陡倾岩层边坡破坏模式分析及防护措施研究

陡倾岩层边坡破坏模式分析及防护措施研究

张 鑫，陈建光

（重庆市设计院有限公司，重庆 400015 ）

摘要：边坡工程是近年岩土工程的热点技术问题，重庆城区的建筑边坡较多，其中陡倾层状岩质边坡具有一定的代表型。文章首先基于坡体结构的差异对边坡工程进行梳理，并结合陡倾岩层边坡的工程特征对其进行全面分类。然后对各类边坡的破坏模式进行机理分析，再探究对应的防护措施，最后对各种类型边坡均提供了代表性的工程实例。以供参考。 关键词：边坡；陡倾岩层；破坏模式；防护措施

随着我国大规模基础设施建设的推进，边坡建设水平不断提高，工程范围与规模有所扩大。其中对岩质边坡稳定性及破坏模式的研究一直是我国岩土领域的热点技术问题。山城是重庆城的美称，在重庆“四山”背斜构造发育，两侧的陡倾层状岩坡较为典型。本文将结合工程案例通过对陡倾岩层建筑边坡的各种坡体结构进行梳理和分类，分析其破坏模式并对其防护措施开展研究，具备区域特征，具有工程案例价值，并对陡倾岩层边坡的认识和防护进行系统总结。

1边坡概述

1.1边坡定义及各指标分类

（1）一般来说，边坡是指由于工程行为而人工开挖或填筑的斜坡，边坡如有变形破坏，坡体中的滑面是新形成的（或者由于工程活动再次诱发），开挖与填筑前没有变形与滑动迹象。（2）边坡按照不同的分类指标可以有多种分类。按构成边坡的物质种类：土质边坡，岩质边坡，岩土混合边坡；按照边坡高度：一般边坡，高边坡；按照工程类别：建筑边坡、交通边坡、矿山边坡、水利边坡；按照使用年限：临时边坡、短期边坡、永久边坡；按照形成过程：自然边坡、人工边坡（又可分为挖方边坡、填筑边坡）。

1.2按坡体结构特征的边坡分类

在《边坡与滑坡工程治理》^[2]中，按坡体结构特征边坡可以分为8类：（1）类均质土边坡：属土质边坡，如粘性土、黄土、堆积土等；（2）近水平层状边坡：指岩、土层产状近水平，一般倾角＜10°；（3）顺倾层状边坡：土层或岩层面倾向临空面（开挖面），倾角≥10°，当有软弱岩层或夹层时，倾角10°～30°最易滑动；（4）反倾层状边坡：岩层面倾向坡内，当岩体破碎或者下伏软岩时会形成切层滑坡，软质岩层倾角＞70°时易发生倾倒变形；（5）斜交层状边坡：指层面倾向坡内或者临空面，但其走向与边坡走向斜交，夹角＞35°时很少产生滑移变形；（6）碎裂状边坡：大断层或者破碎带或汇交处，岩石十分破碎；（7）块状边坡：指厚层块状岩体，岩块强度高，如花岗岩、玄武岩等；（8）散体状边坡：由破碎块石、砂构成，如强风化层。在《山区高速公路高边坡病害防治实例》^[3]中，总结了易于产生变形的5种坡体结构大类：（1）基座式：细分为上硬下软型，为近水平层状坡体或者反倾向为主。上软下硬型，上部由软弱破碎岩体或者土体构成；（2）层状：细分为顺倾层状(岩层倾向临空，倾角一般10°～30°)、反倾层状（岩层倾向坡内，倾角一般10°～30°）、陡倾层状（由软硬相间、互层或间层状结构，倾角一般＞40°）、顺倾似层状（整体块状岩浆岩中发育外倾节理面，倾角一般35°～45°）；（3）似眼球状：由变质岩、岩浆岩组成，弧形构造面切割为眼球状或透镜状；（4）松散破碎体：大型断裂带破碎岩体或崩坡积块碎石土等组成；（5）类均质体：无明显结构面，构成相对均一的岩土质边坡。

