断层对岩质斜坡失稳破坏的影响研究综述

贺小黑,付阳阳,卢雪松,邹 浩,祝秀红

(1.黄冈师范学院 建筑工程学院,湖北 黄冈 438000;2.黄冈市生态建筑与可再生资源研究中心,湖北 黄冈 438000;3.湖北省地质局第三地质大队,湖北 黄冈 438000;4.黄冈师范学院 体育学院,湖北 黄冈 438000)

在影响斜坡失稳和滑坡发生的因素中,地质构造扮演着十分重要的角色,并在一定程度上对滑坡的触发起着决定性的作用。岩体内部发育的岩层层面、节理裂隙、软弱夹层以及断层等大量复杂结构面对斜坡的稳定性有很大的影响,其中,断层因素的影响尤为显著。断层的存在破坏了岩体的完整性,使岩体物理力学性质变差,并能使斜坡体内的应力场发生变化,局部可能会产生严重的应力集中现象,从而不利于斜坡体的稳定。因断层斜坡内部特殊的空间展布,使其破坏模式复杂多样。近年来,含断层边坡在工程建设过程中的稳定性问题变得日益突出,由断层引发的滑坡灾害已造成了巨大损失。如在断裂构造密集分布的湖南安化县,滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害较发育,这些地质灾害直接由断层引发,或与断层有间接的关联,滑坡、崩塌等地质灾害现已造成近百人死亡,直接经济损失近5 700万元[1]。露天矿的生产安全也受断层的影响,辽宁弓长岭露天铁矿、内蒙平庄西露天煤矿、新疆黑山露天铁矿[2]、大冶铁矿[3]、白云鄂博铁矿[4]等因断层而诱发的滑坡已经造成了较大的损失,并给矿区人民的生命财产安全造成了严重威胁;此外,断层对新疆的阿尔塔什水利工程[5]、库拉水利枢纽[6]等水利工程的岸坡稳定性有很大的影响。由上述案例可知,作为岩体内部对其变形和强度起控制作用较为复杂的一种结构面[7],断层对边坡稳定性和人类生产生活的影响十分显著,特别是在降雨作用下,雨水经历水利通道直接抵达断层破碎带,对断层破碎带造成了软化影响。断层的存在严重危害工程建设的安全生产,断层影响边坡的作用机制与稳定性问题的研究已经成为工程建设过程中极其重要的一部分,对含断层岩质斜坡的失稳破坏规律进行研究有助于学者们更加深入地掌握断层对斜坡稳定性和失稳破坏的影响规律。

虽然目前在断层对岩质斜坡失稳破坏的影响规律方面已经有了一些研究,但含断层斜坡的失稳现象仍然时常发生,对其进行防治和预报的技术水平仍比较低,究其原因在于目前的研究还不够深入,需要研究的问题还很多,断层对岩质斜坡失稳破坏的规律仍然没有被研究者们掌握,十分有必要更加深入开展断层对岩质斜坡失稳破坏影响方面的研究。

开展研究进展的综述工作有利于帮助研究者了解当前该领域的研究水平和进展情况,以便更好地把握研究方向和研究重点,因此,本文从断层对岩质斜坡稳定性与变形的影响、断层的几何和力学参数对斜坡稳定性影响的敏感性分析、断层对斜坡失稳破坏模式的影响、断裂构造与滑坡空间分布的相关关系等方面进行总结。

