巖質(zhì)邊坡傾倒破壞模式與機(jī)理分析

安曉凡，巨廣宏，李 寧

(1.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司, 西安 710065;2.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司博士后科研工作站,西安 710065; 3.西安理工大學(xué)巖土工程研究所,西安 710048)

0 前 言

巖體的傾倒通常表現(xiàn)為單個(gè)或多個(gè)巖塊圍繞一點(diǎn)(或底面)向前傾覆的現(xiàn)象[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自然界中巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)有22%為傾倒破壞(包括傾倒引起的落石)，僅次于碎屑流動(dòng)模式(63%)，高于滑動(dòng)破壞模式(12%)[2]。

相比于邊坡的滑動(dòng)破壞模式，人類(lèi)對(duì)于傾倒破壞的認(rèn)識(shí)較晚。1968年，Muller[3]在對(duì)意大利Vajont拱壩上游左岸滑坡的研究中首次提出了自然巖塊的傾覆現(xiàn)象(overturning)。1971年Ashby[4]明確提出了除滑動(dòng)和落石之外巖質(zhì)邊坡的第三種破壞形式—傾倒(toppling)。近幾十年國(guó)內(nèi)外報(bào)道出大量地邊坡傾倒失穩(wěn)實(shí)例，逐步揭示出一些特殊的和復(fù)雜的變形模式。但是現(xiàn)有的關(guān)于邊坡傾倒類(lèi)型的研究大多是在Goodman-Bray分類(lèi)[5](簡(jiǎn)稱(chēng)G-B分類(lèi))框架下開(kāi)展的，或針對(duì)特定案例的具體分析，并沒(méi)有對(duì)這種破壞形式的邊坡進(jìn)行系統(tǒng)的歸類(lèi)和完善的總結(jié)。因此有必要以G-B分類(lèi)為基礎(chǔ)，對(duì)巖質(zhì)邊坡的傾倒破壞類(lèi)型進(jìn)行擴(kuò)充和重新定義。

本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外已報(bào)道的較為詳細(xì)的近80個(gè)邊坡傾倒實(shí)例，從邊坡(巖體)幾何特征、工程地質(zhì)特征和失穩(wěn)誘因3個(gè)方面分析歸納了邊坡傾倒的變形演化規(guī)律和破壞特征。在此基礎(chǔ)上，基于G-B分類(lèi)提出了一種更為全面的傾倒邊坡分類(lèi)系統(tǒng)，包括基本傾倒模式、組合傾倒模式、蠕變模式、懸臂模式和順層傾倒5個(gè)基本大類(lèi)。新的分類(lèi)旨在拓寬巖體傾倒破壞的研究范圍，為傾倒邊坡穩(wěn)定性的量化分析提供支撐、夯實(shí)地質(zhì)基礎(chǔ)。

1 基于Goodman-Bray的邊坡傾倒分類(lèi)

關(guān)于巖質(zhì)邊坡傾倒失穩(wěn)的分類(lèi)，最早、最具代表性的來(lái)自于Goodman和Bray[5]，基本上涵蓋了當(dāng)時(shí)自然界能夠觀察到的所有傾倒邊坡。根據(jù)巖體內(nèi)部不連續(xù)面的組合形式，將典型的傾倒破壞模式分為：塊體傾倒、彎曲傾倒、塊體-彎曲傾倒(見(jiàn)圖1)。此外，基于傾倒變形的原因和破壞機(jī)理，他們又補(bǔ)充了五種次生傾倒模式(見(jiàn)圖2)。該分類(lèi)使得在建立傾倒邊坡的解析分析模型時(shí)有了基礎(chǔ)的參考標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比的方式可以初步判斷一類(lèi)傾倒邊坡的變形機(jī)理，為后續(xù)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供準(zhǔn)備。

此后，一些學(xué)者也試圖從不同角度對(duì)傾倒邊坡進(jìn)行分類(lèi)研究。Nichol等[6]將邊坡傾倒劃分為表現(xiàn)出延性破壞特征的彎曲傾倒和呈脆性破壞特征的塊體傾倒兩類(lèi)。認(rèn)為彎曲傾倒發(fā)生在軟弱巖體中，變形速度慢；而塊體傾倒發(fā)生在較硬的巖層，變形速度較快。但其忽略了邊坡巖體結(jié)構(gòu)面的空間構(gòu)成，彎曲傾倒也可能會(huì)出現(xiàn)在由脆性的堅(jiān)硬巖體構(gòu)成的邊坡中。此外，脆性破壞的確發(fā)生速度快、能量釋放明顯，但不能否認(rèn)延性的彎曲傾倒邊坡也能夠形成巨大的破壞力。近些年我國(guó)揭露出的傾倒深度很大的邊坡失穩(wěn)實(shí)例，這些延性邊坡在失穩(wěn)前能量聚集大、變形可以不斷發(fā)展，一旦形成貫通的破壞面，其很可能演化成大規(guī)模的滑坡。事實(shí)上，邊坡的破壞應(yīng)該是一個(gè)從延性過(guò)渡到脆性的過(guò)程。

黃潤(rùn)秋等[7]并沒(méi)有著重強(qiáng)調(diào)傾倒是否為塊體轉(zhuǎn)動(dòng)或者彎曲折斷，而是以?xún)A倒變形的發(fā)育深度為基準(zhǔn)將傾倒邊坡分類(lèi)為：淺層傾倒變形、深層傾倒變形和復(fù)合傾倒變形。McAffee和Cruden[8]提出一種傾倒機(jī)理的定義方式：塊體傾倒具有明確定義的與坡面近似平行的破壞面，豎直相鄰的塊體間表現(xiàn)出明顯的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；塊體-彎曲傾倒包括一些不重要的折斷面以及巖柱的彎曲；只有巖柱的撓曲可以促使彎曲傾倒，不存在離散的折斷面。但是在此定義下，自然界中的彎曲傾倒就很難發(fā)生[6]。由于巖體中存在任意的交叉節(jié)理、斷裂區(qū)域，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到極限時(shí)破壞面就會(huì)形成。基于此，單純的區(qū)分彎曲和塊體傾倒就會(huì)受到限制，因?yàn)槿魏芜吰露紩?huì)經(jīng)歷不同變形機(jī)理的階段。

