典型花岗岩斜坡切坡稳定性影响研究

闫佳奇 YAN Jia-qi

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434）

0 引言

随着工程活动增加，大量工程建设活动逐渐向山区延伸，由于山区地形和交通等因素制约，建设工程常常依山傍水修建，人工削坡现象十分普遍。但不合理的边坡开挖往往会导致坡体失稳从而给人类带来威胁[1]。山区由建房切坡导致的地质灾害占总数的比例达90%以上。如何优化边坡开挖，减小边坡失稳风险，已成为山区工程建设中急需解决的难题。

1 研究现状

针对失稳边坡稳定性计算的方法主要有极限平衡法、强度折减法[2-3]，在实践应用[4-5]的过程中得到不断完善。同时，边坡开挖方案优化也产生诸多成果：祝玉学[6]等结合矿区开采多要素建立了边坡开挖总目标函数，得到最优矿山开采方案；胡振邦[7]，刘强[8]，陈铖[9]等通过对多种边坡开挖组合方式进行研究，对花岗岩地区的切坡提出了建议。但目前主要研究集中于矿山、大坝等重要建设工程领域，针对农村建房切坡等指导性不足。

2 研究区概况

研究区地处大别山脉东部，构造侵蚀作用严重。区内岩性以白垩纪时期侵入岩为主，该类岩性分布于研究区95%以上的区域，其主要矿物为钾（斜）长石，呈块状构造。在热胀冷缩的影响下岩体表层易产生裂隙。同时又因为该区降雨较多，从而使得区内岩体风化程度较高，坡表几乎呈全～强风化，坡体局部陡立地段呈中～弱风化。坡体表层的大都为强风化岩体，遇水易崩解，导致区内自然坡度大都在30-60°。

区内人类越来越多的工程经济活动破坏了原有生态环境，因而近年来地质灾害的发生越来越频繁，并有愈演愈烈之势，给当地居民造成了严重损失和巨大威胁。人类工程活动对自然生态环境造成严重危害，促进了地质灾害形成与发育，表现尤为突出的农村建房切坡工程活动日趋频繁。根据对研究区建房切坡引发1632处滑坡隐患（岩质）进行统计（表1-表2），区域切坡坡度大都处于60～80°范围，且切坡高度一般为10.0m以下。

表1 切坡坡度统计表

表2 切坡高度统计表

区内地质灾害发育具有以下特征：

①地形地貌对地质灾害的影响。

斜坡所处的地形地貌是地质灾害形成的基础，并决定了能否形成及形成灾害类型、数量、规模。斜坡的几何形态几乎决定着应力的大小和分布，同时控制着坡体的稳定性与破坏模式。

②岩土体类型与地质灾害。

以区内发育数量最多的滑坡灾害为例，根据调查统计，滑坡灾害中岩质滑坡占比85.6%。区内岩质滑坡主要发育于花岗岩。从岩性、岩土体结构方面分析与岩质滑坡形成的关系，花岗岩抗风化能力差，遇水易软化等工程地质性质，具备了形成滑坡的物质基础条件。同时，在构造作用以及其它外力作用影响下，坡体易沿层面、强弱风化接触带等形成潜在的滑动面或滑带。

③水与地质灾害。

在诸多形成地质灾害的不利因素中，研究区中水是灾害发生最重要的诱发因子。水对滑坡的作用主要表现在：增大孔隙水压，软化、潜蚀岩土，使得结构面强度降低，从而导致滑坡体产生滑动；同时，多次的干湿状态交替变化使得岩土体开裂，产生了大量的裂隙，方便了表水的入渗，使滑坡变形加速。于是，水就成了重要的诱导和触发因素。

④地质构造与地质灾害。

地质构造复杂往往会导致坡体节理裂隙发育，研究区主要的构造有：

F12断层：延长25km，为张性断层，总体走向22°，产状为110-120°∠70°，区内为其西南段。由硅化破碎带组成，发育有糜棱及破碎岩，具硅化、红长石化及绿泥石化等蚀变现象。

