具有軟弱基座的逆向巖質(zhì)斜坡形成演化機(jī)理研究

王宏益，馬延龍，姜鑫，沈軍輝

（1.甘肅省地礦局第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，蘭州 730050；2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，成都 610059）

1 前言

具有軟弱基座的逆向?qū)訝顜r質(zhì)斜坡的坡體結(jié)構(gòu)特殊，決定了其獨(dú)特的形成演化機(jī)理，且其變形破壞規(guī)模往往較大，如湖北省遠(yuǎn)安縣鹽池河崩塌，四川省巫溪縣城南南門灣巖崩等，且其變形破壞機(jī)理較復(fù)雜、形成演化過程較隱蔽，坡體失穩(wěn)破壞常具有突發(fā)性，往往造成災(zāi)難性的后果，有必要加強(qiáng)該類斜坡形成演化機(jī)理研究。本文以青川縣一個具有軟弱基座的逆向?qū)訝顜r質(zhì)斜坡為例，對該類斜坡的形成演化過程進(jìn)行研究，為該類斜（邊）坡變形破壞的預(yù)測提供依據(jù)。

2 斜坡坡體結(jié)構(gòu)特征

現(xiàn)場調(diào)查表明，斜坡出露震旦系元吉組（Zy）地層，物質(zhì)結(jié)構(gòu)總體呈上硬（白云巖）下軟（千枚巖）的復(fù)合特征，且?guī)r層走向與坡面近一致，呈逆向坡（圖1）。

斜坡上部為厚度達(dá)80 m的白云巖構(gòu)成的硬層，呈厚層－塊狀結(jié)構(gòu)，質(zhì)硬性脆，巖體較完整，產(chǎn)狀310°～320°∠30°～45°，表部巖體傾倒變形明顯，產(chǎn)狀310°～320°∠8°～12°。

圖1 斜坡縱剖面圖Fig.1 Longitudinal profile of the slope

白云巖巖體發(fā)育2組節(jié)理，節(jié)理①近平行于坡面發(fā)育，產(chǎn)狀105°～125°∠75°～85°，節(jié)理②近垂直于坡面發(fā)育，產(chǎn)狀25°～35°∠60°～80°（圖2）。

斜坡下部為鈣質(zhì)絹云千枚巖構(gòu)成的軟層，強(qiáng)度較低，是該斜坡的軟弱基座。

圖2 白云巖節(jié)理發(fā)育特征Fig.2 Development characteristics of dolo mite joints

3 斜坡形成演化過程分析

3.1 斜坡形成演化機(jī)理分析

斜坡形成演化的地質(zhì)力學(xué)模式為壓致蠕變－拉裂－傾倒型［2]。結(jié)合斜坡所處的環(huán)境條件及坡體結(jié)構(gòu)，將斜坡的演化過程劃分為3個階段。

（1）初始階段

斜坡白云巖與鈣質(zhì)絹云千枚巖初始為平行不整合接觸，產(chǎn)狀310°～320°∠30°～45°，河谷寬緩（圖3（a））。

（2）卸荷回彈陡立裂縫形成階段

由于地殼大幅抬升、河流強(qiáng)烈下切，在高陡斜坡形成過程中，河谷大面積卸荷致使坡面周圍的白云巖巖體產(chǎn)生卸荷回彈，在坡緣附近，巖體形成一系列與坡面近于平行的陡立拉張裂縫，或在應(yīng)力集中部位產(chǎn)生一系列新的表生結(jié)構(gòu)面，使巖體結(jié)構(gòu)松弛。拉裂縫呈上寬下窄的“V”字形，其拉張寬度及擴(kuò)展深度自坡面向內(nèi)逐步遞減（圖3（b））。

（3）壓致蠕變－拉裂－傾倒階段

上覆白云巖體的重力較大，且斜坡坡腳地帶為應(yīng)力集中程度較高部位，軟弱基座（鈣質(zhì)絹云千枚巖）產(chǎn)生彎曲、壓縮及蠕變變形，為上覆白云巖變形提供底部臨空條件。

