斜坡变形破坏工程地质研究

本章概述
介绍基本概念，斜坡应力分布特征，斜坡变形破坏形式及机理，崩塌形成条件及基本特征滑坡形态要素及分类、稳定性影响因素及评价，斜坡变形破坏预测预报及防治。

重难点：加强对斜坡变形破坏形式及机理的理解，重点掌握野外识别滑坡及分析判别斜坡稳定性的方法，掌握治理滑坡的设计原则及各种措施的适应性。

第六章斜坡变形破坏工程地质研究
第一节概述
斜坡系指地壳表部一切具有侧向临空面的地质体，是地表广泛分布的一种地貌形式。

斜坡一般可分为天然斜坡和人工边坡，所谓天然斜坡是指未经人工破坏改造的斜坡，如沟谷岸坡、山坡、海岸等；而人工边坡是指经人工开挖或改造了形状的斜坡，如渠道边坡、基坑边坡、路堑边坡和露天矿边坡等。

斜坡具有坡面、坡顶、坡肩、坡脚、坡角和坡高等形态要素。

斜坡的临空斜面称为坡面；斜坡的顶部缓坡面或水平面称为坡顶面；坡面与坡顶面的转折部位称为坡肩；斜坡最下部与水平地面相接部位称为坡脚；坡面与水平地面的夹角称为坡角；坡肩与坡脚间的垂直高度一般称为坡高。

斜坡变形破坏是内、外动力地质作用下斜坡岩土体处于不稳定状态或失稳的一种现象。

随着时间的推移，在各种地质营力作用下，斜坡岩土体将会经历各种不同的发展演化阶段；与此同时，坡体内应力发生新的变化，由此而可能引起斜坡岩土体的位移，产生不同形式和规模的变形破坏。

由于斜坡变形破坏释放了应力，变形破坏后的斜坡趋于新的平衡而逐渐稳定下来；当应力调整打破了这种新的平衡，斜坡又会出现新的变形破坏。

由此可见，斜坡变形破坏实质上是斜坡岩土体应力与强度之间的矛盾关系所决定的。

斜坡变形破坏给工程建筑带来的危害非常广泛，甚至造成生命财产的巨大损失，全世界各种典型实例不胜枚举。

我国安徽梅山水库连拱坝的破裂事故即为斜坡变形危及工程安全的典型实例。

该坝右坝肩花岗岩边坡在大坝运营了6年以后发生显著变形，岩体沿一组缓倾角裂隙向河谷方向滑移，使坝体的拱和垛受压变形产生裂缝，库水沿裂缝漏出(图6－1)，后经及时处理才保证了大坝的安全。

图6－1 梅山水库连拱坝因坝肩岩体变形造成破坏
(据安徽省水电设计院，1972)
斜坡变形破坏常引起灾难性后果。

1980年7月3日，成昆线铁西车站发生巨大滑坡，滑动岩体总最达2.2×106m3，它掩埋铁路、堵塞隧道入口，使铁路营运中断达40天之久，造成重大经济损失。

1982年7月四川云阳鸡扒子滑坡，滑体总量达1.5×107m3，前缘1.8×106m3土石体被摊入长江之中，使长约600m的江段普遍淤高26－30m，严重碍航。

1986年7月16日湖北省秭归县距长江边7km处发生了土风岩－－马家坝大滑坡，滑体约2×107m3，三条公路及许多桥涵受到破坏，四个自然村被毁。

1987年8月1日，四川巫溪县城岩崩，仅7×103m3崩塌体，竟摧毁楼房多座，致死98人。

由于斜坡变形破坏常给人类经济活动带来巨大的损失，因此斜坡稳定性研究正日益受到重视，各国相继成立了专门研究机构。

今天斜坡变形破坏已成为工程地质学研究最重要的任务之一，也是环境地质学，灾害地质学等新兴学科的主要研究内容之一。

第二节斜坡应力分布特征
本节概述
斜坡岩土体内的应力分布是决定斜坡变形破坏形式和了解其形成机制的基本依据。

虽然目前大多斜坡都假设为均质各向同性的弹性体，用有限单元法来计算仍与实际情况有一定出入，但是这方面的分析却有助于了解斜坡应力分布的一般规律。

图6－2 主应力等值线
a－主应力／ρgH 等值线b－主应力／ρgH 等值线
一、应力分布特点
在斜坡形成过程中，表层岩土体发生卸荷回弹，随之引起应力的重新分布，其应力状态可归纳为以下几个主要方面的变化:
(1)由于应力的重新分布，斜坡中主应力迹线发生明显偏转。

