恩施盆地红层边坡变形破坏模式研究

恩施盆地红层边坡变形破坏模式研究*

肖尚德①②唐辉明①唐睿旋①秦华刚②

（①中国地质大学（武汉），工程学院 武汉 430074）

（②湖北省地质环境总站 武汉 430034）

摘 要：恩施盆地红层分布范围广，存在大量的斜坡或人工高陡边坡。由于红层岩体工程地质性质的特殊性，在自然地质作用和人类工程活动的影响下，边坡产生变形破坏，造成人员伤亡和财产损失，对城市市政工程和道路工程建设产生了较大的影响和制约。本文通过恩施盆地红层边坡的野外工程地质调查、钻探、现场试验（压水和渗水试验）、样品采集和室内岩体特性参数测试等工作，基本查清了红层的工程地质特性、水理特性和边坡变形特点。恩施盆地红层可分为“硬砂岩”和“软砂岩”，前者由胶结较好的粉砂岩和砂岩组成，强度较高，透水性差，属相对隔水层；后者由胶结较差的砂岩构成，强度低，透水较强，为含水层。边坡变形破坏规模较小，但点多、危害较大。本文从运动方式和影响因素两个方面对边坡变形破坏模式进行研究，依据斜坡岩土体运动方式，红层边坡变形破坏划分为：顺层岩质滑坡、坠落式崩塌、倾倒式崩塌3种；按变形破坏影响因素，边坡变形破坏划分为：软硬互层红砂岩差异风化、顺层结构面和切层结构面不利组合、人工开挖扰动3种，并分析了各类变形破坏模式的特点和变形破坏过程，对恩施盆地及同类型地区的红层边坡变形破坏的防治具有指导意义及参考价值。

关键词：恩施盆地 红层 边坡 变形破坏模式

0 引 言

红层特指白垩系—古近系沉积形成，呈红色、深红色或褐色，主要为粒状碎屑结构和泥状胶结结构的红砂岩，其特殊的工程地质特性，导致边坡变形破坏形式的特殊性。前人开展了较多的研究工作，主要针对红砂岩物理力学参数、边坡稳定性及支护防治和边坡变形破坏的研究。如徐建平等（1999）就红砂岩边坡岩体力学参数的统计特征进行了研究，获取了参数分布的近似概率分布模型；龚裔芳等（2010）针对不同含水量的红砂岩泥化夹层进行了直剪试验，总结了红砂岩泥化夹层的力学特性对于边坡稳定性的影响；周强科等（2012）对某高速路段的红砂岩及其残积土进行了常规的物理力学性质研究；赵志明等（2013）则研究了红砂岩结构面强度参数，采用直剪试验和基于Barton模型的经验估算法获取了某铁路红砂岩结构面强度参数值。如倪俊（2004）分别采用极限平衡法和有限元数值法对红砂岩高陡边坡稳定性进行了分析，并提出相应的治理方案；曾胜等（2013）通过建立顺层红砂岩边坡结构面力学模型，进行了室内干湿循环试验，分析了红砂岩边坡的稳定性衰减变化规律；袁从华等（2010）以平缓反倾红砂岩高陡切坡为研究对象，分析边坡变形破坏机理，并采用Phase2有限元分析软件模拟了边坡破坏的过程；罗恒等（2012）对常吉高速公路边坡的失稳破坏过程进行了分析；段劲（2014）以某高速公路路堑边坡为对象，利用ADINA有限元软件分析了红砂岩顺层边坡的开挖变形特征；赵洪宝等（2015）进行了红砂岩剪切蠕变特性试验研究与边坡失稳机理分析。