2陡倾岩层边坡的特征及分类

2.1陡倾岩层边坡特征

按照边坡的定义和梳理，陡倾岩层边坡有如下特点：（1）边坡：文章研究范围以人工形成的建筑边坡为主，坡体受结构面控制明显，对于矿山、水利工程等超高边坡破坏机理涉及较少；（2）岩层：多指薄~中厚层状岩体，以沉积岩为主，不含土质边坡、散体状边坡和块状岩坡；（3）陡倾：主要据《建筑边坡工程技术规范》^[4]的分类方式，按照主控结构面即岩层面产状，划分为近水平层倾角≤10°、缓倾层倾角10°～35°、陡倾层倾角≥35°（多指35°～75°）。陡倾岩层边坡由软硬相间、互层或间层状的岩类组成，岩层倾角≥35°，岩层倾向坡内、临空面或斜交。

2.2陡倾岩层边坡分类

目前对于顺向坡的范围（即岩层走向与边坡走向夹角的上限值）尚未形成一致的结论，铁道部门多采用 45°，水利和电力部门分别采用 30°和 40°。通过对夹角上限值的统计分析^[5]，当其夹角大于30°时，滑移变形的数量和规模均大为减少。综合前述斜交边坡类型，本文采用35°作为顺向与切向边坡的界线值。

结合陡倾岩层边坡的特征，按主控结构面（岩层面）倾向与边坡坡向的夹角关系，结合外倾倾角与坡角的关系（是否临空），可以分为5种边坡类型：顺层临空、斜切临空、外倾不临空、斜交、反倾边坡(见表1)。

3破坏模式分析

岩质边坡由众多结构面切割的岩体组成，在自然界呈现多种破坏模式。边坡广义的破坏形式有崩塌、坍塌、滑塌、倾倒、错落、落石、板裂、溃屈等形式。其中数量较多，危害最严重的是边坡滑塌的破坏形式（其中包括平面滑移、圆弧型滑移、楔形体滑移等形式）。对于矿山、水利工程等超高边坡，存在多种破坏机理，比如：滑移-拉裂-剪断三段式机理、阶梯状蠕滑-拉裂机理、倾倒变形、高应力-强卸荷深部破裂机理

^[1]。陡倾岩层建筑边坡常见的破坏模式有平面滑移、平面转滑、剪胀变形、溃屈破坏、水压致裂、楔形块滑移、倾倒、崩塌、顺裂隙平滑等形式。各类边坡可能出现多种破坏模式，各种边坡类型对应的较为典型的破坏模式见表1。

表1：陡倾岩层边坡按坡体结构分类表

4防护措施研究

边坡防护和设计包括确定边坡坡率与形状、排水工程、防护加固工程与景观绿化工程等内容。广义的边坡防护按照功能可以分为冲刷防护、支挡工程、坡面防护。（1）冲刷防护分为直接防护（铺草皮、石笼等），间接防护（丁坝顺坝、截排水沟等）；（2）支挡工程包括各种锚固工程和支承构造物（岩层边坡支挡工程主要包括重力式挡土墙、肋梁锚杆挡墙、板肋式锚杆挡墙、格构式锚杆挡墙、桩锚支档结构、双排桩、锚杆喷护、点锚支护以及坡率法）；（3）狭义的边坡防护工程主要指坡面防护和维持，是防止边坡冲刷、风化，主要起隔离作用的措施，按照材料种类，分为植物防护与绿化（植草、喷播、植生袋护坡等）、圬工防护（护面墙、素喷、挂网喷浆、抹面、勾缝、灌浆、石砌护坡等）、综合防护（格构植草、土工合成材料植草、植物和圬工分区防护等）；（4）对于出现险情的边坡紧急防护措施包括：监测调查、堆载反压、削方减载、封闭隔水、排水泄水、紧急加固等。

5陡倾岩层边坡工程实例

5.1顺层临空边坡（平面滑移）

1. 
   