Cruden和Hu[9]認(rèn)為順層邊坡的傾倒受到不連續(xù)面間距的控制，并且基于實(shí)例首次報(bào)道了該傾倒模式和不連續(xù)面的特征。將邊坡的順層傾倒歸納為3種典型模式：塊體-彎曲傾倒、多塊體傾倒和Chevron傾倒。張丙先[10]詳細(xì)介紹了西藏玉曲河下游岸坡的傾倒現(xiàn)象，按照空間組成將復(fù)雜的傾倒變形體分為3個(gè)類(lèi)型：傾倒折斷型，傾倒彎曲型，傾倒揉皺彎曲型。

本文統(tǒng)計(jì)了國(guó)內(nèi)外已報(bào)道的較為完整的傾倒邊坡實(shí)例,包括自然邊坡(滑坡) 和人工邊坡。相比于前者，后者受到工程建設(shè)等人類(lèi)活動(dòng)的影響較為突出。以邊坡的地質(zhì)力學(xué)分析模型建立為目標(biāo)，在G-B分類(lèi)的基礎(chǔ)上，根據(jù)邊坡巖體的破壞機(jī)理和復(fù)雜程度，將上述實(shí)例所代表的邊坡傾倒模式分為基本傾倒模式、組合傾倒模式、蠕變模式、懸臂模式和順層邊坡傾倒5個(gè)大類(lèi)。每種類(lèi)型所對(duì)應(yīng)的破壞模式見(jiàn)表1，本文第3節(jié)逐一闡述并揭示了各類(lèi)邊坡的失穩(wěn)機(jī)理。

表1 本文提出的邊坡傾倒破壞分類(lèi)

2 典型傾倒邊坡的工程地質(zhì)特征

2.1 邊坡巖體幾何特征

傾倒邊坡的幾何特征主要表現(xiàn)在坡高H、坡角α和巖層傾角β這3個(gè)方面，以及巖體結(jié)構(gòu)類(lèi)型(2.2節(jié)詳述)。坡高的離散程度較高(見(jiàn)圖3)，從十幾米的小型傾倒體到高度達(dá)到一千米以上的深層傾倒體(例如奧地利西南部的Oberes T?rl邊坡)。因此，從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，邊坡發(fā)生傾倒破壞與坡高并無(wú)直接關(guān)系。數(shù)值模型分析結(jié)果顯示[11]，傾倒破壞程度和坡高/巖層厚度比有一定的正相關(guān)性。

因此，邊坡傾倒與巖體結(jié)構(gòu)特性關(guān)系密切。如圖4所示，反傾邊坡的傾倒破壞多發(fā)生在巖層傾角為60°～80°之間，約占總統(tǒng)計(jì)數(shù)量的62%，因此該范圍為傾倒破壞的優(yōu)勢(shì)巖層傾角區(qū)間。當(dāng)然也不能忽略緩巖層傾角邊坡傾倒失穩(wěn)的可能性。圖5統(tǒng)計(jì)了各反傾邊坡巖層傾角和坡角的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)此類(lèi)邊坡變形(破壞)的幾何邊界條件為：坡角30°≤α≤ 90°，巖層傾角35° ≤β< 90°。結(jié)果顯示巖層傾角對(duì)邊坡傾倒變形的影響大于坡角，大多數(shù)的彎曲傾倒發(fā)生在陡傾角巖體中。坡角的分布則比較離散，這與各邊坡，尤其是工程邊坡的特殊性有關(guān)，還有一些邊坡的傾倒變形只發(fā)生在局部位置，例如中、高高程處。但是緩坡角、陡傾角的邊坡仍然需要特別關(guān)注，因?yàn)榇祟?lèi)邊坡往往被認(rèn)為是穩(wěn)定的。

發(fā)生傾倒的層狀巖體可以簡(jiǎn)化的視為疊合懸臂塊體系統(tǒng)，在自重和傳遞力作用下發(fā)生向臨空面的傾覆。巖體的變形，包括塊體之間的位移和塊體本身的變形，會(huì)使得層間產(chǎn)生必然的相對(duì)位移(或相互錯(cuò)動(dòng))，這便是邊坡傾倒的開(kāi)始。對(duì)上述過(guò)程的力學(xué)解釋是：當(dāng)節(jié)理或不連續(xù)面之間的剪應(yīng)力大于其抗剪強(qiáng)度時(shí)，由于巖體的彎曲變形才會(huì)引起層間滑移的發(fā)生。無(wú)論在何種天然應(yīng)力場(chǎng)下，坡面的主應(yīng)力跡線(xiàn)均發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn)，表現(xiàn)為最大主應(yīng)力方向與坡面接近于平行，最小主應(yīng)力方向與坡面接近于正交。因此，對(duì)于的反傾層狀邊坡，若層間摩擦角為φ，則層間滑移所滿(mǎn)足的條件為[5]：

α≥90° +φ-β

(1)

圖5中虛線(xiàn)為不同層間摩擦角條件下的層間滑移判別標(biāo)準(zhǔn)，可以看出Goodman-Bray準(zhǔn)則僅可以作為傾倒發(fā)生條件的下限對(duì)邊坡進(jìn)行初步判斷，因?yàn)楫?dāng)φ=20° 時(shí)仍有約1/4的邊坡不滿(mǎn)足該標(biāo)準(zhǔn)[12]。因此，該標(biāo)準(zhǔn)只可以作為判斷邊坡傾倒的下限條件，破壞還需要關(guān)注巖體的強(qiáng)度特性。