恩施市位于湖北省西南部清江中游，属亚热带季风性山地湿润气候，年均降水量为1449mm，最大降水量为1956mm（1983年），处于清江中游，清江恩施市站多年平均流量为87m3·s－1，最大为4100m3·s－1（1989年7月11日），最小为6.3m3·s－1（1945年6月12日）。恩施盆地位于恩施市中东部，盆地较开阔，高程均在600m以下，属构造侵蚀丘陵区，盆地两侧地势、山峰依次逐渐增高。城区处在恩施盆地之中，由于城市市政和道路交通建设中大量的开山平地，城区各处留下较多的红砂岩高陡边坡，受多组结构面的切割形成楔形结构体岩块，有的已造成人员伤亡和财产损失或形成重大地质灾害隐患，据调查资料统计，城区内有地质灾害隐患点134处，其中滑坡4处、崩塌4处，不稳定斜坡126处，且具有发育规模较小、频度高、危害大的特点，有必要开展其变形特征、变形破坏模式的研究。

本文在恩施盆地红层边坡特征、滑坡和崩塌及岩土体工程地质特征和水文地质特征实地调查、钻探、岩土样采集、渗水和压水试验及室内测试的基础上，从斜坡岩体运动方式、变形破坏影响因素两个方面分别总结了该地区红层边坡变形破坏类型，分析归纳了恩施盆地红层边坡的变形破坏模式和特点等，其对于恩施及同类型地区的红层边坡变形破坏防治具有指导意义及参考价值。

1 恩施盆地红层工程地质特征

恩施盆地出露红层为白垩系跑马岗组K2p地层，呈条带状近南北向展布，长约34km、宽9.5km、厚约200m，地层岩性为粉砂岩、细砂岩，岩层产状为320°∠12°（图1）。

恩施盆地红砂岩属于“红色软硬岩层互层”，两者交互出现，厚度前者大于后者。主要由两套砂岩组成，一套为棕黄色胶结较差的粉细砂岩，即软砂岩，呈巨厚块状，水平层理和交错层理均很发育，岩体强度较低；一套为棕红、紫红色胶结较好的粉砂岩，即硬砂岩，呈中厚层至厚层状，层面构造明显，单层厚度一般为30～60cm，岩体强度较高。硬砂岩的抗压强度为26.2MPa，抗拉强度为1.6MPa，抗剪强度C＝1.02MPa，Φ＝35.2°；而软砂岩的抗压强度1.2MPa，抗拉强度为0.21MPa，抗剪强度为C＝0.73MPa，Φ＝35.8°，由此可见，硬砂岩的抗压强度和抗拉强度明显高于软砂岩，抗压强度和抗拉强度分别是软砂岩的21倍和7.6倍，而抗剪强度相差小。红砂岩中软砂岩吸水性较强，透水性较强，渗透系数为0.660m·d－1，而硬砂岩基本不透水，渗透系数为0.089～0.158m·d－1，在两种砂岩互层的陡坡可见地下水由软砂岩向硬砂岩上渗流的特点（图2）。

恩施盆地红砂岩属于典型的层状沉积岩，其工程地质性质具有明显的各向异性，层面、节理、裂隙以及各种软弱结构面较发育，岩体结构面主要有以下几类：原生沉积结构面，包括层面、斜层理（图3a）；构造结构面，包括节理裂隙、断层，缓倾角的节理裂隙面一般裂面平直宽大，也有少数裂隙略呈弧形，而陡倾角的裂隙短小（图3b、图3c、图3d）；次生结构面主要为应力作用结构面，包括构造运动产生的各种结构面（图3e），风化卸荷裂隙，温差导致应力集中产生的裂隙，人工开挖后因应力场调整产生的裂隙等。位于边坡上部的裂隙面，在开挖卸荷作用下往往由闭合逐渐张开，在重力作用下，红砂岩逐级拉断式破坏，形成“拱月形”拉断破坏面等（图3f）。

图1 恩施盆地红砂岩地质剖面图
Fig.1 Geological sectionsmap of red sandstone in Enshi Basin

图2 红砂岩透－隔水层特征
Fig.2 The characteristics of the red stand-stone permeable and impermeable layer

2 恩施盆地红砂岩边坡变形破坏模式

国内外已有许多不同的边坡变形破坏模式的分类方法，其中较为常用的有Hoek et al.（1983）的破坏面形态差异分类法、Varnes（1978）斜坡岩土体运动方式差异分类法和张倬元等（1994）的力学机制不同的分类法等。

