劉金水，李 璐，孫 誠(chéng)，劉乃康，劉 高，2

（1. 蘭州大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州730000；2. 蘭州大學(xué) 西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州730000）

0 引言

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外發(fā)生了大量層狀斜坡失穩(wěn)破壞造成的災(zāi)難性事故，如意大利瓦依昂水庫(kù)滑坡[1]、四川省宣漢縣天臺(tái)鄉(xiāng)滑坡[2]，二灘壩址區(qū)附近霸王山滑坡[3]。層狀巖質(zhì)斜坡在工程建設(shè)中較為常見(jiàn)，其變形破壞類(lèi)型多、危害大、頻率高[4]。在水利水電工程中，往往涉及數(shù)百米甚至上千米的巖質(zhì)高邊坡，變形體的工程地質(zhì)問(wèn)題成為水電站建設(shè)必須解決的重大工程技術(shù)問(wèn)題之一。

層狀巖質(zhì)斜坡根據(jù)斜坡的坡向和巖層的傾向可分為水平層狀巖質(zhì)斜坡、順層巖質(zhì)斜坡、反傾巖質(zhì)斜坡、斜交層狀巖質(zhì)斜坡以及正交巖質(zhì)斜坡。其中，順層巖質(zhì)斜坡穩(wěn)定性差，易發(fā)生較嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害[5]。對(duì)于順層巖質(zhì)斜坡，根據(jù)巖層傾角和坡角的關(guān)系分為插入式順層斜坡、同層式順層斜坡和切層式順層斜坡[6]。不同的斜坡類(lèi)型其變形破壞模式也不同，順層巖質(zhì)斜坡變形破壞模式主要集中在滑移—拉裂型和滑移—彎曲型兩種[7]。近年來(lái)許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)順層巖質(zhì)斜坡還存在傾倒變形破壞。Mcaffee 等發(fā)現(xiàn)加拿大某緩傾斜坡的順向傾倒變形由節(jié)理面控制[8]，引發(fā)學(xué)界對(duì)順層斜坡傾倒變形破壞的關(guān)注[9-10]。

Regmi AD 等認(rèn)為裂隙和斷裂在重力作用下的變形以及陡立的坡角是巖體發(fā)生傾倒的主導(dǎo)因素[11]。施裕兵認(rèn)為傾倒變形容易發(fā)生在由陡傾或直立的層狀巖體組成的中—陡坡中，陡傾板狀巖體在自重作用下，發(fā)生彎曲傾倒變形[12]。任光明[13]指出陡傾順層巖質(zhì)斜坡在軟硬相間、力學(xué)性質(zhì)相差較大的條件下易發(fā)生傾倒變形，并提出順層傾倒的一般演化過(guò)程。張良喜等人認(rèn)為陡傾順層巖質(zhì)斜坡的變形模式為蠕滑—傾倒，最終表現(xiàn)為滑坡[14]。總體來(lái)說(shuō)，對(duì)于陡傾順層巖質(zhì)斜坡，學(xué)界對(duì)其變形破壞模式及成因機(jī)制已經(jīng)具備一定程度的研究和認(rèn)識(shí)。但是對(duì)于中—陡傾順層巖質(zhì)斜坡的傾倒變形問(wèn)題，學(xué)界尚未深入研究其變形破壞模式及成因機(jī)制。

本文以茨哈峽5#和6#傾倒體為例，通過(guò)野外實(shí)地調(diào)查，查清研究區(qū)的工程地質(zhì)條件及傾倒體變形破壞特征，并初步考慮反轉(zhuǎn)應(yīng)力在傾倒演化過(guò)程中的作用，分析中—陡傾厚層巖質(zhì)斜坡傾倒的變形破壞模式、力學(xué)機(jī)理及成因機(jī)制。

