李 明，涂國祥, ，羅新平，尚 琪

(1. 成都理工大學 環(huán)境與土木工程學院，四川 成都 610059；2. 地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059)

傾倒破壞是天然巖質邊坡中最常見的失穩(wěn)模式之一。眾多學者已在傾倒變形及細觀巖體破壞方向取得了豐富的研究成果。黃潤秋等以典型高邊坡為例，分析了傾倒變形的力學機制和時效變形破壞機制，探討了其穩(wěn)定性[1-4]。物理試驗與數值模擬相結合是研究邊坡變形演化的常用手段。陳孝兵等基于相似理論分析原理，運用底摩擦重力試驗模擬了重力場條件的巖體傾倒變形演化過程[5-6]；張御陽等通過不同裂隙傾角的設置，探究了反傾巖質斜坡傾倒變形影響效應[7-8]。石崇等從細觀力學角度對巖土工程力學特性作了初步研究[9-10]；趙偉華等采用復合巖體技術模擬了巖質邊坡的滑移破壞[11]。

瀾滄江上游古水河段右岸發(fā)育一大型傾倒變形體，其傾倒巖體體積約 5 000 萬立方米，深度達200 m。該傾倒變形體的存在嚴重影響距上游約800 m的古水水電站的安全建設。本文在詳細現場調查的基礎上，采用底摩擦和數值計算相結合的方法，對該傾倒變形的發(fā)育特征、形成機制和演化過程進行研究和探索。

1 研究區(qū)地質背景

啞貢傾倒變形體位于瀾滄江上游河段右岸，青藏高原東南緣。該區(qū)兩岸斜坡高陡，河谷深切，呈不對稱“V”字型，岸坡坡度較陡并且相對高差較大，多級河流階地發(fā)育，第四系地層發(fā)育相對良好?？拷舅右粋?，溝谷內基巖出露，表部巖體有強烈的傾倒變形跡象，巖體多破碎呈強風化狀，不同程度地坍塌。斜坡的結構主要為巖層層理面，并在板巖砂巖互層的巖體中發(fā)育一組傾向坡外的節(jié)理面，邊坡原始地層呈反傾陡立型，發(fā)育有強烈的傾倒變形。

研究區(qū)斷層發(fā)育良好，其中紅山-古水斷裂，走向N10°～30°W，穿過岸坡前緣。研究區(qū)出露的地層主要為坡積層，下伏基巖主要有三疊系上統(tǒng)紅坡組(T3hn )、二疊系下統(tǒng)吉東龍組(P1j)。紅山-古水斷裂北東側以板巖為主，斷層南西側主要為板巖夾變質砂巖，空間組合上屬于軟硬相間的巖層結構，有明顯的傾倒變形跡象。

圖 1 研究區(qū)地質平面圖Fig. 1 Geological planar graph of the study area

2 啞貢傾倒變形體發(fā)育特征

2.1 巖層產狀特點

根據現場調查，該區(qū)地層原始產狀為N15°～40°W、SW∠75°～85°。而木水河河谷兩岸巖層傾角變化明顯，右岸巖層傾角在70°～80°范圍內變化，與地層初始產狀基本一致；左岸河谷底部傾角范圍大致為20°～50°，并隨高程增加而減小，如圖1所示。

根據平硐調查，統(tǒng)計分析了深層巖體中巖層傾向和傾角的變化。圖2顯示了A-A′剖面的3個平硐（PD221、PD222和PD223）的巖層產狀變化。PD223位于斜坡底部，在整個100 m深范圍內，地層傾向約240°。PD223平硐0～50 m段，傾角在40°～50°范圍內變化，深度超過60 m，傾角增大到70°～80°；PD222、PD221平硐高程較高，傾向、傾角偏離初始條件，波動較大。當PD222和PD221埋深分別大于100 m和140 m時，傾向逐漸增大到初始狀態(tài)，但傾角仍遠小于初始值。

圖 2 A-A′剖面平硐地層產狀變化Fig. 2 Variations in dip angle and dip direction of the bedding planes in A-A ′ section

調查結果表明，傾倒變形引起的巖層產狀變化特征為：巖層產狀在地表和淺部巖體中波動劇烈、頻繁；高海拔巖層的產狀比低海拔巖層的產狀波動更劇烈和頻繁，巖體的傾倒深度更大；傾倒過程中，傾倒巖體，尤其是地表和淺部巖體的傾向和傾角都發(fā)生了變化。

2.2 傾倒折斷帶發(fā)育特征

圖 3 巖體內傾倒折斷特征Fig. 3 Characteristics of the toppling fracture zones

在傾倒變形過程中，巖體中發(fā)育大量不同程度的傾倒折斷帶，圖3為PD222中2個典型的傾倒折斷帶，其中一個（圖3（a））位于距硐口50 m處，其產狀為N10°W、NE∠65°，厚度為5～8 cm，帶內由碎塊石及巖屑充填，相對松弛，呈“V”字型。靠硐口一側巖層產狀為N70°E、NW∠25°，另一側產狀則為N20°W、SW∠15°，兩側巖層傾向傾角差異明顯。另一個折斷帶（圖3（b））位于距硐口10 m處，產狀為S30°W、SE∠58°，厚度為10～15 cm，靠硐口一側巖層產狀為N20°E、NW∠18°，另一側產狀為S60°E、NW∠24°，巖層的傾向變化明顯，傾角大小也發(fā)生變化，呈倒“V”字型，該帶內具有明顯的剪切錯動跡象，錯動距離約為20～25 cm。