定義反傾邊坡的特征角ζ為巖層傾角α和坡角β之和。由圖6可知，發(fā)生傾倒破壞的反傾邊坡其特征角基本上保持在大于100° 的范圍內(nèi)，平均值為118° 。根據(jù)該統(tǒng)計(jì)關(guān)系，可以經(jīng)驗(yàn)性的判斷一反傾層狀邊坡發(fā)生傾倒失穩(wěn)的可能性。

2.2 巖體結(jié)構(gòu)特征

大規(guī)模傾倒變形與邊坡巖性的軟弱程度、巖體結(jié)構(gòu)等有密切關(guān)系。通過(guò)巖性特征、巖體結(jié)構(gòu)特征和邊坡變形特征3個(gè)方面闡述傾倒邊坡的工程地質(zhì)特征。

傾倒常發(fā)生于片理狀的變質(zhì)巖(片麻巖、片巖、千枚巖、板巖等)組成的巖質(zhì)邊坡，也可能發(fā)生于陡傾的層狀沉積巖(砂巖、頁(yè)巖、灰?guī)r等)，也存在于規(guī)則節(jié)理的塊狀花崗巖和柱狀節(jié)理的火山巖中[13-14]。塊體傾倒常發(fā)生于較為堅(jiān)硬的、被切割的巖體，相較而言發(fā)生彎曲傾倒的巖體較為軟弱。此外，軟硬互層、薄厚相間的巖體易發(fā)生彎曲傾倒或塊體-彎曲傾倒，例如砂巖/板巖互層、灰?guī)r/千枚巖互層、白云巖/頁(yè)巖互層等。由于存在可能導(dǎo)致層間滑移的弱面(層理面)，巖體通常表現(xiàn)出各向異性[15]。

巖質(zhì)邊坡的傾倒破壞通常表現(xiàn)出明顯的結(jié)構(gòu)性特征，孫廣忠[16]提出巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)的概念通過(guò)巖體的結(jié)構(gòu)形式反映其力學(xué)行為。傾倒變形主要發(fā)生在塊裂結(jié)構(gòu)巖體和板裂結(jié)構(gòu)巖體中，分別對(duì)應(yīng)于塊體傾倒和彎曲傾倒。谷德振[17]根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)劃分巖體類(lèi)別、評(píng)價(jià)巖體質(zhì)量。將巖體分為4類(lèi)，即整塊狀結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)和散體結(jié)構(gòu)。根據(jù)此分類(lèi)能夠得到劃分巖質(zhì)邊坡塊體傾倒和彎曲傾倒的依據(jù)：塊體傾倒屬于Ⅰ2、Ⅱ1類(lèi)(結(jié)構(gòu)面間距、完整性系數(shù)等參數(shù)表征)，彎曲傾倒屬于Ⅱ1(剛性結(jié)構(gòu)面，脆性破壞)、Ⅱ2類(lèi)(柔性結(jié)構(gòu)面，延性破壞)、Ⅲ2(互層狀巖體結(jié)構(gòu)，泥化結(jié)構(gòu)面)。

通過(guò)觀測(cè)坡表和深部巖體的變形破壞能夠反映傾倒邊坡的某些特征。如圖7(a)所示，傾倒邊坡的變形破壞與其他邊坡有所不同，其坡表裂縫發(fā)展一般先從后緣開(kāi)始，逐步向前緣發(fā)展，并且前緣的變形跡象較少。因此，相比于邊坡底部，邊坡中、上部發(fā)生較大程度的變形；坡面處常常會(huì)出現(xiàn)反翹陡坎和羊道(見(jiàn)圖7(b))[18]；坡頂后緣形成地塹式沉降。邊坡側(cè)緣或平硐內(nèi)能找到傾倒變形破壞的明確跡象。基于對(duì)勘探洞洞壁巖層傾角的測(cè)量，和對(duì)洞壁進(jìn)行聲波、地震波的測(cè)試，可以判斷由坡表向坡體內(nèi)部方向巖體傾倒程度的強(qiáng)弱，以及大致確定傾倒深度。圖8(a)、8(b)分別為茨哈峽水電站左岸4號(hào)傾倒體PD106號(hào)平硐巖層傾角和地震波速沿洞深的變化趨勢(shì)，該平硐所揭露的巖體傾倒變形深度約為60 m。強(qiáng)傾倒區(qū)內(nèi)巖層傾角的變化較大，但其平均值(約為35°)遠(yuǎn)小于弱傾倒區(qū)(約為60°)；地震波速也能夠反映出強(qiáng)傾倒區(qū)域巖體的破碎程度大于弱傾倒區(qū)。

2.3 失穩(wěn)誘因

導(dǎo)致滑坡產(chǎn)生的原因可以簡(jiǎn)單地分為外因和內(nèi)因。前者是保持巖體抗剪強(qiáng)度不變的情況下增加剪應(yīng)力的因素，可能是由于例如河水侵蝕或人工開(kāi)挖等因素使邊坡變陡或高度增加而引起的。后者是致使邊坡破壞而不改變其幾何形狀的因素。因此，邊坡破壞一定是由于剪應(yīng)力保持恒定而抗剪強(qiáng)度降低所導(dǎo)致的。抗剪強(qiáng)度降低最常見(jiàn)原因是邊坡內(nèi)水壓力的增大，和/或巖體的粘聚力和/或摩擦力逐漸減小，使邊坡沿著某些關(guān)鍵層面發(fā)生剪切。當(dāng)然，外部和內(nèi)部因素可以同時(shí)起作用，以降低抗剪強(qiáng)度并增加巖體的剪應(yīng)力。