1 断层对岩质斜坡稳定性与变形的影响

相比于无断层的岩质斜坡,当岩体内部发育断层时,断层破碎带及其周围岩体较破碎,强度较低,斜坡的稳定性一般会更低,发生变形破坏的可能性也更大。前人在断层对岩质斜坡稳定和变形的影响方面,主要集中在断层类型、断层产状、厚度、断层破碎带的物理力学特征等因素对岩质斜坡稳定性和变形的影响。如窦思军等[8]对云南省昌宁县河西水库滑坡进行了断层类型和倾角对下覆基岩断层边坡稳定性的影响研究;陈凤阳等[2]通过运用数值模拟手段研究了不同断层倾角条件下顺倾层状边坡稳定性的变化规律;李瑞青等[9]采用数值模拟的方法研究了爆破震动作用下含断层边坡的动力响应,分析了断层填充物物理属性、断层厚度、产状等因素对边坡动力响应的影响规律;张均锋等[10]采用弹塑性理论分析和数值模拟手段,研究了含断层岩质边坡从局部岩体损伤至破坏区域扩展的发展演化规律;李万逵等[11]通过研究某水利工程的坝址岸坡,得出断层对岸坡的稳定性有重要影响的结论;刘宏力等[12]研究了断层破碎带的物理力学特征对边坡稳定性的影响;黄国平等[13]通过研究断层与三明市羊口仔后山滑坡的关系,指出滑坡区岩土体和地下水的分布,以及坡脚变形特征均受断层破碎带的控制和影响。何显祥[14]对白垩世火山岩地区的正断层对滑坡的控制作用进行了研究。张莹等[15]通过运用数值模拟手段研究了安康市岚皋县柳家坡滑坡的形成机理,得出了断裂对该滑坡的发生起控制作用的结论。彭建兵等[16]研究了断裂带内黄土-泥岩型滑坡的发育情况。王文沛等[17]开展了断层穿越斜坡场地效应分析,认为在断层处,地震波的放大系数和频率较低,进而影响斜坡的动力稳定性。郭长宝等[18]采用有限元强度折减法,分析了断裂对斜坡体应力场的影响,探讨了断层对斜坡体稳定性的影响规律。杜丽惠等[19]通过用直接约束法研究了断层对边坡失稳的作用。陈鹏等[20]应用基于细观力学方法和强度折减理论,运用RFPA软件,分析了断层对顺倾软岩边坡稳定性的影响。还有一些学者研究了断层对露天矿边坡稳定性的影响[21-24],如王东等[25]通过建立了含断层滑体的力学模型,推导了顺倾层状边坡稳定系数计算公式,并用数值模拟手段研究了断层露头离边坡面的距离对边坡稳定性的影响。白霖等[26]模拟研究了过逆坡向断层开采时采煤斜坡的变形和失稳规律。

虽然前人在断层对岩质斜坡稳定性与变形的影响方面开展了不少研究,但之前的研究范围大多为某个具体的斜坡实例,多为具体问题具体分析,且各研究多仅分别考虑其中几个断层特征参数的影响,研究得还不够全面和深入;前人研究手段多为定性分析、理论公式推导、数值模拟等,有限元及有限差分等数值模拟虽能模拟滑坡的应力-应变状态,但模拟结果的可靠性要依赖于输入参数和本构关系的准确性,使得有些重要的物理现象仍无法模拟。物理模拟试验可同时考虑多种因素及复杂的边界条件,能够观测和记录斜坡的变形破坏发展的各个历程,直观地模拟滑坡的变形及破坏的机理,因而物理模拟研究方法被人们广泛采用。然而,目前只有个别学者开展了含有断层的斜坡体物理力学模拟研究,如郭长宝[27]制作了一套可以模拟断层运动对坡体稳定性影响的试验装置,其物理模拟聚焦在断层运动对斜坡稳定性的影响上,目前尚没有学者围绕断层破碎带所引起的斜坡岩土体物理力学性质的劣化对岩质斜坡失稳破坏的影响问题开展基于物理模型试验的深入研究。需将物理模拟手段应用到研究该领域。另外,中国南方地区降雨频繁,且断裂较发育,雨水进入断层破碎带内导致岩体的风化速度加快,如断层带是其上岩土体的支撑带,则更易于发生垮塌;另外,南方地区水库较多,如果再叠加斜坡坡脚断层处岩体受库水位波动产生的干湿交替作用引起的劣化作用,则断层带内的岩体更易于风化,断层带物质的强度会进一步降低,当降低到一定程度后就会产出库岸斜坡的失稳。而目前前人在断层对斜坡失稳影响方面的研究主要考虑的是天然工况,尚没有学者在考虑降雨和库水位变动作用下断层对岩质斜坡稳定性和变形破坏的影响方面开展研究,需开展降雨和库水位变动工况下的相关研究。

2 断层的几何和力学参数对斜坡稳定性影响的敏感性分析

不同因素对岩质斜坡失稳破坏的影响程度是不同的,有的因素对斜坡失稳贡献大,有的因素贡献小。少量学者在断层的产状、厚度等几何参数和断裂破碎带岩土体的物理力学参数对岩质斜坡稳定性影响研究的基础上,对比分析了各影响因素对边坡稳定性的影响程度大小,得出了哪些因素对所研究斜坡的稳定性有较大影响的结论。如蒋军等[6]采用数值模拟和正交试验等方法,探讨了断层倾角、厚度、断层露头处距边坡距离、断层黏聚力及断层内摩擦角这五个因素对岩质斜坡稳定性的影响,并对各因素的影响程度进行了排序,得出了断层倾角对斜坡稳定性的影响程度最大,内摩擦角其次,其他因素的影响程度较小的结论;张一铭[28]开展了断层内摩擦角和粘聚力对边坡安全系数的敏感性分析;曹兰柱等[29]以露天矿边坡为研究对象,通过改变断层产状、位置分析了含断层逆倾软岩边坡稳定性和滑移模式的变化规律;和大钊等[30]通过采用有限元强度折减法和极限平衡法,研究了断层破碎带岩土体的内聚力、内摩擦角、抗拉强度、泊松比等力学参数及断层的产状、厚度、距离临空面的距离、断距等几何参数对边坡稳定性和失稳破坏模式的影响,并对比分析了各因素对岩质边坡稳定性和破坏模式的影响程度,得出断层的几何参数对稳定性和破坏模式和的影响大于其力学参数的影响,且内聚力对边坡的稳定性影响大,泊松比和抗拉强度的影响小的结论。陈权川等[31]采用单因素敏感性分析法和正交试验,研究了断层几何参数对岩质边坡稳定性的影响,得到了主要影响因素和次要影响因素。