无论是在重力场条件下，还是在以水平应力为主的构造应力场条件下，其总的特征表现为愈靠近临空面，最大主应力愈接近平行于临空面，最小主应力则与之近于正交，向坡体内部逐渐恢复到原始应力状态。

(2)在坡脚附近形成一个明显的应力集中带(图6－2)，该处最大主应力与最小主应力的应力差达到最大值，形成一最大剪应力增高带；坡度愈陡应力集中愈明显。

(3)在斜坡顶面和坡面的某些部位，由于水平应力显著降低，最小主应力有一些是张应力(图6－2a)，形成张力带。

这些部位容易被拉裂形成与坡面近于平行的拉裂面。

(4)坡面处的岩土体，由于应力解除，侧向压力趋于零，实际上处于两向受力状态，而向坡内逐渐变为三向受力状态。

(5)与主应力迹线偏转相联系，坡体内最大剪应力迹线变为近似圆弧形(图6－3)，弧的下凹面朝着临空方向。

这也正是均质岩土体中斜坡破坏面常呈圆弧状的原因。

以上所述为典型的斜坡应力分布特点，在各种因素影响下实际情况要复杂得多。

图6－3 斜坡中最大剪应力迹线示意图
实线－主应力迹线；虚线－最大剪应力迹线
二、影响斜坡应力分布的因素
斜坡应力分布受多种因索的影响，岩体中的初始应力状态、坡形、岩土体特征和结构特征，都不同程度地起着作用；其中以初始应力状态的影响最为显著。

1.岩体初始应力的影响
在高山峡谷地区，特别是新构造运动较为强烈的地带，岩体中常赋存有较大量级的水平地应力，其对斜坡岩体的应力分布有很大影响。

它不仅使主应力迹线的分布形式有所不同，而且明显地改变了各应力值的大小，使应力分异现象加剧，增强了坡脚附近的应力集中及坡面和坡顶张力
带的发展。

如图6－4为水平初始应力=0时的张力带分布。

斜坡在坡角60o时才开始出现张
力带；而当初始应力=3ρgH时，斜城在30o时即出现张力带(图6－5)，且在坡角60o和75o 时，张力带明显扩大。

2.坡形的影响
坡形包括斜坡的坡高、坡角、坡底宽度和平面形态等几方面，它们对斜坡应力分布均有一定影响。

据研究，坡高并不改变应力等值线图象，但坡内各处的应力值均随坡高增高而线性增大。

坡角明显改变了应力分布图象，主要表现在坡脚应力集中带和坡顶、坡面张力带的变化。

随着坡角的增大，坡脚处的最大剪应力随之增高，张力带也随之扩大。

坡底的宽度对坡脚的应力状态也有较大影响，计算表明，当W(坡底宽)<0.8H(坡高)时，坡脚最大剪应力随底宽缩小而急剧增高(图6－6)；而当W>0.8H时，则保持为一常数且与一般斜坡的情况一样。

由此可见，高山峡谷地区特别当存在有垂直河谷方向的较高水平地应力时，坡脚和谷底一带可以形成一极强的应力集中带。

此外，斜坡的平面形态对应力分布也有明显影响。

三维分析表明，圆形和椭圆形矿坑边坡，坡脚最大剪应力仅为一般斜坡的一半左右。

当水平地应力平行于椭圆形矿坑长轴时，应力集中程度较平行于短轴时缓和。

显然上述特征在斜坡稳定性评价时，尤其在露天采坑边坡的设计中，具有重要意义。

3.斜坡岩土体特征和结构特征的影响
研究表明，岩土体的变形模量(E o)对均质坡体的应力分布并无明显影响，而泊松比(μ)可以改变主应力和剪应力的分布，引起张力带变化。