2. 边坡基本情况：开挖平场后形成圈椅状多段多级岩质边坡，坡率1:1，喷浆护面，边坡最高点超30米。因第一阶顶部有临时运输通道，平台宽约6米，第一阶高约10米。边坡出露岩性为青灰色长石细砂岩（属较硬岩）和黄绿色砂质泥岩（属软岩，易风化及软化）。地层单斜，层面产状295°∠56°。边坡岩性差异明显，滑体为砂质泥岩，下部为细粒砂岩，破坏面和岩性分界线重叠一致。由于二次土石方平场施工，坡底基坑下挖3.8米，切削坡角施工，按照1:0.75（约63°）放坡开挖。在转角处边坡转向，出现了顺层临空现象，边坡出现开裂，裂缝宽度3～6厘米，逐步贯通，迹长25米。施工方随即进行了局部回填并修整，约20天后，边坡第一阶平台滑移。

（2）破坏模式及防护措施：边坡破坏模式为顺层平面滑移，滑面为岩性分界面，切削坡脚造成临空是诱发因素。防护措施为，临时回填反压，清除滑体并按照1:1.5削缓边坡，坡面挂网喷浆防护。

图1：顺层平面滑移破坏 图2：防护措施（削坡+网喷）

（3）分析及说明：岩性分界面因风化差异和含水差异，常成为滑动面。转角（阳角）处由于边坡转向易形成顺层坡体。顺层边坡应避免陡切坡脚造成临空现象。临时边坡避免久置风化。

5.2斜切临空边坡（平面转滑）

1. 
   

2. 边坡基本情况：边坡属临时边坡，标高+220~+234米共分两阶。在+228米标高设置有2米宽马道。岩性为泥质砂岩（属较软岩），薄～中厚层状岩体（厚度0.1~0.5m），层面产状278°∠64°。设计按倾角64°顺层开挖。边坡坡向260°，坡角64°。走向夹角18°。边坡坡角与岩层面倾角一致，边坡走向与岩层面走向存在角小交角。层面间存在软弱夹层，受降雨软化、施工扰动及裂隙切割坡脚影响，今年4月边坡第一阶（高8米）顺层面发生平面转动滑移，滑体长5米，层厚约1米。边坡距离轨道保护线近无削坡条件。

（2）破坏模式及防护措施：由于存在小角度相交，开挖后在正交剖面上，岩层的视倾角小于真倾角（同时略小于坡角）。在正立面上，层面小角度转向使开挖坡面从平行变成斜切岩层坡脚，形成一斜上的临空切割线，造成局部岩层面斜切临空，产生平面转动滑移破坏。因距轨道保护线近无放坡条件，防护措施为对边坡第一阶采用肋梁锚杆挡墙进行支护（上阶保留现状）。

图3：斜切临空边坡 图4：平面转滑破坏 图5：肋梁锚杆支护

（3）分析及说明：层面倾角与坡角相等，走向小夹角相交时也会产生斜切临空现象。对高度不大的外倾边坡，设计放坡角应小于倾角（可致切割线竖立或倒置）以避免转动滑移。施工中加强信息法施工，局部清理裂隙切割松动块体。软弱夹层发育和裂隙切割坡脚会促进转动滑移产生。必要时可进行支护。

5.3外倾不临空边坡（剪胀变形）

（1）边坡基本情况：初平场开挖，边坡最高约38米，共分5阶。坡体为砂岩、泥岩、页岩分段组成。边坡坡面倾向290°，采用1:1坡率放坡开挖，挂网喷浆护面，台阶上设置有2米宽马道。边坡岩层产状292°∠72°。裂隙①产状131°∠23°，裂隙②产状4°∠46°。岩层面外倾不临空。裂隙与坡面大角度相交或倾向坡内，各组合交线均不外倾。裂隙发育密集间距小，多处于0.1～0.5米间距，故开挖面有切割成小块状的破碎块体和凹腔形成。雨季以来，边坡监测数据显示，变形较大，上部三个台阶（均为破碎页岩坡体）的部分变形超过2厘米（后总体变形接近5厘米）。底部两阶变形小（属砂岩坡体）。裂缝多发现于边坡顶部和上第二阶，第二阶裂缝长度约10米，宽度约1.5厘米，局部下挫1～2厘米。边坡顶部最外侧裂缝距离边坡外沿约6米，长度约10米，局部裂缝宽度约1厘米。顺部分裂缝挖探发现黑色极软夹层充填。岩体属软岩，裂隙发育密集岩体较破碎。顶部向下第三阶马道监测数据在垂直方向变形为少量抬升（顶部向下第二阶和顶部监测数据在垂直方向变形为下沉），存在剪胀情况。底部两阶监测数据较平稳。

