞

(湖北省地质局 第三地质大队,湖北 黄冈 438000)

大别山是晚三叠世华北板块与扬子板块碰撞形成的中央造山带的重要组成部分,广泛分布太古代和元古代片麻岩[1]。鄂东大别山地区片麻岩斜坡常因工程建设切坡较陡,由于片麻岩在风化演化下强度会有较大变化,且不同风化带力学性质差异较大,使得各风化带岩土体的性质对边坡稳定性起着决定性作用[2]。在具备一定物质条件下,如具有一定厚度的全风化残坡积层，或存在不良结构面的岩土体,如遭受持续性降雨或暴雨、人工活动等外部因素的影响,极易形成浅表层地质灾害,严重威胁人民生命财产安全。

本文划分了大别山地区片麻岩风化带类型,并总结了引起边坡局部变形的片麻岩风化带(全风化、强风化、中风化)物理力学特征,分析了边坡局部变形破坏模式,提出了防治措施,并以蕲春某高切坡为例,对差异风化条件下片麻岩边坡局部变形破坏及防治对策进行了研究,研究成果对大别山片麻岩地区边坡防护具有借鉴意义。

1 片麻岩风化特征

1.1 宏观特征

《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)将岩体风化程度划分为五级,本区片麻岩风化带的划分依据与其相一致。各风化带特征分述如下：

(1) 未风化岩带。灰白色,岩体仅偶见风化痕迹,所有构成岩体的岩石均为新鲜—微风化岩石,保持岩石的原位特征,完整性好,岩体强度高。

(2) 微风化岩带。灰白色—浅灰色,构成岩体的岩石90%以上均为微风化岩石(少量新鲜岩石和中风化岩石),约有10%的岩石呈强风化,岩体内存在少量不连续结构面,岩石沿结构面两侧见少量颜色变化,岩体内裂隙稍发育,岩体完整、强度较高,岩体的抗剪强度受岩石强度和岩体渗透性的影响。

(3) 中风化岩带。浅灰色,构成岩体的岩石50%～90%均为中风化岩石(少量微风化岩石和新鲜岩石),10%～50%为强风化—全风化岩石,沿不连续结构面两侧岩石矿物成分、颜色蚀变强烈,岩体内裂隙发育,岩石结构仍对岩体的强度起控制作用,岩体的渗透性受结构面和结构面的充填物控制明显。

(4) 强风化岩带。灰色—灰褐色,构成岩体的岩石仅30%～50%为微风化—中风化岩石(仅少量风化岩残块为新鲜岩石),50%～70%为强风化—全风化岩石(夹较多薄层状残积土),岩体内裂隙极为发育,岩石结构对岩体强度不再起控制作用,岩石的风化产物对岩体的强度和渗透性起决定性的作用。

(5) 全风化岩带。灰褐色、黄褐色,构成岩体的微—中风化岩石含量<30%,>70%以上的岩石为强风化—全风化(夹有大量薄层状的残积土),岩体的强度与土体相类似,岩体中的风化岩核对岩体强度影响明显,岩体对水的敏感性较强,具浸水沉降特征[3]。

1.2 片麻岩风化带岩土体物理性质特征

1.2.1全风化片麻岩物理性质特征

根据英山县地质灾害详细调查[4]对典型全风化片麻岩的取样研究,全风化片麻岩呈黄褐色,基本保留原岩结构,见有石英和黑云母等矿物残留,用手可轻易揉碎。通过室内基本土工试验得到全风化片麻岩的粒度特征，见图1。

根据丁司垱镇关山福利院不稳定斜坡勘查,通过室内物理性质试验测定全风化片麻岩的干密度、比重和含水率,以此三项为基本指标计算其天然密度、饱和密度、孔隙比等其他物理性质参数,试验及计算结果如表1所示。

表1 全风化片麻岩基本物理性质指标统计表Table 1 Statistical table of basic physical properties of fully weathered gneiss

1.2.2强、中风化片麻岩物理性质特征

根据英山县地质灾害详细调查[4]对强、中风化片麻岩物理性质的研究,通过室内物理性质试验测定其在天然、干燥、饱和三种状态下的块体密度、颗粒密度和含水率,计算孔隙率等其他物理性质参数,结果如表2所示。

由表2物理性质参数对比分析可以发现，中风化片麻岩在干燥、天然、饱和状态下的块体密度都略大于强风化片麻岩,含水率远大于强风化片麻岩；两种风化状态下测得的试样颗粒密度相差不大,说明片麻岩岩体在风化过程中固相部分的体积改变较小；强风化片麻岩的孔隙率是中风化片麻岩的2.55倍,说明随着风化作用的加强,岩体内部孔隙体积大幅增加,相应的比表面积也增大,从而又使之更容易遭受风化营力的作用。