1 研究區(qū)工程地質(zhì)條件

研究區(qū)5#、6#傾倒體位于壩址區(qū)右岸壩軸線上游，整體情況見(jiàn)圖1。峽谷被黃河深切為V 字型，兩岸高陡。研究區(qū)夏季降雨量大而集中，冬季降雨稀少。巖性較弱的泥巖和板巖受季節(jié)性流水沖刷，表現(xiàn)為坡體溝壑縱橫，5#、6#傾倒體即以沖溝為界，溝深約10～20 m，為巖體傾倒創(chuàng)造良好的次級(jí)臨空條件。因而5#、6#傾倒體具備沖溝、河谷三面臨空的特殊地形條件。

圖1 研究區(qū)全貌圖Fig.1 Research area overview

研究區(qū)主要出露三疊系中統(tǒng)變質(zhì)砂巖（T2-Ss）和板巖（T2-Sl），局部有砂巖夾板巖（T2-Ss+Sl）。巖層總體產(chǎn)狀330°～345°∠60°～82°，為一典型的中—陡傾順層巖質(zhì)斜坡。坡體上覆第三系上新統(tǒng)（N2）紫紅色粉砂質(zhì)泥巖及第四系上更新統(tǒng)沖洪積砂礫石層（Q3pl+al-sgr） 和黃土狀粉土。第三系泥巖主要分布在傾倒體上部3000 m 左右，出露較為完好，最大厚度約為40 m。砂礫石層覆于泥巖之上，坡體上部廣泛分布，從地表露頭看，其厚度超過(guò)20 m。黃土狀粉土分布于坡頂，總體上岸坡前緣稍薄，向坡內(nèi)方向逐漸變厚，地表露頭顯示，最大厚度超過(guò)20 m。

研究區(qū)岸坡無(wú)大斷裂構(gòu)造發(fā)育，該區(qū)域?qū)娱g錯(cuò)動(dòng)帶較發(fā)育，產(chǎn)狀主要集中在358°∠59°。對(duì)平硐內(nèi)節(jié)理統(tǒng)計(jì)表明，該區(qū)域主要發(fā)育兩組優(yōu)勢(shì)節(jié)理，第一組產(chǎn)狀為306°∠21°，第二組優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀為189°∠20°。

平硐洞壁或拱頂?shù)膸r體均無(wú)剝落或片幫現(xiàn)象，表明研究區(qū)的地應(yīng)力不高。根據(jù)八組平硐內(nèi)實(shí)測(cè)的地應(yīng)力資料，應(yīng)力值大小為4～6MPa。

2 巖體的變形破壞特征分析

研究區(qū)巖體的變形破壞特征主要表現(xiàn)為傾倒。原覆蓋于斜坡頂部的第四系粉土、砂礫卵石層及新近系泥巖風(fēng)化后在流水、風(fēng)力搬運(yùn)或者自身重力作用下，向坡底滾落，崩積散落于坡面，填塞傾倒巖體層間空隙。因而外觀上巖體傾倒特征并不明顯。但是從巖層裸露處仍然可以看出，層狀巖體已表現(xiàn)出向臨空方向彎曲的趨勢(shì)，裸露巖體表面卸荷裂隙發(fā)育，表面極為破碎，如圖2（a）所示。

在坡體中下部，板巖向河谷強(qiáng)烈彎曲傾倒，產(chǎn)狀163°∠37°，與原巖產(chǎn)狀相比，傾倒巖體傾向發(fā)生了近一百八十度偏轉(zhuǎn)，傾角偏轉(zhuǎn)了60°以上。此處板巖最薄處不到1 cm，板巖巖層中部甚至完全折斷，折斷巖體層序尚可分辨，巖層錯(cuò)動(dòng)明顯，空隙尚未被填塞。表明巖體尚未發(fā)生進(jìn)一步破壞，如圖2（b）所示。

由于坡體沖溝發(fā)育，下切較深，5#、6#傾倒體具備沖溝、河谷三面臨空條件，整體地勢(shì)陡峻、局部巖體傾倒變形嚴(yán)重。巖體不僅向河谷方向傾倒，也向沖溝內(nèi)彎曲變形，如圖2（c）所示。在5#、6#傾倒體界溝內(nèi)，巖體即向沖溝內(nèi)發(fā)生彎曲并折斷。此處板巖厚度為5～10 cm，彎曲折斷點(diǎn)上部巖層產(chǎn)狀為SE174°∠67°，折斷點(diǎn)下部巖層產(chǎn)狀為NW341°∠82°，傾向發(fā)生近一百八十度偏轉(zhuǎn)，已然傾倒。折斷巖體仍保持層狀，巖層脫空，巖體松散張開(kāi)，層間錯(cuò)動(dòng)明顯，如圖2（d）所示。

