反傾邊坡傾倒變形機理與穩定性評價綜述

游昆駿（核工業西南勘查設計研究院有限公司 四川成都 610061）

反傾邊坡傾倒變形機理與穩定性評價綜述

游昆駿
（核工業西南勘查設計研究院有限公司 四川成都 610061）

本文從層狀反傾巖質邊坡的傾倒變形模式及規律、傾倒分級體系、傾倒變形機理三個方面對傾倒變形的研究進展進行了總結，介紹了在反傾邊坡中常用的三種分析方法：解析分析法、物理模型試驗和數值分析法的研究進展。并指出了各類分析方法的優缺點及需要深化和改進的問題。

層狀邊坡；傾倒變形；數值模擬；變形機理

1 引言

層狀巖質邊坡中，過去的研究較多偏向于順層邊坡穩定性，尤其是巖層傾角小于坡角時，穩定性問題尤為突出；而對于層狀反傾巖質邊坡，往往容易忽略其穩定性。由于層面傾向與坡向的結構特點，傳統的研究認為反傾邊坡穩定性較好。然而，隨著近20-30年來，人類工程建設的持續推進，活動范圍日漸增大，出現了大量反傾巖體變形甚至引起重大災害的案例，激起了大批學者的研究熱情，也顛覆了人們對于反傾巖質邊坡的常規認識。

2 巖體傾倒模式及規律

對傾倒巖體的變形破壞模式進行系統的分類和研究起始于1976年，Goodman 和Bray[1]較為系統的將層狀巖體邊坡的彎曲傾倒變形歸納為：彎曲傾倒、塊狀傾倒、塊狀彎曲傾倒和次生傾倒等4種變形模式，次生傾倒主要為由單一因素引起的巖土體強度弱化或巖土體滑移引導的傾倒變形。Heok和 Bray[2]在總結大量工程經驗和實踐的基礎上，進一步將次生傾倒劃分為五種基本類型：（1）滑移-坡頂傾倒；（2）滑移-基底傾倒；（3）滑移-坡腳傾倒；（4）拉裂-傾倒；（5）塑流-傾倒。

Cruden和 Hu指出順層邊坡的傾倒變形現象，并將其分類三種基本類型：塊狀彎曲傾倒、多重塊體傾倒、人字形傾倒。

此外，國外有Caine、Reid和Stewart、Brabb和Harrod、Giraud、Richards等學者在總結各類傾倒變形實例的情況下，基于某一實例邊坡提出了各自的見解。

國內學者對于此類邊坡的研究相對較晚，最早有學者將反傾邊坡的傾倒變形現象描述為：“點頭哈腰”、“山腰遷移”、“地表膝狀褶皺”、“巖體的蠕動變形”、“撓曲風化層”等。

3 傾倒變形強烈程度分級體系

傾倒變形的強烈程度分級能定性的描述邊坡巖體傾倒變形隨深度變化的情況，在其基礎上能快捷、有效的進行分析研究，從而針對性的提出有效的分區或分級預防和治理措施，對于該類邊坡的研究和工程治理都具有重要意義。目前，對于傾倒變形強烈程度的分級或分區問題，分別歸納如下：黃一和等將邊坡傾倒巖體分為：主要傾倒變形區和牽引破壞區。洪玉輝分為：傾倒-座落變形區、擠壓變形區、蠕動滑移變形區。梁正召等劃分為：傾倒-座落變形區、擠壓變形區和蠕動滑移變形區。申力等分為：傾倒變形帶、傾倒滑移帶和沉陷滑移變形帶。李學政等分為：傾倒松動帶、彎曲折斷帶和過渡帶。李渝生、黃潤秋[3]等將傾倒巖體分為：A類極強傾倒破裂區、B類強傾倒破裂區、C類弱傾倒變形過渡區。

以上學者對于傾倒變形的分級或分區研究主要依據傾倒巖體傾角、巖體風化程度、結構面發育特征、層內拉張量及巖體波速等指標的實測及統計分析，對于反傾巖體的科學研究及工程實踐有一定指導意義。

4 反傾巖體變形機理及穩定性分析方法

國內外關于反傾巖體變形機理及穩定性分析的方法主要有：解析分析法、物理模型實驗法、數值模擬法三類。具體進展如下[4]：

4.1 解析分析法

Goodman和Bray[1]運用傳統的巖體力學分析方法，提出“塊體極限平衡理論”用于分析傾倒變形巖體。Adhikaiy推導了反傾巖體的推力判據公式，指出反傾層狀巖體的傾倒基準面不應完全和層面垂直，而是由一定夾角，并計算了一般反傾層狀邊坡傾倒破裂的深度。