表2 强、中风化片麻岩物理性质参数表Table 2 Physical parameter table of strongly andmoderatery weathered gneiss

1.3 风化带岩土体力学性质特征

根据英山县地质灾害详细调查资料[4],对典型片麻岩岩土体力学性质开展了一定研究,主要有：

(1) 全风化片麻岩力学性质。主要是通过直接剪切试验得到土体破坏时的剪应力τf与作用在剪切面上的法向应力σ之间的关系曲线,再根据库仑定律确定土体抗剪强度参数。试验得到的土体τf-σ曲线如图2所示。根据库仑定律,抗剪强度τf与法向应力σ成正比,从拟合曲线读出每组试样的抗剪强度参数如表3、表4所示。

表3 土体抗剪强度参数表Table 3 Parameter table of soil shear strength

表4 强、中风化片麻岩岩石力学性质参数表Table 4 Rock mechanical paramters table of strongly andmoderately weathered gneiss

图2 土体抗剪强度与垂直压力关系曲线图Fig.2 Curve diagram of relationship between shear strength and vertical pressure of soil

(2) 强、中风化片麻岩力学性质。通过室内单轴压缩变形试验、三轴压缩强度试验,获取片麻岩在天然、饱和两个含水率状态下的应力—应变曲线、变形模量、弹性模量、泊松比、抗剪强度指标等一系列参数。

试验结果表明，随着风化程度的加深,片麻岩岩块的单轴抗压强度明显降低。强风化片麻岩天然状态下单轴抗压强度仅是中风化片麻岩的24.5%,饱和状态下的强度是中风化片麻岩的18%；弹性模量在天然和饱和状态下分别衰减了95%和96%；变形模量在天然和饱和状态下分别降低了96%和97%；而两种风化程度的片麻岩泊松比则基本不变。对比同一种岩性不同饱水状态下的单轴压缩变形试验参数可以发现,含水量的变化对其力学性质的影响比较大。中风化片麻岩的抗剪强度参数明显优于强风化片麻岩,其中黏聚力约为强风化片麻岩的2.1倍,内摩擦角约为强风化片麻岩的1.3倍；在试验过程中轴向压力随围压的增大而增大,当围压增大至6 MPa时,轴压出现不同程度的降低,二者之间符合正相关关系[4]。

2 片麻岩边坡局部变形破坏模式

研究区片麻岩边坡受原生建造、构造改造及浅表生改造的不均匀性影响,片麻岩表现为不同程度的风化差异性,孕育出不同类型的斜坡变形破坏模式。边坡局部破坏一般为坡面浅表层破坏,主要包括剥落、冲刷和表面滑塌等类型,是由于水的浸润与蒸发、冻结与融化、日光照射等风化营力对表层土产生复杂的物理化学作用所导致。按照物质成分划分为全—强风化类斜坡破坏模式、强—中风化类斜坡破坏模式[5-9]。

2.1 全—强风化类斜坡破坏模式

此类边坡坡体物质组成成分主要为第四系残坡积物、全风化片麻岩和强风化片麻岩,物质结构松散。其变形破坏主要表现为以下几种形式：

(1) 层内弧面滑动型。一般发生在较厚的全风化带或者多组节理切割岩体形成的具碎裂结构和散体结构的高度风化或者高度蚀变岩体中。一般发生在降雨后,岩土体抗剪强度降低,上部岩土体沿圆弧剪切滑移面向下滑移,从而产生弧面滑动破坏(图3)。

图3 浠水县丁司垱镇关山福利院滑坡实例及层内弧面滑动型变形破坏示意图Fig.3 Schematic diagram of sliding deformation and failure of inner arc surface and example ofGuanshan Welfare House Landslide in Dingsidang Town,Xishui County1.粉质黏土；2.人工填土；3.滑动面；4.滑动方向。

(2) 结构面直线滑动型。一般发生在二元结构边坡,结构面多为岩土混合边坡的覆盖层基覆界面或者差异风化造成的不同风化程度交界面。一般上层渗透系数较下层大,在降雨条件下,交界面处滞水向下消散的速率折减较多,在交界面处出现饱和滞水区后孔隙水压力急增,导致土抗剪强度骤降,进而引发沿结构面的直线型滑动[7](图4)。

图4 英山县杨柳湾镇宋家榜村滑坡实例及结构面直线滑动型变形破坏示意图Fig.4 Schematic diagram of sliding deformation and failure of linear sliding type of structural surface and example ofSongjiabang villlage landslide in Yangliuwan Town,Yingshan County