随着μ值的增大，坡面和坡顶张力带逐渐扩展；而在坡底则相反，当μ值增大时，张力带收缩(图6－7)。

由于岩土体的不均匀性和不连续性，使斜坡中的应力分布也出现不连续现象；在不连续面或软弱面的周边成为应力集中带或发生应力阻滞。

这些现象的产生与结构面的产状、性质有关。

以上讨论了斜坡形成后的应力状态。

实际上随着时间的发展，在斜坡整个演变过程中，坡体应力状态也随之调整而渐趋复杂。

天然斜坡的应力状态调整常经过漫长的时期，而人工边坡则时间很短。

第三节斜坡变形破坏的基本形式与特征
本节概述
斜坡应力状态的变化，使原有的平衡被打破，局部应力集中超过了该部位岩体的容许强度，引起局部剪切错动，拉裂并出现小位移，但还没有造成整体性的破坏，这就是斜坡的变形。

当斜坡变形进一步发展，破裂面不断扩大并互相贯通，使斜坡岩土体的一部分分离开来，发生较大位移，这就是斜坡的破坏。

斜坡变形和破坏是斜坡失稳的两个阶段，它们是互相联系又是有区别的。

前者以坡体中未出现贯通性的破裂断为特点；而后者在坡体中已出现贯通性的破裂面，且使斜坡的一部分岩土体以一定的加速度发生位移。

由于斜坡变形破坏过程为一累进性破坏过程，所以，虽然变形本身还不会造成斜坡的失稳，但却说明斜坡已趋向于破坏。

可以认为：斜坡变形是斜坡破坏的准备，而斜坡破坏则是斜坡变形的结果。

过去，在研究斜坡稳定性时只注重斜坡的破坏；而对于斜坡的变形则注意不够或忽视，以致缺乏对斜坡变形破坏全过程的系统了解，这样就不可能对斜坡稳定性作出科学的评价和预测。

只有在变形阶段就注意研究，及早采取合理的对策，才可收防患于未然之效。

斜坡变形破坏的形式是多样的。

变形的基本形式有：拉裂、蠕动和弯曲倾倒；破坏的基本形式有：崩塌和滑坡。

大规模的斜坡变形破坏都是上述基本形式中的一种或多种的组合。

为了研究斜坡变形破坏的规律，必须对斜坡变形破坏形式有所了解。

一、斜坡变形(slope deformation)
斜坡变形主要有三种形式，即拉裂、蠕动和弯曲倾倒。

1.拉裂(tensile crack)
斜坡岩土体在局部拉应力集中部位和张力带内，形成张裂隙的变形形式称为拉裂。

拉裂形成机制有三种类型。

(1)在坡面和坡顶张力带中拉应力集中形成拉裂高陡斜坡的坡面和坡顶附近张力带内拉应力较强，极易产生与坡面近于平行的张裂面，如果坡体中存在有与坡面近于平行的构造节理时，更易沿之发展形成上宽下窄向深处发展的裂隙，其倾角一般较陡(图6－8)。

(2)卸荷回弹(unloading rebound)或岩体初始应力(地应力)释放产生拉裂当斜坡的侧应力
削弱后，由于卸荷回弹或水平地应力释放而形成张裂面，通常称为卸荷裂隙。

这种裂隙通常与原始谷坡坡面相平行。

随着河谷的深切，卸荷裂隙逐渐向深部发展，从而引起裂隙顶部的累计变形越来越大。

在块状岩层地区(例如花岗岩区)，有时卸荷裂隙呈多层状发育，而在斜坡坡面及坡脚处形成卸荷带。

卸荷带向坡体内的发育宽度与斜坡岩性和岩体有关，此外还受边坡状态和初始应力状态的控制。

斜坡愈高愈陡，水平地应力愈大，裂隙愈发育；有时卸荷带发育宽达100m，自地表向下的发育深度可达100m以上。

图6－8斜坡拉裂示意图
(3)因蠕滑形成局部应力集中产生拉裂在斜坡坡体中存在有软弱结构面时，斜坡常沿该面
有蠕滑趋势。

在平行于坡面的最大主应力()作用下，沿缓倾角软弱面两侧产生张开裂隙(图6－9)。

这样逐步向上发展，就会慢慢形成由平缓的软弱面与陡倾的张裂面组成的阶梯状变形裂面(图6－10)。

四川省荣县双河石拱坝左坝肩开挖时就揭露了这种阶梯状裂面，当时尚未发展到坝顶。

图6－9沿软弱面蠕滑图6－10拉裂发展示意图
由于斜坡岩土体的拉裂，使其原有的整体性和连续性受到破坏，强度降低；为雨水、地下水的渗入、运移提供了通道，使坡体进一步松弛，拉裂面逐渐扩展与其它结构面形成贯通性破裂面，使斜坡产生各种不同形式的破坏。