孫廣忠將反傾巖質邊坡定義為板裂結構，并給出了完整板柱彎曲的力學計算模型。蔣良濰等推導了巖體彈性屈曲和彎折破壞的臨界條件，指出直立巖層主要發生屈曲變形，中-陡反傾巖層以彎折破壞為主。

上述方法在分析邊坡的傾倒變形時，仍對應用條件有不少限制，不能較好的考慮巖體中存在的較多結構面，且主要受控于結構面所致的變形情況其應用范圍仍有一定的局限性。

4.2 物理模型試驗法

Whyte最早進行基底摩擦試驗和傾斜臺面試驗，Phillips提出離心模型試驗，Stewart將其用于研究柔性邊坡的傾倒變形。汪小剛通過離心機實驗說明了邊坡深層破壞的折斷面為雙折線型，并提出忽略巖體裂縫的計算是不合理的。羅華陽等通過模型試驗模擬，發現邊坡自上而下開挖后，變形也從上到下發展，裂隙滲透水引起的變形在坡頂較大，坡腳較小，但均表現出比開挖引起的變形大。陳孝兵等通過底摩擦試驗模擬得出傾倒變形的發展以層內錯動為主，張性破裂主要發生在坡體淺表部，而層內剪切位移的發育范圍則更為深入。

反傾巖體的傾倒變形物理試驗方法目前仍較為單一，其試驗結果仍主要集中于定性分析，而少見定量研究成果。試驗通常對單因素進行模擬，其中層面物理參數、巖層傾角、坡角對反傾斜坡的傾倒變形影響較大。

4.3 數值模擬法

目前關于反傾斜傾倒變形坡有限元及有限差分法模擬的研究主要如下：

韓貝傳、王思敬認為反傾結構面對邊坡的傾倒變形有控制作用，反傾邊坡的研究重點應在坡頂。芮勇勤等采用有限差分方法模擬，結果顯示出：變形起始于下部泥化夾層及斷層處并逐漸向上發展，在傾倒臺階處產生坍塌破壞。

蘇立海等采用FINAL軟件，模擬得出傾倒破壞易發生于巖層傾角大于45°，而開挖坡角大于傾角5～10°時，而層厚每增加一倍，優勢傾角呈增大的特點。

任光明等使用UDEC數值模擬，指出坡體內折斷帶的剪應力超過其抗剪強度時，坡體會產生錯動滑移而形成傾倒滑塌體。

紀玉石等采用UDEC程序模擬，指出邊坡的變形為沿多個層為位產生的滑移，上部傾倒變形為主導因素，并使得下部巖體產生擠壓滑移。

數值模擬反傾斜坡的方法仍待進一步的完善，對于層狀斜坡變形過程中的折斷破裂過程仍沒有辦法進行模擬。但對于采用數值手段研究斜坡的傾倒變形機理、變形破壞過程與實際斜坡變形能較好的吻合。

5 結論

（1）對于傾倒變形程度的分級，仍缺乏較為規范性和代表性的分級方法，少數學者提出的分級方案不具備一般傾倒變坡的普適性。而邊坡的傾倒變形深度是工程評價、設計及治理者所密切關注的問題，邊坡變形程度分級能為邊坡傾倒深度的確定提供較好的理論依據，應對此引起重視。

（2）傾倒巖體具備一般地質體的特點，巖體亦處在一定的地質環境中，其長期的演化必然受到內外多種地質營力的作用，其變形也是特定地質環境下的產物；但也區別于一般巖質邊坡，邊坡反傾層狀結構的特點，使得該類邊坡的變形常常在軟巖中表現為蠕動性的由外向內的變化，在硬巖中則為由外向內的多級折斷，而一旦發生貫通性破壞，則易發展為高速、大規模的崩滑。目前對于此類邊坡的分析偏重于力學研究，往往對孕育環境的內、外地質特點及動力作用影響。

（3）層狀巖體的各向異性，結構面的隨機特征和外在邊界條件的復雜性使得邊坡變形機理及穩定性研究較為困難，尤其是建立適用于層狀反傾變坡的模型并獲得解析解十分困難，因此，探索建立非連續介質力學的應變分析方法是解決反傾層狀巖質邊坡傾倒變形問題的有效途徑。

[1] Good Man R E, B R Y J W. Toppling of Rock Slopes[C]. Colorado: 1976.

[2] Hoek E, Bray J. Rock slope engineering[M]. London: The Institute of Mining and Metallurgy, 1981.

[3] 黃潤秋，李渝生，巨能攀，等. 黃河拉西瓦水電工程果卜岸坡全生命周期演化與治理綜合研究[R]. 成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室, 2013.

[4] 游昆駿.瀾滄江苗尾水電站右壩肩邊坡傾倒巖體開挖變形響應及穩定性研究[D].成都：成都理工大學碩士論文.2014

TU 457

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1007-6344（2016）06-0346-01