(3) 坡面流滑型。主要包括边坡冲刷带状长条型和表层滑塌坡面漫流型。边坡冲刷带状长条型主要是由于雨水在边坡面上形成径流,因重力作用带走边坡表面较松散的颗粒,从而形成条带状的纹沟。表层滑塌坡面漫流型是由于边坡上有地下水出露,形成点状或带状湿地,产生坡面表层滑塌现象,但这类破坏由雨水浸湿、冲刷也能形成(照片1-照片2)。

照片1 英山县草盘地镇刘家湾村滑坡Photo 1 Liujiawan village landslide,Caopandi Town,Yingshan County

照片2 英山县温泉镇百涧河村滑坡Photo 2 Baijianhe village landslide,Wenquan Town,Yingshan County

2.2 强—中风化类斜坡破坏模式

(1) 顺层滑移拉裂型。此类边坡变形破坏多见于顺向或斜向岩质滑坡。滑动面倾向与斜坡面基本一致,并存在与斜坡垂直或近垂直的切割面,滑动面倾角小于斜坡坡角且大于其摩擦角,则边坡岩体顺下伏软弱面向坡前临空面方向滑移,并使滑移体拉裂解体。多表现为直线或折线形,滑体物质为块状强风化片麻岩(图5)。

图5 蕲春县三码河顺层岩质滑坡及顺层滑移拉裂变形破坏剖面图Fig.5 Sections of bedding rock landslide and bedding sliding tensile deformation and failure of Sanma River in Qichun County

(2) 楔形体破坏型。两个或两个以上结构面切割岩体,结构面走向斜交坡面且交线在坡面出露,倾角明显大于界面摩擦角,使得由这些结构面切割的岩体沿交线方向滑移产生破坏。该变形破坏多发生在具有块状结构的强—中风化片麻岩中。工程开挖时,上覆土重力作用减小,岩体回弹，强度减小,破碎岩体会逐渐向临空面滑动,此时开挖面上常有小岩石或楔形体破坏形式的剥落现象(图6)。

图6 罗田县九资河镇苔子塆村道沿线崩塌及楔形体变形破坏示意图Fig.6 Schematic diagram of collapse and wedge deformation along the Taiziwan Village Road in Jiuzihe Town,Luotian County

(3) 倾倒破坏型。由坡体内部分布的节理和裂隙共同决定,主要发生在反向片麻岩边坡岩体中。其主要特征是岩层片麻理面走向基本与边坡一致,但倾向相反,倾于坡内,当不稳定岩体分离坡体失稳时,它会以翻动或转动滑移形式出现(图7)。

图7 罗田县胜利镇花油畈村x106路崩塌及倾倒破坏示意图Fig.7 Schematic diagram of collapse and toppling failure x106 in Huayoufan village,Shengli Town,Luotian County

3 防治措施研究

针对差异风化条件下片麻岩边坡破坏模式,主要有以下几种治理方式：

(1) 支挡。对于层内弧面滑动型、结构面直线滑动型、顺层滑移拉裂型等破坏模式,可以通过在坡体上设置满足要求的支挡结构物来增加其抗滑能力。常见的支挡结构物包括抗滑挡墙、抗滑桩、锚固结构等。

(2) 截排水。对于坡面流滑型、层内弧面滑动型等水力起主导作用的变形破坏,可以设置合理的截水沟、排水沟等地表截排水措施,截断水源进入坡体的通道,使坡体范围以外的水通过截水结构物或汇聚进而排出坡体以外,同时将坡体范围内的地表、地下水排出坡体外。

(3) 削清方。针对层内弧面滑动型等规模不大的土质边坡,通过坡体后缘的削方减载,并将开挖的土石体反压于坡脚,在降低坡体整体剩余下滑力的同时增大了坡脚的抗滑力,可以起到很好的效果。

(4) 坡面防护。针对楔形体破坏型、倾倒破坏型,可以采取格构锚杆、主动防护网等坡面防护措施,在整体稳定性相对较高情况下,维护坡体表面的完整性。

(5) 监测。当边坡短期内稳定状况较好、规模宏大、结构复杂时,可以综合采取地表位移监测、裂缝监测、土压力监测、地下水位监测、降雨量监测等自动化监测手段,建立监测预警系统,一方面可以起到灾害来临时,及时预警的作用,同时为结构复杂的边坡后期治理提供监测数据资料[10-12]。