边坡的变形破坏过程受多因素的影响控制，包括斜坡地层岩性、岩体结构、坡体结构、诱发因素等，因此即便在同一地区的同类型岩层中，由于其他因素的差异，也会形成不同的边坡变形破坏模式，其差异性主要体现在运动方式、影响因素上。本文结合红砂岩边坡变形破坏特征，分析、总结归纳了恩施盆地红砂岩边坡的变形破坏模式和特点。

图3 红砂岩的结构面特征
Fig.3 Structural plane's properties of red sandstone
a.层面和斜层理；b.缓倾裂隙面；c.陡倾角裂隙面；d.断层；e.构造运动产生的裂隙面（箭头所指）；f.“拱月形”卸荷裂隙面

2.1 红砂岩边坡岩土体运动模式

由于恩施盆地微地形地貌的差异以及红砂岩岩性的多样性和不均匀性，造成不同的斜坡岩土体运动方式。根据斜坡岩土体运动方式的差异，恩施盆地红砂岩边坡变形破坏模式划分为如下3类：

2.1.1 顺层岩质滑坡

该变形破坏模式多发生于缓倾层状基岩斜坡，滑体规模及滑坡形态受顺层的主控结构面J1和切层结构面J2、J3控制（图4a、图4b），滑坡体就地堆积于坡脚（图4c）。一般来说，发生红砂岩顺层基岩滑坡的斜坡坡度较缓（＜30°），诱发斜坡体变形破坏的因素包括：水力作用、植物根劈作用、人为扰动坡脚等。由于区内红砂岩多以“透水－隔水”互层的形式出现，因此，红砂岩顺层滑坡受水力作用影响较大，在降雨及地下水作用下，滑坡岩体自重增加，裂隙充水产生一定的静水压力，并在透－隔水层分界层面汇集，降低层面及结构面的强度，裂隙进一步扩展，最终斜坡体极限平衡遭受破坏，导致顺层基岩滑坡。

该变形破坏模式的特点是：滑移的斜坡岩土体水平位移大于垂直位移，滑面为红砂岩基岩层面，后缘受节理控制，滑坡规模受结构面组合形式控制，破坏面的剖面形态为直线型或折线形，滑动速度较快，滑动距离受前缘临空条件控制。

2.1.2 坠落式崩塌和倾倒式崩塌

图4 顺层基岩滑坡主控结构面（a、b）和滑坡堆积物（c）
Fig.4 Main controlling structural planes（a，b）and deposits of bedded base rock landslide（c）

崩塌大多发生在地形坡度较陡的自然边坡或人工开挖边坡，由于红砂岩岩体原生构造节理裂隙、后期卸荷和风化裂隙十分发育，当两组或两组以上的节理裂隙（图5）与斜坡临空面构成不利的空间组合时，就会将岩体切割成块体，使岩体完整性降低，随后斜坡岩体结构面不断遭受卸荷、风化、降雨入渗、根劈等不利的外力作用，使边坡岩体、结构面力学性质降低（c、φ值减小），而且原有裂隙结构面不断扩展、加深，当斜坡岩体极限平衡遭到破坏，岩体下部临空时，发生坠落式崩塌，受节理组合形式的控制，崩塌体形态多为楔体式、菱柱式（图6）。而当斜坡岩体下部存在岩体支撑不临空，但岩体软化强度降低或风化掏蚀导致上部岩体重心偏移外倾，形成倾倒式崩塌（图7）。

图5 红砂岩边坡内的组合节理
Fig.5 Combination joints in red sandstone slope

图6 坠落式崩塌形态
Fig.6 Forms of falling collapse a.菱柱式；b.楔体式

此类变形破坏模式的特点是斜坡岩土体垂直位移大于水平位移，在区域内发生的频率最高，危害性最大，崩塌体规模较小。具有明显的间歇性、渐进性和反复性的特点，发生过崩塌的地方由于卸荷作用，可以使坡体有一段稳定时期，但是在内部地质因素和外部环境条件共同作用下，则会进一步孕育新的斜坡岩体崩塌。