F13断层：延伸长24km，为张性断层，产状为105-120°∠70-80°。具碎裂岩化，蚀变以硅化及红长石化为主，并见细角砾岩，擦面上有明显的上冲擦痕。

F17断层：延伸16km，总体走向为20°，产状为110-120°∠70°，为张性断层，区内为其西南段。其特征为岩石破碎，沿破碎带有辉绿玢岩充填。

F37断层：延伸12km，走向为25°，产状为290°∠70°，为一张性断层，其两侧地层混乱，发育有角砾岩，局部见碎裂岩和硅化现象。

⑤风化层厚度。

风化层的厚度对坡体稳定性具有重要的作用。根据对研究区多年的现场踏勘发现：风化层厚度越大，灾害发生的几率越大。根据收集区域内斜坡钻孔资料，得到全风化层厚度随坡度的关系如图1，并对两者进行了线性拟合，得到经验公式：y=3.51-0.012x（其中x为坡体坡度，y为全风化层厚度）。

图1 全风化层厚度与坡度曲线图

3 理论模型计算

3.1 计算模型

对实际边坡进行简化处理后，采用了自然坡度、切坡角度及切坡高度作为动态条件。本次选用自然坡度为35°、45°、55°，高度为30m的边坡作为数值模拟简化模型（图2），并采用经验公式计算得到全风化层厚度，将模型中花岗岩岩质边坡分为两层，分别为全风化及强风化层。

图2 自然坡度数值分析简化模型

建立人工切坡坡度为60°、70°及80°及人工切坡坡高为2.5m、5.0m、7.5m进行正交的数值分析模型。模型工况分别为：工况一为天然（自重条件），工况二为降雨工况（自重+降雨条件），同时以区内24小时最大降雨量，3天降雨时长做为边界条件。

3.2 力学参数

根据岩样室内试验获得边坡的力学参数，具体数值见表3。

表3 岩层物理力学参数表

3.3 计算结果与分析

①自然边坡稳定性分析。

根据模型计算了两种工况下原始坡体的稳定性（图3），发现在切坡坡度、切坡高度增加时，其自然边坡稳定性系数逐渐降低，这一特性在降雨工况下尤为明显。此外还与其原始自然边坡坡度有关，坡度越小其边坡稳定性系数下降幅度较大，因边坡坡度相对较缓，降雨入渗致使边坡内的孔隙水压力增大，降低了基质吸力，造成岩体力学强度降低，导致边坡的稳定性系数迅速下降。

图3 自然边坡稳定性与坡度的关系图

②切坡坡度对边坡稳定性分析

根据模型计算结果，得到天然与降雨工况下的坡体稳定性系数变化图（图4），结果表明在相同切坡坡度下，在降雨工况下的稳定性系数低于天然工况。在无降雨作用下，随着切坡坡度的增大，边坡的自稳能力逐渐降低，其稳定性系数呈下降趋势；在降雨作用下，边坡稳定性系数与无降雨时相比，其下降幅度较大，主要受切坡坡度及降雨量的影响，研究区连续的强降雨导致边坡岩体含水量、容重增加，岩体物理力学降低，且切坡坡度越陡，造成边坡坡顶的张应力增加，其自稳能力较差，故该种工况下边坡稳定性系数下降较为明显。

图4 边坡稳定性系数与切坡坡度关系图

③切坡高度对边坡稳定性分析。

通过对各工况下模型进行计算，得到天然工况下与降雨工况下的坡体稳定性系数变化图（图5），结果表明在相同切坡高度下，边坡的稳定性系数在降雨工况下低于天然工况。各种自然边坡在切坡、降雨共同作用下，其边坡的稳定性系数明显降低，同时，切坡高度2.5m～7.5m区间边坡的稳定性系数存在较大的差异，主要因切坡高度越大，改变了该边坡的地形地貌，致使边坡前缘临空，造成边坡应力重分布，其平衡状态被打破，在降雨的作用下，岩体力学强度降低，从而导致边坡稳定性系数的下降幅度增大。

图5 边坡稳定性系数与切坡高度关系图

4 结论

①不合理的切坡形式将对坡体的稳定性带来不良后果，甚至有可能会导致边坡失稳。

②天然工况下当切坡高度小于7.5m时，35°的花岗岩边坡均呈稳定状态，45°的边坡呈基本稳定状态，55°的边坡均不稳定；降雨工况下边坡呈基本稳定～不稳定状态，同时降雨作用导致边坡的稳定性系数下降趋势较天然工况更加明显。

③在对花岗岩区域边坡进行切坡时，建议切坡高度5m以下、坡度70°以下，以降低坡体失稳风险。