導(dǎo)致邊坡發(fā)生傾倒破壞的內(nèi)因包括易于傾倒的巖體自身的特殊結(jié)構(gòu)特性，即反傾層狀或陡傾順層結(jié)構(gòu)，此時(shí)邊坡變形由一組(或多組)切割巖體的結(jié)構(gòu)面所控制；或者特殊的巖性和地質(zhì)條件。另外坡形也起到關(guān)鍵的作用，如果坡體兩側(cè)被兩條沖溝切割，呈三面臨空狀態(tài)，從地形上看有利于邊坡巖體向臨空面傾倒。除此之外，外荷載是特別重要的因素，以下按照影響的重要性和頻次逐一介紹。

(1) 自重荷載。特別是會(huì)引發(fā)類(lèi)似于蠕變模式的深層重力式滑坡(詳見(jiàn)3.3節(jié))。

(2) 水荷載。其影響尤其嚴(yán)重而且發(fā)生條件簡(jiǎn)單、頻繁，包括地下水、降雨、庫(kù)水位變化等引起的巖體靜、動(dòng)水壓力的變化。張世殊等[19]解釋了蓄水導(dǎo)致溪洛渡水庫(kù)星光三組傾倒體失穩(wěn)的過(guò)程。

(3) 切坡作用。開(kāi)挖導(dǎo)致坡腳變陡，對(duì)于工程邊坡是一個(gè)很重要的影響因素[12]，其次導(dǎo)致切坡作用的還包括河流沖刷下切、冰川侵蝕或推移。

(4) 巖土體凍脹。國(guó)內(nèi)外對(duì)于這類(lèi)影響的研究較少，凍融作用導(dǎo)致邊坡傾倒多發(fā)生于北美落基山脈、歐洲阿爾卑斯山脈以及喜馬拉雅山脈。Reitner等以?shī)W地利阿爾卑斯山脈由于冰川侵蝕引起的高邊坡變形現(xiàn)象為背景，揭示了凍融循環(huán)引起楔形體下移和邊坡傾倒的機(jī)理[20]。

(5) 動(dòng)荷載，包括地震和爆破荷載。地震荷載，尤其是水平地震力會(huì)增加巖體的傾倒力矩，對(duì)控制傾倒變形非常不利。為了保證開(kāi)挖邊坡的陡峭程度，需要針對(duì)于不同巖體專(zhuān)門(mén)研究確定最佳的爆破模式和技術(shù)，包括：使用小直徑爆破孔，減少間距和單個(gè)孔的裝藥量，以及在緩沖孔之間設(shè)置延遲；監(jiān)測(cè)巖體的最大爆破振動(dòng)速度，確定不同爆破模式和荷載狀況對(duì)振動(dòng)速度的影響[21-22]。

3 巖質(zhì)邊坡傾倒失穩(wěn)類(lèi)型和機(jī)理

3.1 基本傾倒模式

巖質(zhì)邊坡是多種幾何形式和強(qiáng)度結(jié)構(gòu)的巖體的組合體。如果將單獨(dú)的潛在傾倒巖體作為研究對(duì)象，只考慮其自身的變形和破壞特征，不考慮塊體之間的相互作用以及其在整個(gè)邊坡中的作用。那么，巖體的傾倒失穩(wěn)機(jī)制可以分為以下2種：塊狀巖體傾覆和懸臂狀巖體彎曲折斷。值得注意的是，獨(dú)立巖塊的傾倒只存在這兩種破壞機(jī)制。因此，根據(jù)控制性失穩(wěn)機(jī)制的不同，將邊坡傾倒的基本模式分為塊體傾倒、彎曲傾倒和塊體-彎曲傾倒3類(lèi)。

(1) 塊體傾倒

運(yùn)動(dòng)學(xué)[23]是最早用于描述塊狀巖體傾倒的理論化研究方法。置于斜面上的巖塊，在不考慮與斜面之間粘聚力的情況下，根據(jù)幾何參數(shù)的不同可能出現(xiàn)圖9所示的4種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

塊體傾倒發(fā)生在邊坡巖柱由兩組特定的正交節(jié)理組成的情況。如圖10所示，其中主要結(jié)構(gòu)面為一組傾向于坡內(nèi)、陡傾的小間距節(jié)理，第二組結(jié)構(gòu)面是由坡腳處開(kāi)始發(fā)育的、間距較大的節(jié)理[24]。因此，邊坡坡腳由短巖柱組成，承受由上部較長(zhǎng)巖柱傳遞的荷載，由此推移坡腳處的巖柱運(yùn)動(dòng)并使得上部巖體產(chǎn)生傾倒的空間。當(dāng)塊體的質(zhì)心落在塊體底面的外側(cè)或者坡腳處的塊體被頂部?jī)A覆塊體的傳遞荷載推移時(shí)，傾倒現(xiàn)象便會(huì)開(kāi)始。

相比于彎曲傾倒，塊體傾倒中擾動(dòng)巖體的底面更為明顯，由正交節(jié)理形成的臺(tái)階狀層面組成。這種情況下，由于撓曲產(chǎn)生的新的巖石破裂必然很大程度上少于彎曲傾倒。由于整個(gè)節(jié)理系統(tǒng)的具有很好的連通性，因此傾倒體中的水位并不高。薄層狀的沉積巖例如石灰?guī)r、砂巖以及柱狀節(jié)理的火山巖中可能會(huì)發(fā)生塊體傾倒。塊體傾倒總是伴隨著落石和崩塌的現(xiàn)象，這是塊體傾倒之后巖體的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)形式。