图7 倾倒式崩塌
Fig.7 Toppling collapse

2.2 红砂岩边坡变形破坏影响因素分析

边坡的变形破坏是内部孕灾条件和外部致灾因素共同作用的结果，恩施盆地红砂岩边坡变形破坏具有单一因素致灾效果显著的特点，因此根据边坡变形破坏影响因素的差异，恩施盆地红砂岩边坡变形破坏模式划分为以下3种类型：

2.2.1 软硬互层红砂岩差异风化

该类变形破坏模式一般为崩塌，包括倾倒式崩塌（图8）和悬臂式拉裂崩塌（图9）。倾倒式崩塌多发育于板状、柱状的直立边坡岩体，在静水压力、重力、地震力等作用下，沿着边坡岩体底部发生转动而导致危岩体失稳。这类斜坡破坏形式的力学机制为倾覆力矩大于抗覆力矩从而引起岩体转动破坏。悬臂式拉裂同样是斜坡差异风化导致上部硬砂岩岩体在坡面上以悬臂梁的形式凸出，在凸出的“悬臂岩体”上所发育的构造节理及风化裂隙在长期重力作用下逐渐扩展，拉张裂隙向下发展，最终导致凸出的“悬臂岩体”突然崩落。

根据恩施盆地红层岩性组合特征、岩性差异，硬砂岩和软砂岩的差异风化是引起恩施城区高陡岩体发生倾倒崩塌的重要原因。当硬砂岩体的下伏软砂岩层不断风化剥落，形成一定的岩腔，从而使得硬砂岩块体支撑面积减小，块体重心逐渐临空，稳定性不断降低，而破坏块体后缘结构面由于重力拉拽作用不断扩大。当底部支撑面不足以支撑块体时，即发生倾倒崩塌。

2.2.2 顺层结构面与切层结构面的不利组合

恩施盆地红砂岩斜坡岩体中发育有陡倾角节理裂隙、卸荷裂隙及缓倾结构面，尤其是斜坡前缘接近临空面的位置，常形成倾向临空面的裂隙。由于自然地质作用，斜坡岩体中的裂隙不断扩展，随着降水的入渗，结构面被软化，其强度不断降低，在重力、静水压力、动水压力等作用下，斜坡失稳，沿缓倾软弱结构面发生滑移产生破坏（图10）；当斜坡岩体中陡倾裂隙不断扩展，在各种因素的作用和影响下，原有斜坡的平衡状态破坏，岩体分离失稳产生崩塌（图11）。

图8 差异风化型倾倒式崩塌示意图
Fig.8 Schematic diagram of differentialweathering toppling collapse

图9 差异风化型悬臂式拉裂崩塌示意图
Fig.9 Schematic diagram of differential weathering cantilever cracks collapse

图10 结构面控制型滑移示意图
Fig.10 Schematic diagram of structural plane controlling drift

图11 结构面控制型崩塌示意图
Fig.11 Schematic diagram of structural plane controlling collapse

2.2.3 人工开挖扰动

由于道路、城市市政建设等人为工程活动，产生了大量的高切坡，形成高陡的临空面，坡体失去坡脚的支撑，破坏了原有的平衡条件，从而导致斜坡失稳破坏，其变形破坏一般为3个阶段：

2.2.3.1 开挖卸荷变形阶段

在边坡开挖过程中及开挖完成一段时间内，边坡岩体处于开挖卸荷变形的阶段，变形主要体现在陡倾节理的扩展，由于卸荷变形量一般不大，不会产生边坡变形失稳现象。

2.2.3.2 斜坡岩体蠕变阶段

在坡体卸荷应力的作用下，斜坡岩体产生蠕变，进一步加剧了细砂岩内陡倾节理的扩张。

2.2.3.3 边坡破坏阶段

边坡的破坏型式有两种，（1）滑坡，边坡岩体中的陡倾节理发展扩大后，在暴雨或持续降雨条件下地表水大量下渗，大大降低了硬砂岩层面强度及岩体内的结构面强度，增加岩体自重，产生渗透水压力和扬压力，同时在裂隙中充水形成静水压力，坡体在上述各种因素共同作用下，沿软弱结构面（层面等）产生滑动破坏，其破坏边界面为后缘的陡倾裂隙和软－硬砂岩的岩性界面（图12）。（2）崩塌，边坡岩体中的陡倾裂隙不断扩大，岩体临空且不断外倾，同时岩体结构面强度降低，在自重和其他外部因素作用下，岩体均衡状态破坏，产生倾倒或坠落（图13）。