該處傾向沖溝的傾倒變形體表明，沖溝對(duì)巖層傾倒影響甚大，甚至改變坡體的應(yīng)力分布，改變坡體的卸荷、傾倒方向。

圖2 板巖變形特征Fig.2 Slate deformation characteristics

統(tǒng)計(jì)5#傾倒體巖層產(chǎn)狀，傾角隨高程變化如圖3 所示。從圖中可知，坡體下部巖層傾角為69～81°，而巖層的傾向與母巖相反，表現(xiàn)為傾倒變形；在坡體中部，巖層傾角基本在42～60°之間，傾向相反，巖體發(fā)生反傾變形。坡頂巖層傾向接近于原巖，傾角較原巖略大，向河谷方向彎曲變形?？傮w表現(xiàn)為，從坡腳到坡頂，巖體傾向與原巖逐步趨于一致，即傾倒變形趨勢(shì)逐步緩和。

圖3 傾角隨高程的變化Fig.3 Inclination angle with elevation

3 力學(xué)機(jī)理

反轉(zhuǎn)應(yīng)力法最早由J.M. Duncan 提出并應(yīng)用于地下工程的開(kāi)挖穩(wěn)定性分析[15]。圍巖開(kāi)挖，臨空面生成，原本三向平衡的應(yīng)力狀態(tài)突然被打破，這部分未被平衡的應(yīng)力便向后方巖土體轉(zhuǎn)移，同時(shí)與開(kāi)挖巖體等效的釋放應(yīng)力即作用于開(kāi)挖面上。在實(shí)際應(yīng)用中與有限元思想結(jié)合，將圍巖劃分為一個(gè)個(gè)單元體，假設(shè)單元體的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力已知，單元體節(jié)點(diǎn)之間的反轉(zhuǎn)應(yīng)力線性分布，則通過(guò)線性插值即可求得開(kāi)挖面上的應(yīng)力。

由于研究區(qū)壩址位于黃河上游河谷，尚處于青年期的河谷仍在不斷侵蝕下切，可以認(rèn)為當(dāng)今岸坡巖體應(yīng)力釋放尚未完成，因此本文認(rèn)為，反轉(zhuǎn)釋放應(yīng)力在該處斜坡的變形力學(xué)機(jī)制分析中不可或缺。

本文簡(jiǎn)要分析了坡腳巖體的受力情況，將中—陡傾層狀砂巖斜坡簡(jiǎn)化為梁板模型，如圖4（a）所示。河谷下切，坡體卸荷，巖層在反轉(zhuǎn)應(yīng)力T 的作用下向坡外初始彎曲，當(dāng)板巖彎曲近直立時(shí)，在自重及上覆荷載作用下發(fā)生折斷傾倒破壞，如圖4（b）所示。

圖4 基本力學(xué)模型Fig.4 Basic mechanical model

根據(jù)右手坐標(biāo)系力學(xué)模型，沿巖層方向?yàn)閤 軸，y 軸方向垂直向上，將巖層簡(jiǎn)化為自由端受力的懸臂梁，作用力F，轉(zhuǎn)角為β、撓度為yc。

在巖層走向上選取單位寬度，巖體荷載包括巖體自重G、上覆巖土體的壓力P 及水平反轉(zhuǎn)應(yīng)力T。巖層傾角為α，巖層厚度為t，巖層長(zhǎng)度為l。計(jì)算該簡(jiǎn)化模型，自由端受力F為：

式中：γ—巖層的容重，N/m；G—巖體自重，MN；P—上覆巖土體的壓力MN；T—水平反轉(zhuǎn)應(yīng)力，MPa；A—單位面積，m；α—巖層的傾角，（°）。