(2) 彎曲傾倒

發(fā)生彎曲傾倒的邊坡，巖體一般存在一組優(yōu)勢(shì)的不連續(xù)面，使得坡體由半連續(xù)的懸臂梁組成。坡腳的滑動(dòng)、開(kāi)挖或者侵蝕會(huì)使得破壞開(kāi)始并且向后方傳遞，形成大面積、深層的拉裂，只有當(dāng)傾倒折斷面與坡頂相交時(shí)巖層破裂和彎曲的發(fā)展才能夠停止。懸臂梁向臨空面的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生層間滑移，巖層的一部分上表面可能會(huì)暴露在逆向陡坎中。由于彎曲傾倒不存在滑動(dòng)面，因此由鉆探的結(jié)果并不會(huì)發(fā)現(xiàn)順坡向的巖體滑動(dòng)現(xiàn)象。此外，由于變形是漸進(jìn)的，通常很難找到擾動(dòng)的基線(xiàn)，某些特定的條件下能通過(guò)邊坡側(cè)面觀察到由坡腳發(fā)育而成的傾倒折斷面，如圖11所示[25]。

不同于塊體傾倒，由于發(fā)生彎曲傾倒的懸臂巖柱之間幾乎沒(méi)有水力傳遞，因此不同鉆孔的水位高度差異非常大。此外，塊體傾倒的巖體之間為點(diǎn)-面接觸，而彎曲傾倒的巖柱具有更好的連續(xù)性，且在彎曲過(guò)程中保持面與面的接觸。擴(kuò)展到邊坡尺度，一般情況下彎曲傾倒發(fā)生在薄層或微變質(zhì)巖例如頁(yè)巖和千枚巖中，而不是節(jié)理化的沉積巖或者火成巖中。因此，彎曲傾倒邊坡表現(xiàn)出典型的層間剪切、坡面處出現(xiàn)反翹陡坎以及坡頂后緣的拉裂縫寬度隨著深度而減小的特征。

(3) 塊體-彎曲傾倒

塊體-彎曲傾倒具有似連續(xù)彎曲的特征，即長(zhǎng)巖柱的位移由大量正交節(jié)理所切割巖體的累計(jì)運(yùn)動(dòng)組成。坡腳處的巖體沿著節(jié)理面發(fā)生滑移，同時(shí)其他巖體緊密相連的發(fā)生滑動(dòng)和傾覆。其中，滑動(dòng)的發(fā)生是因?yàn)槔塾?jì)的傾覆現(xiàn)象使得變形體內(nèi)的正交節(jié)理變得陡峭。相比于塊體傾倒，這種模式?jīng)]有很多的角-邊接觸，即塊體傾倒巖塊間的點(diǎn)接觸。但是擾動(dòng)體內(nèi)的巖層變形足以形成松動(dòng)的、節(jié)理張開(kāi)程度大的特征，如12所示[26]。因此，薄層狀、互層狀巖體結(jié)構(gòu)，例如砂板巖互層、燧石板巖互層以及薄層狀石灰?guī)r會(huì)呈現(xiàn)出塊體-彎曲傾倒現(xiàn)象。

圖12 大峽谷Clear Creek附近的一處塊體-彎曲傾倒。已傾倒塊體滑落山坡，底部剩余巖體可觀察到明顯破壞底面(傾角約35° )，圖中遠(yuǎn)處未完全破壞的傾倒體內(nèi)發(fā)育有大量裂縫和空隙。

從邊坡力學(xué)模型分析的角度出發(fā)，塊體-彎曲傾倒可以看作是塊體傾倒和彎曲傾倒之間的一種中間狀態(tài)[27]。即彎曲傾倒邊坡在漸進(jìn)破壞過(guò)程中，由于內(nèi)部巖柱的不連續(xù)破裂可能會(huì)先過(guò)渡為塊體-彎曲傾倒模式，然后大量的近似正交節(jié)理的形成，使得邊坡最后演化為塊體傾倒模式(見(jiàn)圖13)。由此可以解釋?zhuān)浻不印⒈『裣嚅g的邊坡更容易發(fā)生塊體-彎曲傾倒。因?yàn)檫吰略谧冃芜^(guò)程中，硬巖更容易發(fā)生折斷而產(chǎn)生不連續(xù)的正交節(jié)理，而軟巖則表現(xiàn)出更強(qiáng)的柔性特征(大變形而不破壞)，具有更好的連續(xù)性。

3.2 組合傾倒模式

邊坡的組合傾倒是：傾倒和滑動(dòng)等多種破壞形式在坡體不同空間部位的組合。即邊坡的整體穩(wěn)定性受到包括傾倒在內(nèi)的多種變形模式控制。這些模式在空間(邊坡的各個(gè)部位)和時(shí)間(巖體變形演化的各個(gè)階段)尺度上存在多種組合形式。統(tǒng)計(jì)得到的邊坡組合傾倒模式見(jiàn)表1，其中前3類(lèi)出現(xiàn)在G-B分類(lèi)中，第四類(lèi)為本研究新增。以下結(jié)合實(shí)際案例分別對(duì)其變形破壞機(jī)理進(jìn)行闡述。

(1) 上部?jī)A倒-下部滑動(dòng)

失穩(wěn)巖體由邊坡上部?jī)A倒體和下部滑動(dòng)體兩部分組成。傾倒表現(xiàn)為上部節(jié)理巖體向滑動(dòng)體頂部?jī)A覆，這是由于下部的滑動(dòng)提供了傾倒的空間。該破壞模式最著名的案例是加拿大Frank滑坡，其變形破壞模式為上部彎曲傾倒-下部剪切滑動(dòng)[28]。由于所在的Turtle山坡內(nèi)存在不利的背斜層面，加之采礦活動(dòng)的影響，1903年4月29日凌晨4點(diǎn)10分，大約三千萬(wàn)立方米的巖體失穩(wěn)形成大型的高速滑坡，造成約70人死亡。另外一個(gè)上部塊體傾倒下部滑動(dòng)失穩(wěn)的實(shí)例是瑞士南部的Randa滑坡(見(jiàn)圖14)，該邊坡上部為反向陡傾(75°～89°)的厚層狀結(jié)構(gòu)巖體，凍融作用導(dǎo)致巖體脆性強(qiáng)度隨著時(shí)間降低和漸進(jìn)破壞是滑坡的主要觸發(fā)因素[29]。