总之,针对断层的形态和力系特征参数对斜坡稳定性的影响程度进行对比分析方面的研究较少,且多针对某个具体的斜坡进行研究,得到的结论多不具有普适性,这使得不同的断层参数对岩质斜坡失稳破坏的贡献大小的不同尚未被研究清楚。

3 断层对斜坡失稳破坏模式的影响

对边坡稳定性的研究,首先需要研究边坡的失稳破坏模式,从而对边坡的稳定性预测和治理提供依据。边坡处发育的断层的特征不同,边坡的失稳破坏模式可能不同。前人在无断层条件下斜坡变形破坏模式方面的研究较多,目前,国内对边坡破坏模式的识别比较有代表性的方法有:地质模型分析、数值模拟计算、综合判别分析等,还有少量学者通过物理模拟试验来研究斜坡变形破坏模式,如梁风等[32]研究了采空区变形影响下岩质斜坡破坏过程,并探讨该类斜坡的变形破坏模式。但对含断层斜坡开展断层对斜坡失稳破坏模式的影响方面的研究却较少,典型的研究有:曹兰柱等[33]探讨了含斜交断层的露天矿逆倾边坡失稳破坏模式;王东等[25,34]分析了断层位置对顺倾层状边坡的滑移模式及稳定性的影响规律;杨继红等[35]通过对某水电工程坝址区岩体结构面进行分析,结合数值模拟手段,分析了断层对边坡边坡破坏模式的控制作用;王珍等[36]研究了断层倾角以及断层走向与边坡走向交角不断变化时,顺倾层状边坡滑移模式及稳定性的变化规律;笔者2016年以安化地区为例,从断层分布位置的角度对滑坡成灾方式进行分析,通过对该区域内多个滑坡的研究,认识到区内地质灾害受断裂影响作用明显,断层在坡体上的分布位置对斜坡发生的失稳破坏模式有较大的控制作用,但笔者对这一现象并未做深入的研究,仅停留在理论定性分析层面。

总之,前人在断层对斜坡失稳破坏模式影响方面的研究不多,且不够深入和全面,且仅有的少数研究多通过理论定性分析或数值模拟的手段开展具体边坡实例的分析,且还没有得出普适性的结论。另外,在节理裂隙与断层共同作用和影响下,发生了很多滑坡灾害事故,而现有的研究以仅考虑断层对斜坡变形破坏的影响居多,考虑断层与节理裂隙共同对斜坡失稳破坏的控制作用方面的研究较少,考虑顺倾弱层、断层等不利地质结构面对边坡失稳共同作用方面的研究则更少,而很多滑坡灾害都是在顺倾弱层、断层等不利结构面的影响下发生的。因此,目前在断层对岩质斜坡失稳破坏模式影响方面还缺乏更加深入系统的研究,尤其缺乏断层与顺坡向裂隙共同影响下岩质斜坡的滑移模式和稳定性方面的分析,并需要开展基于物理模拟等手段的更加深入的研究。