隨著軟弱基座巖體的變形發(fā)展，上覆白云巖巖體產(chǎn)生自坡面向內(nèi)其值遞減的傾倒變形及不均勻沉陷，造成白云巖產(chǎn)生新的拉裂縫，或使原已形成的拉裂縫進(jìn)一步發(fā)展。該類拉裂縫自上而下擴(kuò)展，巖體被其切割為巖柱。隨著軟弱基座巖體變形不斷發(fā)展，白云巖巖柱傾倒變形發(fā)展，甚至產(chǎn)生傾倒崩落（圖3（c））。

圖3 斜坡形成演化圖Fig.3 Evolution mechanism of the slope

3.2 斜坡形成演化的數(shù)值模擬分析

為驗證上述分析，采用二維離散元模擬斜坡形成演化動態(tài)過程。鑒于模擬的可操作性，設(shè)定溝谷下切一次完成。

根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計結(jié)果，將斜坡巖體分塊離散化，斜坡上部白云巖塊體，巖層面作為主節(jié)理，主方向長5 m，與水平向夾角為35°，塊體副方向長5 m，與水平向傾角85°，形成長5 m、寬5 m的菱形體。斜坡下部鈣質(zhì)絹云千枚巖劃分為長2 m、寬2 m的方形體（圖4）。

根據(jù)軟件設(shè)計原理，Kn＝Ks且Kn＝10 J Kn。模型參數(shù)取值見表1。

圖4 離散元計算模型Fig.4 Discrete element model of the slope

表1 模型參數(shù)取值表Table 1 Model parameters of rock mass

（1）河谷下切，坡面周圍巖體產(chǎn)生卸荷回彈，使巖體結(jié)構(gòu)松弛。軟弱基座產(chǎn)生輕微彎曲變形，坡緣附近拉應(yīng)力帶部位形成一系列追蹤近平行坡面結(jié)構(gòu)面①的陡立拉張裂縫。拉裂縫呈上寬下窄的“V”字形，其拉張寬度及擴(kuò)展深度自坡面向內(nèi)逐步遞減（圖5）。

圖5 迭代50 000步時塊體變形特征Fig.5 Deformation after 50 000 times of iteration

（2）在上覆白云巖重力作用下，軟弱基座變形進(jìn)一步發(fā)展，為白云巖提供底部變形空間，白云巖產(chǎn)生自坡面向內(nèi)其值遞減的傾倒變形，使原已形成的拉裂縫發(fā)展貫通，并向坡內(nèi)產(chǎn)生新拉裂縫，將巖體切割為巖柱（圖6）。

（3）白云巖向坡內(nèi)產(chǎn)生新拉裂縫，傾倒變形進(jìn)一步發(fā)展，巖柱向坡外臨空方向傾倒下錯，直至崩落（圖7）。

根據(jù)上述分析，離散元斜坡演化模擬結(jié)果與建立的壓致蠕變－拉裂－傾倒型破壞地質(zhì)力學(xué)演化模式一致。

4 結(jié)語

通過上述分析，可得到如下認(rèn)識：

具有軟弱基座的逆向?qū)訝顜r質(zhì)斜坡是常見的斜坡結(jié)構(gòu)類型之一。通過地質(zhì)分析及數(shù)值模擬分析揭示了該類斜坡形成演化的地質(zhì)力學(xué)模式為壓致蠕變－拉裂－傾倒型：該類斜坡的形成演化以軟弱基座的壓縮蠕變變形為先導(dǎo)，引起上部硬質(zhì)巖體的拉裂、彎曲變形，并最終導(dǎo)致斜坡后緣拉張開裂、前緣壓縮彎曲的傾倒式變形破壞。這為同類斜（邊）坡的變形破壞的預(yù)測提供了依據(jù)。

圖6 迭代400 000步時塊體變形特征Fig.6 Deformation after 400 000 times of iteration

圖7 迭代700 000步時塊體變形特征Fig.7 Deformation after 700 000 times of iteration

［1]王宏益.四川省青川縣麻柳溝斜坡形成演化機(jī)制及失穩(wěn)運(yùn)動特征［D].成都：成都理工大學(xué)碩士論文，2012.

［2]張倬元，王士天，王蘭生.工程地質(zhì)分析原理［M].北京：地質(zhì)出版社，1994.

［3]任光明，宋彥輝，聶德新，等.軟弱基座型斜坡變形破壞過程研究［J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003，22（9）：1510－1513.

［4]任光明，聶德新，劉高，等.反傾向巖質(zhì)斜坡變形破壞特征研究［J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003，22（增2）：2707－2710.