(2) 上部滑動(dòng)-下部?jī)A倒

邊坡由上部滑動(dòng)體和下部?jī)A倒體兩部分組成，失穩(wěn)模式可能是推移式，也可能是牽引式。前者只能在滑動(dòng)之后發(fā)生，即上部巖土體滑動(dòng)(或坍塌)所產(chǎn)生的推力作用于下部陡傾層狀巖體后緣所形成；而后者傾倒破壞可能會(huì)先于以及觸發(fā)滑移運(yùn)動(dòng)。金川露天礦一礦區(qū)邊坡是一個(gè)上部滑動(dòng)、下部彎曲傾倒的典型案例(見(jiàn)圖15)，由地質(zhì)描述的裂隙特征能夠反映區(qū)域邊坡巖體的破壞形式[30-31]。坡體內(nèi)的裂隙按錯(cuò)動(dòng)特征可分為2類(lèi)：張扭性裂隙主要在邊坡上部的滑動(dòng)區(qū)發(fā)育，傾向礦坑，裂隙張開(kāi)，寬1.0 m；壓扭性裂隙在邊坡下部?jī)A倒區(qū)內(nèi)發(fā)育，傾向坡內(nèi)，形成反坡向陡坎，高達(dá)1～2 m，裂隙面上產(chǎn)生明顯的擦痕和槽溝。

(3) 頂部滑動(dòng)-底部?jī)A倒

由上部滑動(dòng)巖(土)體的傳遞力導(dǎo)致坡腳處巖體的傾倒。自然界中此類(lèi)邊坡的變形破壞模式較難觀察到，不同于上部滑動(dòng)-下部?jī)A倒模式中滑動(dòng)力施加在傾倒體的后緣，頂部滑動(dòng)-底部?jī)A倒模式中滑動(dòng)體的推力是施加在傾倒體頂部的[32]，如見(jiàn)圖16所示。類(lèi)似于由兩種變形機(jī)理的巖體組合而成，即滑動(dòng)體為主動(dòng)變形區(qū)域，潛在的傾倒體為被動(dòng)變形區(qū)域。

(4) 地塹式傾倒

地塹式傾倒即邊坡頂部的楔形體失穩(wěn)后，巖體下滑并作用在中部的傾倒體后緣，導(dǎo)致邊坡整體破壞的模式(見(jiàn)圖17)。楔形體主動(dòng)下移之后，坡頂會(huì)形成類(lèi)似于地塹的陡坎。地塹式傾倒主要受到巖體內(nèi)摩擦角的控制，孔壓對(duì)中部的彎曲傾倒體的穩(wěn)定性影響非常大[33]。Alejano等[34]介紹的一個(gè)典型的地塹式復(fù)合傾倒實(shí)例，邊坡破壞模式為后緣楔形體滑動(dòng)-中部?jī)A倒-底部剪切滑動(dòng)，失穩(wěn)原因是地下水位的升高導(dǎo)致施加在巖塊上的平均水壓力增大。類(lèi)似的破壞還發(fā)生在拉西瓦水電站果卜岸坡，坡頂前緣形成高度達(dá)到20 m的陡傾錯(cuò)臺(tái)，坡表出現(xiàn)數(shù)條拉裂縫。但是，果卜岸坡為大型的深層蠕變傾倒體，其變形機(jī)制更加復(fù)雜。

3.3 深層傾倒

早期對(duì)于傾倒邊坡的研究主要集中在變形深度為十幾米的淺層傾倒邊坡中，建立的力學(xué)和工程地質(zhì)分析模型也只適用于此類(lèi)模式單一的小型傾倒體。深層傾倒是近20 a才注意到的，具有傾倒發(fā)育范圍廣、深度大的特征。變形特征可能是蠕變、緩慢的，也有可能會(huì)導(dǎo)致大型甚至巨型的滑坡，因此不容忽視。深層傾倒是由深層巖體的彎曲變形所引起的“連鎖反應(yīng)”，從坡表到坡體內(nèi)部表現(xiàn)出不同的傾倒程度，坡表的強(qiáng)烈傾倒帶有可能是塊體傾倒的模式[35]，其工程地質(zhì)模型見(jiàn)圖18。

除了水壓力等外部影響因素，深層傾倒往往和深層重力邊坡變形(deep-seated gravitational slope deformation)關(guān)系密切，即重力引起(作用下)的邊坡長(zhǎng)期蠕變失穩(wěn)。因此，深層傾倒邊坡具有以下規(guī)律性的特征：

(1) 據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)生深層傾倒的邊坡平均坡角37.83° ，遠(yuǎn)小于傾倒邊坡坡角平均值52.43° (全部統(tǒng)計(jì)案例平均值)。深層傾倒甚至可以發(fā)生在坡角小于或等于30° 的緩坡中，例如錦屏水電站三灘壩址上游的呷巴滑坡坡角在20° ～30° 之間。

(2) 如圖19所示，深層傾倒一般發(fā)生在高度超過(guò)300 m的大型邊坡中，平均坡高達(dá)到743 m。甚至包括一些高度超過(guò)1 000 m的巨型邊坡，例如法國(guó)La Clapière滑坡、奧地利Oberes T?rl滑坡和日本Aka-kuzure滑坡，均是重力荷載驅(qū)動(dòng)下的深層傾倒變形體。根據(jù)坡高、傾倒發(fā)育程度的不同，彎曲傾倒深度各異，但是平均傾倒深度達(dá)到150 m。這些大規(guī)模的傾倒邊坡雖然變形緩慢，但是可能會(huì)逐步演化為大型、甚至巨型的滑坡，因此需要特別關(guān)注。