荷載作用下梁的轉(zhuǎn)角β 和撓度yc公式[16]為：

式中：E—巖層彈性模量，MPa；Iz—梁橫截面慣性矩，Iz=t3/12。

在反轉(zhuǎn)應(yīng)力、自重、上覆巖土體三種荷載共同作用下，厚層砂巖向外彎曲而為近直立。參考劉紅巖等[17]提出的傾倒失穩(wěn)的極限長(zhǎng)度公式，研究區(qū)近直立巖層發(fā)生傾倒變形的臨界長(zhǎng)度lcr為：

式中：γ—巖體容重，N/m；t—滑動(dòng)巖層厚度，m。

通過(guò)野外考察以檢驗(yàn)公式的適用性。研究區(qū)板巖傾角普遍大于60°，當(dāng)其向外發(fā)生偏轉(zhuǎn)為直立時(shí)，巖層上部自由端偏轉(zhuǎn)角只需小于等于30°即可。取板巖傾倒體的巖體力學(xué)參數(shù)為：E=1600 MPa；γ=2720 kg/m3；t=0.5 m。將參數(shù)代入上述公式，巖層不發(fā)生傾倒變形破壞的極限長(zhǎng)度為21.55 m，自由端受力F 為0.037 MN，上覆荷載為0.614 MN，單位體積巖體自重0.575 MN，則巖層頂部受到的水平反轉(zhuǎn)應(yīng)力最大為0.63 MN，單位面積反轉(zhuǎn)應(yīng)力約為0.63 MPa。茨哈峽壩址區(qū)地應(yīng)力實(shí)測(cè)值普遍為4～6 MPa，因此5#傾倒體前部中陡傾板巖滿足發(fā)生傾倒變形破壞的條件。

4 傾倒變形破壞成因機(jī)制分析

4.1 順層巖質(zhì)斜坡傾倒成因

第三紀(jì)以來(lái)青藏高原隆升及黃河不斷下切侵蝕形成了當(dāng)?shù)厣礁吖壬畹牡匦蔚孛?，同時(shí)導(dǎo)致坡體應(yīng)力釋放、巖層彎曲變形，而研究區(qū)相對(duì)軟弱的板巖與相對(duì)硬質(zhì)的砂巖差異性風(fēng)化又為傾倒的發(fā)生提供了有利條件。

從坡頂崩積的粉土、砂卵礫石及泥巖巖屑填塞層間空隙，其良好的持水能力在雨季時(shí)對(duì)巖板產(chǎn)生靜水壓力。此外松散堆積體還成為泥石流的物源，順溝而下刨蝕擴(kuò)大原有沖溝，導(dǎo)致山高溝深，為坡體傾倒創(chuàng)造了良好的次級(jí)臨空條件。而在兩組交叉呈”X”型節(jié)理的切割下，又使坡體在彎曲到一定程度后折斷。最終巖層在水平翻轉(zhuǎn)應(yīng)力、自重應(yīng)力、上覆巖體應(yīng)力、靜水壓力的共同作用下發(fā)生傾倒。

4.2 順層巖質(zhì)斜坡傾倒演化過(guò)程

在內(nèi)外動(dòng)力地質(zhì)作用下，順層巖質(zhì)斜坡傾倒主要分為三個(gè)過(guò)程。

4.2.1 初始變形階段

在初始變形階段，河流強(qiáng)烈下切，河谷右岸基巖裸露而形成順傾層狀巖質(zhì)斜坡。在此階段，斜坡變形具體表現(xiàn)為，斜坡頂部的松散覆蓋層首先向臨空方向卸荷，在坡體后緣產(chǎn)生拉裂縫，見(jiàn)圖5（a）。經(jīng)過(guò)風(fēng)化剝蝕，坡頂殘積土層在自重應(yīng)力作用下向河谷方向蠕滑，并推動(dòng)下伏巖層向臨空方向彎曲，力學(xué)上表現(xiàn)為層狀巖層垂直于懸臂梁自由端的橫向彎曲變形。隨著坡體不斷向河谷方向蠕滑，坡體上部產(chǎn)生傾倒變形，表現(xiàn)為巖層反翹，見(jiàn)圖5（b）。