4 工程实例

4.1 边坡基本特征

蕲春县某片麻岩高切坡地层为太古界大别群(Ar3Pt1Dc)、第四系残坡积层(Qel+dl)、第四系滑坡堆积体(Qdel)。高切坡最大坡高22 m,横向宽190 m,平均坡度60°,分布面积约3 800 m2。根据钻孔揭露,坡体第四系覆盖层厚0.1～0.5 m,下伏强风化片麻岩厚3.0～5.0 m,风化程度不均匀,高切坡中部风化强烈,呈强—全风化状。2013年7月20日15：00,在连续强降雨后,高切坡段出现Ⅰ号滑坡,滑坡方量约1 000 m3。2016年6月25日,Ⅰ号滑坡左侧再次出现Ⅱ号滑塌,滑塌方量约630 m3(图8)。高切坡的破坏模式主要有：①沿结构面的滑移，由于前期已经滑移,一旦沿滑面分解的抗滑力小于下滑力,沿崩滑体与强风化岩体的接触面可能产生破坏；②沿由风化差异面和节理面组成的贯通面产生折线形滑动破坏；③边坡表层发生剥落、掉块与溜滑。

图8 治理工程平面布置图Fig.8 Plane layout of governance engineering1.削方;2.格构锚固；3.护脚墙；4.截排水沟；5.滑坡范围；6.变形体范围；7.剖面线及编号。

4.2 治理措施

根据高切坡不同区间岩性、地形等特征及稳定性评价结果,高切坡其他坡段的整体定性较好,但存在浅表层块体滑移、风化剥落与崩落掉块的可能,因此对整个坡体采取上部削清方,初步清理表层强—全风化层,同时在后缘设置截水沟,避免雨水大量入渗坡体[13-15]。

对滑塌区实施重点治理,采用格构锚杆进行锚固,在坡脚修建护脚墙。根据滑塌区规模大小,确定锚杆拟采用Φ28HRB400全粘结锚杆,入射角度15°,钻孔孔径100 mm,采用M30水泥砂浆灌注,注浆压力≥0.5 MPa；马道上部锚杆长5 m,分别在高程49.35 m、47.82 m、46.29 m处布设3排锚杆；马道下部锚杆长6 m,分别在高程46 m、44.05 m、42.26 m处布设3排锚杆,间距3 m×2.5 m(水平×竖直)；剖面2-2′区清理坡率1∶1,均在马道上部布设锚杆,长均为5 m,分别在高程60.67 m、58.91 m、57.15 m、55.37 m、53.59 m、51.82 m、50 m、48.32 m、46.49 m处布设9排锚杆,布设间距3 m×2.5 m(水平×竖直)。

格构梁均采用b×h=250 mm×300 mm的尺寸,井字形,钢筋选用8Φ18的HRB400钢筋；箍筋选择Φ8@250的双肢箍筋,钢筋保护层为50 mm,格构梁嵌入地面以下0.20 m,混凝土等级为C30,横向每隔15 m设置永久伸缩缝,缝宽20 mm,填塞沥青麻筋或沥青木板。

最后在坡体设置地表位移计进行长期监测。运用PLAXIS岩土有限元计算软件对2-2′剖面进行稳定性验算(图9)。验算结果表明，剖面2削方前稳定系数为1.035,削方后稳定系数提升至1.15,进行锚杆工程后,稳定系数再次提升至1.212,满足安全储备要求。

图9 PLAXIS岩土有限元计算软件稳定性验算Fig.9 Stability checking of PLAXIS geotechnical finite element calculation software

5 结语

(1) 按照岩体风化程度，将大别山地区片麻岩风化带划分为5个岩带：未风化岩带、微风化岩带、中风化岩带、强风化岩带、全风化岩带,大别山地区边坡变形破坏主要在中风化岩带、强风化岩带、全风化岩带。

(2) 不同风化程度片麻岩的物理性质试验表明，随着风化程度的加深,片麻岩风化物内部孔隙体积逐渐增大,密度逐渐减小,越容易受到风化营力的影响；水理性质试验表明，随着风化程度的加深,片麻岩风化物的吸水率、饱水率及渗透系数均大幅增加；力学性质试验表明，随着风化程度的加深,片麻岩风化物各类力学参数均显著降低。

(3) 大别山地区片麻岩边坡局部变形破坏模式划分为全—强风化类斜坡破坏模式和强—中风化类斜坡破坏模式两种,破坏类型为层内弧面滑动型、结构面直线滑动型、坡面流滑型、顺层滑移拉裂型、楔形体破坏型、倾倒破坏型六种。

(4) 在大别山地区,对片麻岩风化边坡,常用治理措施有支挡、截排水、削清方、坡面防护、监测等,一般选择多种措施综合运用,使边坡治理达到最优效果。以蕲春县某高切坡为实例,采用削方+格构锚固+护脚墙+截排水沟+监测工程进行治理,并对治理措施采用有限元计算软件进行稳定性分析。