反傾巖質邊坡傾倒自穩(wěn)特征研究

張虎 鄭宇 余清濤 沈文超

摘 要：通過對邊坡傾倒全過程的分析，提出了邊坡傾倒破壞的“傾倒自穩(wěn)狀態(tài)”，基于此推導了自穩(wěn)狀態(tài)巖層傾角表達式，從表達式可見，自穩(wěn)狀態(tài)巖層傾角只與整體破壞面的傾角及巖層初始傾角有關。本理論的提出，對工程建設具有較好的指導意義。

關鍵詞：反傾；巖質邊坡；傾倒過程；自穩(wěn)

傾倒破壞是巖質邊坡的一種典型失穩(wěn)模式，常發(fā)生于反傾巖質邊坡中。國內外的水利水電、礦山等工程活動都出現(xiàn)了大量邊坡傾倒破壞的現(xiàn)象，如國內的小灣水電站飲水溝邊坡[1]、羊曲水電站邊坡[2]等，國外的加拿大Frank 滑坡[3]、秘魯?shù)腉hurgar 巖崩[4]等。

二十世紀六十年代初，人們才開始逐漸認識到反傾向巖體邊坡的工程地質問題，并開始加以研究。1976年，Goodman和Bray[5]首次對巖質邊坡的傾倒破壞進行了系統(tǒng)的歸納研究，并提出了一種分析塊狀傾倒破壞的極限平衡法（G-B法）。隨著后續(xù)研究的深入，不同學者[6-7]對G-B法計算模型進行了優(yōu)化改進。對傾倒破壞的破壞機理與傾倒影響因素的研究，主要通過模型試驗方法[8]和數(shù)值模擬方法[9]展開。

學者們對傾倒邊坡展開了廣泛深入的研究，但對傾倒全過程巖層特征的研究較少。分析邊坡傾倒破壞過程的特征，有助于判別邊坡所處的變形狀態(tài)及趨勢，進而開展相應的評價。

1 反傾巖質邊坡傾倒過程分析

在陡傾坡內的堅硬層板狀巖體，巖體在自重力矩的作用下，向臨空方向作懸臂梁式傾倒，隨著巖體傾倒變形的加劇，巖層之間相對錯動，出現(xiàn)層面分離現(xiàn)象，此時巖層間的接觸關系由面接觸轉變?yōu)辄c（線）接觸。隨著傾倒變形的進一步發(fā)展，巖層之間的錯動逐漸增大，巖層層面之間逐漸接近以致緊密貼合，層面間的接觸關系又由點（線）接觸變成了面接觸，對于此時的單個巖層來說，巖層不會產生進一步的傾倒，即邊坡處于一種不再傾倒變形的相對穩(wěn)定的狀態(tài)，本文稱之為“傾倒自穩(wěn)狀態(tài)”（以下簡稱“自穩(wěn)狀態(tài)”）。

總結以上分析，反傾巖質邊坡傾倒過程可分為三個階段：初始階段、傾倒變形發(fā)展階段、自穩(wěn)階段。

2 傾倒邊坡自穩(wěn)特征分析

取任一巖層i及其相鄰巖層i+1，i-1進行分析，幾何模型如圖1所示。邊坡達到自穩(wěn)狀態(tài)時， i+1層底面與i-1層頂面的垂直距離應為巖層厚度t，以此為基礎展開分析：

以巖層i的轉點O為圓心，做以巖層厚度t為半徑的圓O，以i+1巖層的轉點M做圓O的切線MN，則MN的傾角即為達到自穩(wěn)狀態(tài)時的巖層傾角，將其定義為自穩(wěn)傾角ω。由圖中幾何關系可得以下等式：

其中，β為巖層傾角，ζ為傾倒巖層從初始狀態(tài)到自穩(wěn)狀態(tài)的角位移，δ為整體破壞面與巖層法線的夾角，θ為整體破壞面的傾角，ψ為層面法線與水平面的夾角。

由式（1）可得：

ω=180°-2θ-β（2）

此即為傾倒邊坡達到自穩(wěn)狀態(tài)時的巖層傾角表達式。從表達式可看出，ω只與整體破壞面的傾角及巖層初始傾角有關。

3 工程應用

本文提出的理論具有較好的工程實際應用價值。在獲得傾倒邊坡破壞面傾角及坡面巖層傾角時，代入式（2）進行分析，若此時巖層傾角大于自穩(wěn)狀態(tài)時的傾角，則表明該邊坡仍有進一步產生傾倒的可能。判斷邊坡所處的狀態(tài)對工程建設有很大的指導作用。對達到自穩(wěn)狀態(tài)之前的傾倒邊坡，削坡或坡腳開挖等工程活動都會對邊坡造成擾動，改變邊坡的應力狀態(tài)，進而加劇邊坡的傾倒變形。雖然邊坡可能在此過程中達到自穩(wěn)狀態(tài)，但由于應力的突然釋放，邊坡達到自穩(wěn)狀態(tài)時往往并不能立即停止變形，將直接過渡到崩塌或滑坡狀態(tài)。而對于自穩(wěn)狀態(tài)的邊坡，由于沒有進一步傾倒的能力及空間，工程建設對其評價時，則主要考慮開挖引起其整體滑動的可能性。

4 結論

（1）基于對反傾巖質邊坡傾倒的過程分析，提出了邊坡傾倒的“傾倒自穩(wěn)狀態(tài)”，即邊坡達到傾倒極限后的相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

（2）推導了自穩(wěn)狀態(tài)巖層的傾角表達式，從表達式可看出，巖層自穩(wěn)傾角只與整體破壞面的傾角及巖層初始傾角有關。

（3）本文提出的理論可用于指導邊坡工程實踐，具有良好的應用價值。

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