图12 许家坪路蓝天加油站滑坡
Fig.12 The landslide near Lantian gas station，Xujiaping Road

图13 凤凰山公园边坡崩塌
Fig.13 Slope collapse of Fenghuang Mountain park

边坡的变形破坏过程是复杂的，有些边坡的破坏不是按上述3个阶段发展，如边坡的开挖直接在坡脚进行，可能经过短暂的第一阶段后直接进入破坏阶段。

3 结 语

由于恩施盆地出露的白垩系红砂岩沉积年代较新，成岩程度相对较低，强度较低，边坡稳定性较差，存在大量的红砂岩边坡变形破坏现象。通过对恩施盆地红砂岩边坡大量的现场调查和分析研究，根据斜坡岩土体运动方式的差异，将恩施盆地红砂岩边坡变形破坏划分为：顺层岩质滑坡、坠落式崩塌和倾倒式崩塌3种模式；根据变形破坏影响因素划分为：软硬互层红砂岩差异风化、顺层结构面和切层结构面不利组合、人工开挖扰动3种模式，并分析总结了斜坡岩土体运动方式分类中各变形破坏模式的特点和影响因素分类中边坡的变形破坏过程。此次研究对于恩施盆地及同类型地区的红层边坡变形破坏的防治具有指导意义及参考价值。

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STUDY ON DEFORMATION AND FAILURE MODES OF RED LAYER SLOPE IN ENSHIBASIN

XIAO Shangde①②TANG Huiming①TANG Ruixuan①QIN Huagang②
（①Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074）
（②Geological Environmental Center of Hubei Province，Wuhan 430034）

Abstract：The red beds is wide distributed in Enshi Basin with a large number of slopes or man-made high and steep slopes.Because of the specialities of the engineering geological properties，the deformation and failure of the slopes under the natural geological process and human engineering activities always cause casualties and property losses，which has greatly influences and restrictions on the construction of urban municipal engineering and road engineering.According to the field engineering geological investigation，drilling，field test（water pressure and infiltration test），sample collection and laboratory rock mass parameters test，the engineering geological property，hydraulic characteristics and slope deformation characteristics of red beds are investigated.The red beds in Enshi Basin can be divided into“hard sandstone”and“soft sandstone”，the former ones are relatively impermeable layerscomposed by better consolidated silt-stone and sandstonewith high strength，lower permeability；the latter ones are aquifer layer composed by poor consolidated sandstone with low strength，strong permeability.The scale of deformation and failure of slope is small，but the quantity is big and the harmfulness is heavy.This paper have researched on the deformation and failuremode of slopes from two aspects：themotionmode and influencing factors. According to themovementmodes of the slope rock mass，the deformation and failure of the red bed slopes are divided into three kinds：the bedding rock landslide，the falling collapse，and the dumping collapse.Based on the deformation and failure influencing factors，the deformation and failure of the slopes also are divided into three kinds：soft and hard sandstone layers with different weathering functions，the disadvantageous combination of the bedding planes and the cutting structure planes，the artificial excavation disturbance.The characteristics and the processes of the various types of deformation and failure modes are analyzed，which has significant guiding and reference value for the prevention and control of the deformation and damage of the red bed slopes in Enshi Basin and areas of the same kind.

Key words：Enshi Basin，Red layer，Slope，Deformation and failuremodes

中图分类号：P642

文献标识码：：A

DOI：10.13544／j.cnki.jeg.2016.06.006

*收稿日期：2015－09－16；

收到修改稿日期：2016－08－31.

基金项目：中国地质调查局西部地区复杂山体滑坡成灾机理研究项目（1212011014029）资助.

第一作者简介：肖尚德（1963－），男，正高级工程师，主要从事工程地质、环境地质调查评价与地质灾害防治勘查设计研究.Email：[e-mail]