（2）破坏模式及防护措施：岩石材料的剪切面是粗糙的,剪切过程中上滑,引起垂直位移,为剪胀效应。边坡破坏模式为剪胀变形。边坡设置有分级台阶，边坡坡面裂隙发育且间距较小，多见小型破碎块体，边坡监测变形过大，局部发现变形裂缝，挖探发现层面软弱夹层充填。防治措施为加密监测，对顶部三阶进一步削坡（按1:1.25～1:1.5坡率），挂网喷浆护面。

图6：边坡薄层陡倾裂隙发育 图7：防护措施（对上部三阶削坡+网喷）

（3）分析及说明：边坡外倾但不临空，岩体较破碎，软弱夹层发育，边坡存在减胀变形。监测数据显示变形受降雨控制时间同步性明显。挖探显示裂缝发育与层面黑色极软夹层一致性明显。

5.4外倾不临空边坡（溃屈破坏）

（1）边坡基本情况：该岩质边坡高约40m,组成该边坡的主要岩性为侏罗系中统新田沟组页岩，页岩呈片～薄层状，岩体质量差（层面参数C=25kPa,φ=12°）。层面陡倾坡外，层面产状为291°∠71°，该边坡设计采用放坡+板肋式锚杆挡墙支护，设5阶放坡，坡中上部放坡坡率为1:0.5，坡脚处放坡坡率为1:0.35（顺层剥离开挖），每阶边坡高约8m，设置宽2m宽的马道。施工按照逆作法施工的原则边开挖边支护，开挖接近最后五阶时（高约35m），坡角页岩溃屈，边坡滑移失稳。

（2）破坏模式及防护措施：破坏模式为页岩溃曲破坏。对本案例有研究表明开挖到35m水平位移云图坡脚位移1m, 边坡已失稳^[6]。支护方案为坡脚采用锚索桩、中部格构锚、顶部分阶放坡喷锚支护，坡面采用格构植生袋防护。

图8：页岩溃屈破坏 图9：桩锚索+框架格构锚索支护

（3）分析及说明：应注意对软弱页岩层进行查明划分。边坡较高时顺层面放坡+板肋式锚杆挡的支护方案应慎重。溃屈型边坡坡脚宜采用桩或桩锚支护结构。

5.5外倾不临空边坡（水压致裂）

（1）边坡基本情况：边坡坡向与岩层倾向一致，高度约8米。以砂岩为主，向坡体内部延伸厚约5米，内部为泥岩（属相对隔水层），分层界面明显。岩层坡角约68°左右，现场按坡面顺层剥落放坡（外倾不临空）。两组裂隙与边坡大角度相交。边坡截排水系统不完善。顶部未封闭且未形成跌水引排，排水不畅雨水浸入砂岩裂隙（同时页岩夹层不透水形成水压）。在施工过程中受大雨影响，边坡陆续出现了多处裂缝点位，裂缝宽0.5～1厘米，长度约10米。岩体裂隙网络渗流对岩体裂隙壁施加有两种力，一种是垂直于裂隙壁产生扩容的法向渗透水压力，另一种是平行于裂隙壁并与水流方向一致使裂隙产生切向位移的动水压力（也称拖曳力）^[7]。

图10：水致压裂边坡情况 图11：页岩夹层 图12：未封坡顶-暴雨开裂

（2）破坏模式及防护措施：暴雨致使地下水位及渗流场发生变化，改变了孔隙水压力，使得岩体中的裂隙发生扩展产生裂缝。因边坡隔水排水系统不完善，破坏模式为水压致裂。防治措施为清除开裂块体，对坡顶砂岩面、局部回填面采用素砼封闭，完善截排水沟，增设有效泄水孔，加强监测。

（3）分析及说明：完善排水系统包括坡顶封闭、截流引排、坡体泄水。页岩夹层隔水和软化对水压致裂有促进作用。

5.6斜交边坡（楔形块滑移、顺裂隙平滑）

（1）边坡基本特征：边坡属临时边坡，坡体以砂质泥岩为主，局部夹中厚层砂岩。边坡高度35米，属切向坡，分为4阶，顶部台阶采用1:1.5放坡，第二台阶1:0.75放坡，坡面倾向181°，底部两阶倾角66°放坡。边坡岩层产状261°∠63°。裂隙①产状42°∠38°，裂隙②产状162°∠54°。裂隙②倾向坡外，裂隙②与层面组合交线倾向坡外。将产生楔形体滑移，也产生了顺裂隙②滑移。两次滑移均发生在雨季。