拉裂本身虽仅是一种变形，但却为斜坡破坏创造了条件。

大规模的斜坡破坏无不与拉裂面的发育有关。

2.蠕滑(creep slip)
斜坡岩土体沿软弱面(层)局部向临空方向的缓慢剪切变形称为蠕滑。

蠕滑可以在不同情况下受不同机制的作用而发生，一般主要有三种形式。

(1)受最大剪应力面控制的蠕滑这种情况在均质土坡中较为常见。

图6－11表示了均质土坡内的应力场特征及斜坡蠕滑情况。

(2)受软弱结构面控制的蠕滑岩体中常含有各种软弱结构面，如节理、断层、软弱夹层等，当这些结构面近水平或倾向坡外时，斜坡蠕动变形常易沿之发生。

这类变形其进程取决于该结构面的产状与特征。

当局部地段上覆坡体的下滑力达到或超过该面的实际抗滑阻力时，即出现一系列小的剪裂，逐步产生缓慢蠕动。

如长江葛洲坝工程二江电厂基坑边坡蠕滑即属此类(图6－l2)，葛洲坝工程坝基岩层为白垩系下统红色河流相碎屑岩，岩层产状近于水平，夹有多层粘土岩类软弱夹层，水轮机机窝开挖后形成高40－50m的基坑边坡，由于出观临空面水平地应力释放及卸荷回弹，使岩体松弛变形，沿各临空面的软弱夹层发生向基坑的蠕滑位移；开始位移较快，随着时间的延续，应力逐渐释放，位移趋于停止。

一般来说这种卸荷型的蠕动总是十分缓慢的，是一种减速蠕变(图6－13)。

图6－11均质土坡蠕滑分析图
∏1∏2—最大剪应力
∏1’—潜在滑动面
∑△—斜坡边缘分界面处的变形值
D—潜在滑动面以上的坡体厚度
∑h—坡顶沉降量
(据Q·扎鲁巴，1972)
图6－12葛洲坝工程二江电厂基坑边坡蠕滑剖面图
1－基岩面线；2－第一年基坑开挖线；3－第二年基坑开挖线；4－原地面线；
14、17、28、29、35为大口径钻孔编号；212、214、215、218为软弱夹层编号
(3)受软弱基座控制的蠕滑和塑流由于斜坡基座具有较厚的软弱岩层，在上覆岩体的作用下，基座软岩受压，承载力不够，发生塑性变形，向临空方向或减压方向流动和挤出，引起斜坡的变形。

基座软岩的挤出在侵蚀河谷和挖方地段最为常见。

与前述蠕动形式不同的是，蠕滑和塑流不是沿一个统一的滑面，而是受整个软弱基座层控制。

软岩基座通常为厚层粘土岩、泥灰岩、炭质页岩及煤系地层等；而斜坡则往往由坚硬厚层且裂隙发育的岩层构成，坡高而陡。

如厚层砂岩、灰岩、玄武岩、流纹岩等组成的斜坡最易发生这类变形。

例如阿尔及尔由珊瑚灰岩构成的陡坡，由于下面的泥灰岩浸水软化，使斜坡产生蠕动，最后经过长期变形转变为块体滑坡，裂隙发育的灰岩也形成大块体陷进软化的泥岩中(图6－14)。