(3) 不同于淺層或小型傾倒體的破壞面是單一的直線(xiàn)型，深層傾倒邊坡的破壞面一般為較復(fù)雜的多折線(xiàn)形。

(4) 深層傾倒邊坡的運(yùn)動(dòng)速度可以超過(guò)100 mm/d，而不發(fā)生災(zāi)難性的破壞，意味著巖體的位移積累量可以很大。所觀測(cè)到的大變形一般出現(xiàn)在破壞區(qū)域的中心部位和上部，多數(shù)情況下，由于坡頂位移較大可能會(huì)形成大范圍下降的地塹。因此，深層傾倒可以通過(guò)監(jiān)測(cè)手段來(lái)預(yù)測(cè)和預(yù)防。通常巖層位移的增加會(huì)導(dǎo)致落石可能性的增加，此時(shí)人類(lèi)活動(dòng)應(yīng)當(dāng)受到限制且暫停采礦活動(dòng)。

(5) 傾倒破壞對(duì)由于地下水位變化引起的水壓力的微小波動(dòng)極為敏感，此外坡腳處只要很小的位移就會(huì)使得邊坡中部和頂部產(chǎn)生大范圍的傾倒。因此，坡腳開(kāi)采或地下水壓力波動(dòng)之后，巖層會(huì)出現(xiàn)加速變形的階段。此外，深層傾倒對(duì)不連續(xù)面的摩擦角也很敏感。

3.4 拉裂傾倒

拉裂傾倒也稱(chēng)作懸臂梁傾倒，是指陡傾邊坡上方所形成的新拉裂縫所演化而成的傾倒塊體。可能發(fā)生于石灰?guī)r、火山灰、強(qiáng)風(fēng)化巖體、濕沙以及硬黏土中。如圖20所示，邊坡的變形表現(xiàn)出巖塊從母體中剝離、彎折、破壞的形式，變形塊體后部出現(xiàn)明顯的、寬度隨深度的增加而減小的拉裂縫[36]。與多塊體傾倒的區(qū)別是，單一巖柱傾倒的穩(wěn)定性與邊坡坡形、地質(zhì)構(gòu)造、巖體特性無(wú)關(guān)，主要取決于巖土體特殊結(jié)構(gòu)、地質(zhì)特征，另外可能受到外荷載作用。

孤立的柱狀危巖體在山區(qū)或海岸帶很常見(jiàn)，巖性較硬但風(fēng)化程度一般較高，垂直方向上的穩(wěn)定性較好，在斷面上一般具有高而長(zhǎng)的特點(diǎn)。當(dāng)坡腳由于地下開(kāi)采或掏蝕沖刷，支撐力減弱，直立的不穩(wěn)定巖體不斷向臨空方向傾倒。當(dāng)巖體重心偏離到一定程度，或在地震等水平力作用下，危巖體根部?jī)?nèi)側(cè)最大張拉應(yīng)力超過(guò)巖體強(qiáng)度發(fā)生拉裂折斷，形成傾倒崩塌。實(shí)際上，拉裂傾倒的破壞模式可以視為單一或者疊合巖體的塊體傾倒或者彎曲傾倒。與本研究所闡述的其他傾倒類(lèi)型的區(qū)別是，在地貌上不是邊坡整體的變形演化，而是接近臨空面局部巖層的失穩(wěn)。但其破壞機(jī)理仍然是塊體傾覆或彎曲折斷。法國(guó)南部Saint-Jouin-Bruneval附近海岸在2013年發(fā)生了一個(gè)典型的邊坡拉裂傾倒失穩(wěn)案例，并且被完整記錄下來(lái)[37]。破壞很有可能是底部飽和粘土的緩慢流動(dòng)所引發(fā)的，土體流失提供了上部巖體傾倒的空間和先決條件。

3.5 順層傾倒

順層邊坡(cataclinal slope)是指不連續(xù)面的傾向與坡面傾向相同的層狀邊坡，可以進(jìn)一步被分類(lèi)為緩傾順層邊坡(不連續(xù)面傾角小于或等于坡角)和陡傾順層邊坡(不連續(xù)面傾角大于坡角)。大多數(shù)的、常規(guī)意義上的傾倒(common toppling)發(fā)生在反傾邊坡(anaclinal slope)中。然而傾倒變形也很有可能發(fā)生在陡傾的順層巖質(zhì)邊坡中，即當(dāng)不連續(xù)面的傾向與坡面傾向相同，且傾角陡于坡角和不連續(xù)面摩擦角的情況(見(jiàn)圖21)。順層邊坡的傾倒破壞容易被地質(zhì)學(xué)家、地貌學(xué)家和巖土工程師所忽視，因?yàn)橥ǔＧ闆r下此類(lèi)邊坡被歸類(lèi)為是穩(wěn)定的。

順層邊坡的塊體傾倒一般需要借助外力才能發(fā)生。然而，G-B模型并未考慮水壓力的作用，因此無(wú)法解釋巖體的非常規(guī)傾倒現(xiàn)象，例如不規(guī)則底面和傾倒巖體傾角的漸變現(xiàn)象，特別是陡傾順層巖體的傾倒現(xiàn)象[38]。正是水壓力和凍融作用等形成額外的傾倒力矩，才促使順向坡的陡傾巖層也能夠發(fā)生向前方臨空面的傾倒[39]。