4 断裂构造与滑坡空间分布的相关关系

断裂对岩体的切割作用使断层带及其附近区域岩体较破碎,这些破碎岩体构成的斜坡较易发生失稳。离断层越近,岩体破碎得越严重,越容易发生斜坡失稳破坏;离断层越远,岩体受断层的扰动越小,其完整性就越好,发生斜坡失稳的可能性就越低。从空间分布角度分析断层与滑坡之间的相关关系方面的研究主要集中在两种工况,一是天然条件下,自然斜坡失稳与断层之间的位置分布相关关系研究;二是地震条件下,地震滑坡与断层分布之间的相关关系研究。黄润秋等[37-39]对滑坡与汶川地震后形成的断裂之间的相关性进行了研究。伍新南[40]分析了地震滑坡空间分布的断层效应,得出了大部分地震滑坡分布在距发震断层较近范围内的结论。李淑贞[41]研究了白龙江地区滑坡分布与断裂构造分布之间的关系。张淼[42]开展了黄河李家峡-公伯峡段活动断裂与滑坡灾害相关性研究。冯卫等[43]总结了甘肃某断裂带沿线的地质灾害分布规律,并基于GIS技术开展了地震地质灾害断层效应研究。张鹏等[44]学者探索了近震断层振动与滑坡灾害的关系以及其滑坡灾害破坏特征。王帅等[45]研究认为崩塌、滑坡和泥石流在大地构造线控制下呈带状分布是因为构造活动影响地质灾害的形成。刘衡秋等[46]通过统计虎跳峡河段岸坡变形破坏体与相距最近的活动断裂的距离,发现随着断层缓冲距离的增大,变形破坏体的发生频率呈降低的趋势。曹洪洋等[47]选择雅安市雨城区和区域内232处滑坡作为研究的基础资料,研究了断层100 m和200 m缓冲区对滑坡的贡献率,定量研究了断层对研究区域滑坡发育的关系。崔伟等[48]针对用GIS进行断层和滑坡相关性分析中缓冲距离的确定尚没有确定的标准的问题进行了研究,得出了能恰当的反映断层和滑坡之间的相关关系的缓冲距离。陈晓利等[49]以汶川地震滑坡为例,分析了断层的运动方式和断层倾角对地震滑坡空间分布的影响。王德耀等[50]分析了陕西省泾阳南塬滑坡的分布规律及形成过程,得出泾阳南塬滑坡带受地貌和断裂控制的结论。蒋德明等[51]研究了各影响因子对泸水县滑坡灾害发生的影响程度,认识到距断裂带距离越近,发生滑坡的概率越高。马小强等[52]通过分析了断裂与滑坡展布之间的对应关系,指出滑坡沿断裂发育分布特征明显,且滑坡多发生在各断裂的交错部位,特别是支叉、拐端部位。此外,国外Noriyuki Arai[53]、Ching-Hui Tsai[54]、Subhajit Sen[55]、N D Ardi[56]、A Khorsandi[57]、Vedat AVC[58]、Ming-Wey Huang[59]等学者也开展了相关研究。

尽管从空间分布角度分析断层与滑坡之间的相关关系方面的研究已有很多,但之前的研究多对某个具体的研究区域开展具体问题具体分析的研究,缺乏通过理论分析手段得出普适性规律方面的研究。

5 讨论

在断层对岩质斜坡体失稳破坏的影响研究方面,还有很多内容和问题需要开展深入的研究,比如在研究内容方面,当前大部分针对断层对岩质斜坡变形破坏的影响研究多集中在断层几何形态和力系参数对边坡稳定性的影响、滑坡与断裂之间的空间分布相关关系研究等方面,关于断层对岩质斜坡失稳破坏模式的影响方面的研究不多,也不够深入;在研究手段方面,现有的一些研究多通过理论定性分析或数值模拟手段开展;在研究结论方面,现有研究成果中还缺少普适性的认识和结论等(表1)。

表1 研究现状及存在的问题

6 结论

本文从研究范围、研究手段、研究对象、研究内容、研究工况、研究结论等角度就前人在断层对岩质斜坡失稳破坏的影响方面的研究进行了归纳和总结,得出了以下结论:

(1)研究范围主要集中在宏观区域范围,如断裂空间展布与滑坡位置之间的相关关系等,详细开展局部小范围内具体滑坡与断层之间关系方面的研究相对较少。

(2)研究手段大多为定性分析和数值模拟等手段,通过室内物理模型试验手段开展的研究较少;在断层与滑坡空间分布相关关系方面还缺乏通过理论公式推导的手段来开展相关研究。

(3)研究对象多为某个具体区域或某个具体的边坡实例,即之前的研究多为具体问题具体分析的研究。

(4)研究内容多集中在断层类型、断层力学和几何参数对斜坡稳定性的影响、滑坡密度与距断裂距离的相关性分析等方面,在断层破碎带对岩质斜坡失稳破坏模式的影响方面,前人研究得还不够深入和全面,且仅有的少数研究多通过理论定性分析或数值模拟手段开展,对于断层与顺坡向裂隙共同影响下岩质斜坡的滑移模式及稳定性方面的研究鲜有报道;另外,在这些反应断层特征的影响因素对斜坡稳定性的影响程度进行对比分析方面的研究也较少。

(5)研究工况多为天然工况和地震工况,尚没有学者在考虑降雨和库水位变动等作用下断层对岩质斜坡失稳破坏的影响方面开展相关研究。

(6)研究结论多为对具体某个边坡或某个地区开展研究得到的结论,缺乏能反应各类型边坡共性和规律的适用于所有岩质斜坡的普适性结论。

这些问题的存在导致断层对滑坡发生和斜坡稳定性的影响规律,特别是对失稳模式的影响规律仍然没有较清晰地被人们掌握,因此,还需要在这方面开展大量深入的研究工作。