斜坡的蠕动变形，虽然位移较小，但由于实际上已成为斜坡失稳的初期阶段，在一定的触发因素条件下，如暴雨、地震、人类工程活动等，极易迅速转为加速蠕变直至破坏。

所以对斜坡蠕动变形应高度重视。

图6－13葛洲坝工程二江电厂基坑边坡
侧向位移长观曲线
图6－14阿尔及尔由软岩基座蠕滑面发展成的滑坡
①－结晶片岩；②－中新统砂岩及砾岩；③－泥灰岩；④－海绿石泥灰岩；
⑤－厚层珊瑚灰岩；⑥－浸水软化的泥灰岩；⑦－下沉的石灰岩块体
3.弯曲倾倒(bend toppling)
由陡倾或直立板状岩体组成的斜坡，当岩层走向与坡面走向大致相同时，在自重的长期作用下，由前缘开始向临空方向弯曲、折裂，并逐渐向坡内发展，这种变形通常称为弯曲倾倒。

陡倾的板状岩体，在自重产生的弯矩作用下向临空方向作悬臂梁式的弯曲，弯曲的板梁之间被拉裂或错动，形成平行于走向的槽沟或反坡台坎；前倾的板梁弯曲最强烈的部位也往往被折裂。

近年来国内外所发现的斜坡弯曲倾倒的实例很多，如我国甘肃自龙江地区，湖南五强溪坝址以及甘肃金川露天矿等处均相继发现。

金川露天矿位于强烈构造变动区，岩层为前震旦纪变质岩系，单斜似层状，倾角70o左右，边坡由性质及结构各不相同的岩体组成(图6－15)，其中存在多条断层及断层密集的破碎带，使边坡形成硬、软岩层相间的介质结构。

边坡最大开挖深度310m。

在图6－l5所示剖面方向存在较大的构造应力，在边坡开挖深处约10Mpa，边坡属反倾型，坡角37o 左右。

边坡开挖之初变形较小，最大水平变形速率为l.3mm／d，垂直变形速率1.7mm／d，随着边坡继续开挖开始出现明显的弯曲倾倒变形，其发展过程如图6－16所示。

其力学性质主要是岩体沿反倾措层层面产生逐层滑动；由于变形的累积效应，变形范围不断扩大，倾倒陡坎高差达4m，坡脚部位的阶段平台向采坑倾斜l0－20o左右；因岩层严重倾倒，平台大量破坏，边坡呈现一坡到底，坡面上局部滚石不时发生。

图6－15金川露天矿上盘边坡地质剖面
这类变形主要有如下特征：岩层向临空方向弯曲，与岩层原有的层面约成20－50o夹角；弯曲倾例的程度自地面向深处逐渐减小，深度可达40m,但一般不低于坡脚高程；下部岩层折断，张裂隙发育，层序一般不乱，但岩层位移明显；常产生沿层面或反坡向裂隙，裂隙面闭合，有错动迹象，错动方向是上盘向下，下盘向上，块体受重力作用向外弯曲倾倒。

斜坡弯曲倾例变形一般经过较长时间演变。

如金川矿初始变形阶段起于1964年，1980年，才发展成为坍塌、滚石；但是有时速度也相当快，如白龙江碧石水电站，在溢洪道的开挖面上3－5天内即形成1－2m厚的倾倒体斜坡弯曲倾倒变形，虽然在坡面上可以表现出十分明强的变形破坏，但是由于不存在明显的总体滑面，所以在通常情况下一般不会出现大规模的、突然的整体性滑动。

如金川露天矿，边坡的累计垂直位移及水平位移虽达到10m以上，但仍未产生大规模整体滑动破坏。

综上所述，斜坡不但具有不同的变形形式，而且具有不同的变形性质。

从变形的连续性来看，拉裂和倾倒变形属于不连续变形，而蠕动变形通常属于连续变形。

由于斜坡是由具有特定结构形式的不连续介质组成的，所以坡体的变形总是不均匀的，总体上表现为连续变形，实际上也包含拉裂等不连续变形因素；因此在斜坡变形研究中，应综合各种不同的变形形式来分析，而不应孤立地将其割裂开来。

斜坡变形表明其已趋于不稳定态势，发展结果必然导致斜坡的破坏。

二、斜坡破坏(Slope failure)
斜坡岩土体中的局部变形滑移，使分裂面逐渐发展，互相连接，并与外界贯通，使部分岩土体沿一连续的分离面与坡体分离，分离的岩土体在连续降雨、地震或坡脚掏空等触发因素影响下，
以一定的加速度进行运动，此时斜坡就完成了变形至破坏的转变。