圖5 斜坡變形初期Fig.5 Initial stage of slope deformation

4.2.2 加速變形階段

在此階段，黃河加速下切，下伏三疊系巖層形成高陡邊坡。隨著邊坡高度不斷增大，坡體受到淺表生作用的改造更加強(qiáng)烈，并進(jìn)一步卸荷，逐漸在橫向上形成內(nèi)部拉裂帶，在縱向上形成層間錯(cuò)動(dòng)帶。

當(dāng)傾倒變形發(fā)展到一定階段時(shí)，板巖受到的剪應(yīng)力超過(guò)抗剪強(qiáng)度，表部巖塊沿層面拉裂并向外傾倒、崩塌，見(jiàn)圖6（a）。隨著黃河繼續(xù)下切、表層巖體剝落，斜坡內(nèi)部的砂巖逐漸出露，在反轉(zhuǎn)應(yīng)力、上覆荷載及巖體自重共同作用下，巖層進(jìn)一步彎曲變形。黃河下切后期，斜坡坡度變緩，碎屑物質(zhì)填塞于層間，地下水入滲，產(chǎn)生的靜水壓力加速巖層的傾倒變形過(guò)程，如圖6（b）所示。

圖6 斜坡變形中期Fig.6 Mid-slope deformation

4.2.3 貫通失穩(wěn)階段

隨著黃河不斷下切，傾倒變形向斜坡深部和下部發(fā)展，并逐漸在最大彎曲部位產(chǎn)生放射狀排列的拉張裂隙。當(dāng)拉張裂隙與層面貫通時(shí)，巖體隨之傾倒，并沿坡面滑移，覆于母巖之上。拉裂帶呈上陡下緩的近折線型。在重力作用下，斜坡巖土體進(jìn)一步沿著拉裂面發(fā)生滑移，如圖7（a）所示。

傾倒巖體支撐母巖，阻止巖層發(fā)生進(jìn)一步變形，有利于巖層的穩(wěn)定性。但經(jīng)過(guò)風(fēng)化剝蝕，松散的傾倒巖體在重力、水流的作用下被搬運(yùn)，坡形變緩。上部產(chǎn)生剪切蠕動(dòng)或滑動(dòng)變形的巖層傾角逐漸變小，靠近剪切變形帶的下伏巖體由于潰曲變形而具有明顯的傾倒現(xiàn)象，其傾角由上至下逐漸變大，傾向與母巖相反，如圖7（b）所示。

圖7 斜坡變形后期Fig.7 Late slope deformation

由于巖體崩塌和地表水的沖蝕，坡體表部發(fā)育一系列沖溝，為巖體傾倒創(chuàng)造良好的次級(jí)臨空條件。巖層向沖溝臨空面卸荷，發(fā)生旋轉(zhuǎn)式傾倒，巖層走向發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)。最終形成當(dāng)前的斜坡形態(tài)。

5 結(jié)論

本文分析順層巖質(zhì)斜坡的變形破壞特征、力學(xué)成因及演化過(guò)程，得出以下結(jié)論：

（1）研究區(qū)斜坡為順層層狀巖質(zhì)斜坡，其變形破壞模式為彎曲—傾倒，在中部沖溝處更為明顯。

（2）在反轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下，巖層發(fā)生初始變形，向外彎曲，拉裂，在上覆巖土體荷載、自重作用下最終傾倒。

（3）研究區(qū)傾倒演化過(guò)程：在河流下切初期，坡體卸荷，后緣產(chǎn)生拉裂縫，表現(xiàn)為懸臂梁式橫向彎曲變形。隨著河谷下切加深，坡體進(jìn)一步卸荷，在反轉(zhuǎn)應(yīng)力、上覆巖土體荷載及自重作用下，較弱的板巖逐漸被剪斷，砂巖出露。在上述荷載及靜水壓力作用下，逐漸發(fā)生傾倒變形；在巖層彎曲處產(chǎn)生拉張裂隙，向下部和深部不斷發(fā)展貫通，上部破碎巖體沿坡面滑動(dòng)，下部巖層反轉(zhuǎn)，最終表現(xiàn)為巖層的傾倒變形。