（2）破坏模式及防护措施：属斜交边坡，裂隙外倾，初为楔形体滑移，后为顺裂隙滑移。防护措施，底部两阶采用锚杆挡墙支护。

图13：楔形块滑移 图14：未支护段顺裂隙平滑，部分段锚喷支护

（3）分析及说明：局部锚喷后可以达到防护目标。监测显示在阳角转角处和垂直边坡点变形更大。降雨对边坡滑移影响明显。及时封闭坡面避免岩层风化。

5.7反倾边坡（切层崩塌）

1. 
   

2. 边坡基本特征：边坡顶部存在重要构筑物，为墩埋浅基础，下部基岩出露。坡顶沿口与构筑物间最近距离约为8m。顶部地貌约为25°缓坡和台阶地貌。边坡坡率大属陡坡，坡角总体约85°，中至顶部少量坡面倒置为负向坡面。坡高度约22～25m，砂泥岩互层，岩层倾向坡内，为反倾边坡，倾角约62～68°。边坡南东侧局部发生切层崩塌，下部可见碎块状的砂岩崩积体，泥岩崩塌体风化成土，崩塌主要为中至上部，约80m³，贴岩层面整体层状剥落。现边坡坡以低频偶发小型掉块为主。

图15：反倾崩塌 图16： 防护施工（分层堆载反压）

（2）破坏模式及防护措施：边坡反倾，曾发生切层崩塌，现以低频偶发小型掉块为主。边坡为临时边坡，防护措施为板肋式锚杆挡墙与分层堆载反压（更经济合理）方案比选。

（3）分析及说明：反倾岩层边坡多发生切层崩塌，对于高陡的软层岩坡有发生倾倒破坏的典型模式。堆载反压采用硬、软不同材料相间分层进行。

6结论

（1）按照对陡倾岩层边坡的定义及特点描述，确定岩层倾角≥35°为陡倾岩层，采用35°作为外倾岩层走向与边坡走向夹角的上限值，并细分为5种边坡类型：顺层临空、斜切临空、外倾不临空、斜交、反倾边坡；（2）对于陡倾岩层建筑边坡，常见的破坏模式有平面滑移、平面转滑、剪胀变形、溃屈破坏、水压致裂、楔形块滑移、倾倒、崩塌、顺裂隙平滑等形式。各类边坡可能出现多种破坏模式；（3）广义的边坡防护按照功能可以分为冲刷防护、支挡工程、坡面防护。支挡工程包括各种锚固工程和支承构造物（岩层边坡支挡工程主要包括重力式挡土墙、肋梁锚杆挡墙、板肋式锚杆挡墙、格构式锚杆挡墙、桩锚支档结构、双排桩、锚杆喷护、点锚支护以及坡率法）。对于出现险情的边坡紧急防护措施包括：监测调查、堆载反压、削方减载、封闭隔水、排水泄水、紧急加固等；（4）对各类型破坏模式提供了7个工程实例进行分析探讨。

参考文献：

[1]黄润秋.岩石高边坡稳定性工程地质分析[M].北京: 科学出版社,2012.

[2]郑颖人，陈祖煜，王恭先，凌天清.边坡与滑坡工程治理[M].北京: 人民交通出版社,2007.

[3]马惠民，王恭先，周德培.山区高速公路高边坡病害防治实例[M].北京: 人民交通出版社,2006.

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB50330-2013建筑边坡工程技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2014.

[5]白云峰，周德培，冯君.顺向坡岩层走向与边坡走向夹角的上限值[J].西南交通大学学报, 2005,40(3):326-329.

[6]张登项,唐川,唐秋元.顺层岩质边坡溃屈型破坏探讨[J].重庆交通大学学报(自然科学版), 2018,37(6):63-68.

[7]张电吉,白世伟.渗透水压力对节理裂隙岩质边坡的影响[J].西部探矿工程,2003,(2):4-6.

4