Goodman和Bray將順層邊坡的彎曲傾倒定義為蠕變傾倒，即順層巖體在自重或外力作用下發(fā)生向臨空面方向的彎曲蠕變現(xiàn)象，往往呈現(xiàn)出巖體大幅度的柔性彎曲變形。但是很少有研究對(duì)該特征做出理論性的解釋?zhuān)嗟氖峭Ａ粼趯?duì)變形破壞現(xiàn)象的描述。Cruden和Hu[9]首次報(bào)道了順層傾倒的模式和不連續(xù)面特征，分析了傾倒的控制條件，描述了順層邊坡傾倒的發(fā)展過(guò)程。認(rèn)為順層邊坡可以在不需要外力驅(qū)使的條件下發(fā)生傾倒破壞，并且將Goodman和Bray針對(duì)反傾巖層滑移的判別條件擴(kuò)展到順層邊坡(見(jiàn)公式(2))。結(jié)果顯示，相比于G-B分類(lèi)，傾倒可以發(fā)生在更大的空間范圍內(nèi)。

α+(90°-φ)≥β

(2)

根據(jù)本研究統(tǒng)計(jì)的15個(gè)典型的順層邊坡傾倒實(shí)例，總結(jié)得到此類(lèi)邊坡具有以下典型特征：

(1) 如圖22所示，順層邊坡的傾倒失穩(wěn)一般發(fā)生在巖層傾角大于 60° 的條件下，集中在70° ～80° 范圍內(nèi)。坡角的分布范圍則較為離散，在30° ～70° 范圍內(nèi)。總體而言，此類(lèi)邊坡的巖層傾角均大于坡角。當(dāng)層間摩擦角φ=35° 時(shí)，各邊坡實(shí)例均能夠滿(mǎn)足Cruden-Hu的判別標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 陡傾順層坡傾倒變形破壞多發(fā)育在高陡斜坡、尤其是快速下切的河谷岸坡中[40]。

(3) 破壞模式多為順層-彎曲傾倒，順層-塊體傾倒的情況較為少見(jiàn)。巖性上多發(fā)育在軟硬相間、力學(xué)性質(zhì)相差較大的互層狀巖體，類(lèi)似于彎曲傾倒或塊體-彎曲傾倒模式的巖性特征。

圖23展示了一個(gè)陡傾順層邊坡傾倒破壞的過(guò)程[41]，結(jié)合本研究所統(tǒng)計(jì)的順層傾倒特征，可以得到此類(lèi)邊坡失穩(wěn)的演化過(guò)程為：隨著邊坡變形的發(fā)展，中后部巖體在初始擾動(dòng)或自重荷載的作用下，層狀巖體沿片理面開(kāi)始發(fā)生相對(duì)滑移。伴隨著層間滑移的發(fā)展，板狀巖體因下部受阻而發(fā)生屈曲，當(dāng)巖層彎曲達(dá)到一定的程度，會(huì)推動(dòng)前緣巖體逐漸向臨空面傾倒。整個(gè)坡體的滑動(dòng)-傾倒變形進(jìn)一步加劇，使得后緣屈曲巖層可能發(fā)生剪切破壞；前緣巖層的彎曲達(dá)到一定程度時(shí)可導(dǎo)致根部折斷，形成斷續(xù)分布的折斷面，并可能追蹤相鄰的、傾向坡外的裂隙等結(jié)構(gòu)面。最終，當(dāng)各部位巖層的最大彎曲、破裂帶相互貫通，并形成傾向坡外完整破壞面時(shí)，邊坡將沿此面發(fā)生滑動(dòng)，形成蠕滑-拉裂型滑坡。因此，陡傾順層邊坡傾倒的機(jī)理是中后部巖層滑動(dòng)而導(dǎo)致坡面淺層或前緣巖體彎曲傾倒的推移式破壞。

4 結(jié) 論

(1) 新的分類(lèi)系統(tǒng)在Goodman和Bray研究[5]的基礎(chǔ)上，拓寬了邊坡傾倒失穩(wěn)的研究范圍，具體表現(xiàn)在：① 基本模式仍沿用塊體傾倒、彎曲傾倒和塊體-彎曲傾倒；② 增加了深層傾倒的蠕變模式；③ 增加了順層傾倒模式；④ 組合模式中增加了地塹式傾倒的亞類(lèi)；⑤ 區(qū)別于多塊體傾倒，將懸臂模式從次生傾倒中單獨(dú)列出。

(2) 塊體傾倒和彎曲傾倒的本質(zhì)區(qū)別在于：前者是由于巖塊圍繞底面端點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)生的傾覆現(xiàn)象，塊體本身變形很小，發(fā)生塊體傾倒的邊坡一般存在清晰的破壞面；后者是由于巖層塑性彎曲而產(chǎn)生大變形直至斷裂，彎曲傾倒邊坡在失穩(wěn)之前一般很難觀察到明顯的破壞面。

(3) 統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，邊坡傾倒與坡高并無(wú)直接關(guān)系，而與巖體結(jié)構(gòu)特性關(guān)系密切。反傾邊坡傾倒破壞多發(fā)生在巖層傾角60° ～80° 、特征角(坡角和巖層傾角之和)大于100° 的范圍內(nèi)，且?guī)r層傾角對(duì)邊坡傾倒的影響大于坡角。順層傾倒發(fā)生在巖層傾角大于60°且大于坡角的情況下，巖性多發(fā)育在力學(xué)性質(zhì)相差較大的互層狀巖體中，破壞模式為推移式順層-彎曲傾倒。

(4) 深層傾倒發(fā)生在高度超過(guò)300 m、坡度相對(duì)較緩的大(巨)型邊坡中，破壞呈現(xiàn)出顯著的多級(jí)傾倒特征，破壞面為較復(fù)雜的多折線(xiàn)形。除了外部因素影響，深層傾倒和重力作用下的邊坡長(zhǎng)期蠕變失穩(wěn)有密切關(guān)系。

(5) 拉裂傾倒在地貌上不是邊坡整體的變形演化，而是接近臨空面的局部巖體失穩(wěn)。其穩(wěn)定性通常與坡形、地質(zhì)構(gòu)造、巖體特性無(wú)關(guān)，主要取決于巖土體特殊結(jié)構(gòu)、地質(zhì)特征或外荷載作用。