斜坡破坏的形式很多，主要介绍崩塌和滑坡这两种常见的形式。

1.崩塌(falling)
斜坡岩土体中被陡倾的张性破裂面分割的块体突然脱离母体并以垂直运动为主，翻滚跳跃而下，这种现象和过程称为崩塌。

根据崩塌物质的不同，可分为土崩和岩崩；按其规模大小不同，又可分山崩和坠落石；如这种现象发生在海湖、河岸边者则称为岸崩。

崩塌主要发生在60o以上的高陡斜坡处。

厚层脆性岩石中的陡倾张裂缝，将坡体切割成孤立块体，在一定条件配合下即可崩塌。

湖北省远安县境内盐池河磷矿灾难性山崩即为典型实例。

该区位于峡谷中，岩层中发育两组垂直节理，使崩塌山体三面临空；软弱的泥质白云岩及薄层板状白云岩，构成崩塌山体的追踪滑动面；地下采矿使地表开裂，沿两组垂直节理追踪发展，切割山体成为孤立的山头；最后整个山头沿层面滑出形成崩塌(图6－17)。

一些土质斜坡也常发生崩塌，例如高陡且垂直裂隙发育的黄土斜坡，常见的破坏方式就是崩塌(图6－18)。

2.滑坡
斜坡上的岩土体，沿着贯通的剪切破坏面(带)，产生以水平运动为主的现象，称为滑坡。

与崩塌相比，滑坡在运动过程中基本保持了岩土的完整性，且在较平缓的斜坡中仍可发生。

当斜坡岩土体发生沉陷式的运动时，称为错落性滑坡(我国铁路部门命名为错落)，如图6－19所示，该处盖层系巨厚的石英砂岩，它具倾向临空的陡立裂面，下伏软弱破碎的粘上质岩。

当侵蚀基准面切割至软岩附近时，它因支持不了盖层岩体的重压而变形(图6－19a)，随之坡脚下沉向河道倾斜，使坡顶陡裂面张开与母岩分开。

由于分离的岩体全部重量压在已变形的软岩上而使其向外挤出，导致盖层岩体沿陡立的张裂面错落和向前滑动(图6－19b、c)。

图6－16边坡岩体变形过程
图6－17盐池河崩塌山体地质剖面图
1－灰黑色粉砂质页岩；2－磷矿层；3－厚层块状白云岩；4－薄至中厚层白云岩；6－裂缝编号；6－白云质泥岩及砂质页岩；7－薄至中厚层板状白芸岩；8－震旦系上统灯影组；9－震旦系上统陡山沱组。

图6－18黄土陡坡崩塌
图6－19错落性滑坡发育过程示意图
在斜坡破坏形式中，滑坡分布最广，危害最大，是山区主要的地质灾害。

世界上多山国家的滑坡都很发育，如阿尔卑斯山区的瑞士、奥地利，意大利、南斯拉夫等；美国和苏联每年因滑坡而造成的经济损失达数亿美元；日本也是一个多滑坡国家。

尤其沿海地区更为常见。

我国滑坡分布相当广泛，主要集中在西南、西北地区。

三、斜坡变形破坏的地质模型
研究斜坡变形破坏地质模型，主要是利用典型的斜坡变形破坏实例，以地质背景为基础，考虑各种人为及天然动力因素的影响，分析斜坡的变形形式及其相应的破坏方式，进而抽象概括建立典型地质模型。

建立斜坡变形破坏地质模型的目的，在于把握斜坡变形破坏的基本规律；在人类工程经济活动中可以根据斜坡的地质模型预报斜坡变形的发展趋势及可能的破坏方式，进行稳定性评价。

同时也为建立物理模型，数学模型打下基础。

斜坡变形破坏的地质模型是影响斜坡稳定性各种因素的综合体现，应能反映斜坡变形破坏的全过程。

因此，斜坡变形破坏的地质模型应该具有较为广泛的内容，不但包括与斜坡有关的地质条件；而且包括斜坡的变形特点及相应的破坏方式，以及影响斜坡稳定性的各种人为的及天然的动力因素，其基本内容可参阅下面的方框图(图6－20)。

图6－20边坡地质模型主要内容框图
(据孙玉科等，l983)。