調查表明，該區(qū)傾倒折斷帶兩側巖層產狀明顯不同，甚至有明顯的剪切錯動變形出現，錯距約為5～50 cm。通常，這些傾倒折斷帶的厚度為5～100 cm，傾角為50°～80°，主要由塊碎石、角礫及巖屑組成。這些傾倒折斷帶通常穿過多個巖層，長度超過2 m，有的長達數十米。尤其在高高程的淺表巖體中傾倒折斷現象發(fā)育程度與密集度相對較高，且折斷帶附近巖層產狀波動相對較大，巖體完整程度相對較低，大量折斷帶的形成加劇了斜坡深層傾倒折斷的產生。

3 啞貢傾倒變形體形成機制

3.1 底摩擦重力試驗

累進性傾倒變形破壞是反傾層狀斜坡的一種主要方式，本次試驗分3個階段開挖模擬河谷下切，通過底摩擦試驗分析該斜坡在木水河下切等作用下發(fā)生傾倒變形的基本特征及影響因素。

3.1.1 底摩擦試驗設計 本文通過底摩擦試驗來研究河谷下切過程中，反傾巖質邊坡的傾倒變形響應特征。以啞貢深層傾倒變形體A-A′剖面為原型設計試驗，試驗采用摩擦重力試驗儀。該儀器可以變頻控制轉速，當模型材料足夠薄時，認為材料與橡皮帶之間的摩擦力近似等于重力。

該研究區(qū)巖體主要為板裂化嚴重的砂質板巖。參考以往模型試驗經驗[12-15]，應力相似比取1∶1 500，相似材料采用石英砂、重晶石粉、液體石蠟油，按照質量比為60∶30∶10調配。根據研究區(qū)河段階地發(fā)育情況，設計如圖4所示的模型，模擬河谷下切。模型坡高65 cm，寬80 cm，設置1.5 cm的層間距與70°的巖層傾角。材料參數見表1。

圖 4 底摩擦模型Fig. 4 Model design diagram of the base friction

表 1 模型材料力學參數Tab. 1 Model material mechanical parameters

圖 5 第一階段底摩擦試驗現象Fig. 5 Base friction test phenomenon in the first stage

3.1.2 試驗模擬結果分析 根據試驗現象，河谷下切可以分為3個階段。第一階段，隨著模擬重力（摩擦力）作用，如圖5（a）斜坡巖體發(fā)生初始變形，圖5（b）坡體前緣淺表部巖體向臨空方向發(fā)生彎曲變形，由于失去前緣巖體的支撐，后緣出現較大的拉裂縫，此階段，傾倒變形程度相對較弱，發(fā)育深度相對較淺。巖體結構相對完整，未見明顯的折斷現象，邊坡自穩(wěn)能力較好。圖5（b）標記線2對比虛線可見，后緣發(fā)生拉裂下陷，上覆層狀巖體傾向坡外并產生時效變形，該層逐漸產生反向彎曲。標記線1為應力增高區(qū)，該區(qū)傾倒現象較為明顯。

第二階段，河谷下切模擬，該階段河谷由寬谷期過渡到峽谷期，木水河下切迅速，岸坡變得高陡，為斜坡變形提供了有利的變形條件和卸荷邊界。圖6（a）到（b）過程中隨著邊坡側向應力的釋放，斜坡層狀巖體前緣向臨空方向倒伏，由圖中標記線對比，坡肩附近變形程度較大，累積變形區(qū)約為坡高的1/3，規(guī)模較大。在傾倒變形加劇的過程中，河谷谷底由于應力集中，出現層間隆擠現象。

第三階段，隨著河谷不斷下切，斜坡深層巖體連續(xù)彎曲變形，其傾倒變形的程度逐漸加劇。如圖7（a）所示，在河谷谷坡部位形成微張裂隙，隨著變形的加劇，大量張開度較大的裂隙產生，與斜坡層面大致垂直并逐級向上發(fā)育，進而發(fā)育形成破裂面（圖7（b））。斜坡上部巖體向臨空方向傾倒破壞，斜坡前緣淺表層巖體局部出現傾倒墜覆現象。

圖 6 第二階段底摩擦試驗現象Fig. 6 Base friction test phenomenon in the second stage

圖 7 第三階段底摩擦試驗現象Fig. 7 Base friction test phenomenon in the third stage

傾倒變形過程中巖層傾角由70°轉為20°～30°，變形加劇，層狀巖體由彎曲變形過渡到傾倒折斷。裂隙成錐形從層間巖體產生，并與層面大致垂直，張開度、貫通性較好。隨著傾倒變形進一步加劇，裂隙向深部擴展，貫通形成破裂面。

研究區(qū)的深層傾倒變形是由內部因素與外部因素共同作用的結果。斜坡巖體主要為軟硬相間板巖夾變質砂巖，巖體呈反傾陡立狀，并且坡形相對較陡，為巖體傾倒變形提供了基本條件；影響該斜坡傾倒變形的主要因素為河谷下切，在河谷不斷的下切過程中，岸坡增高增陡，側向應力釋放（卸荷），斜坡內應力重新分布，主應力與坡表平行，在其作用下層狀巖體發(fā)生彎曲變形、傾倒折斷。

3.2 數值分析

數值模型進行3次開挖模擬河谷下切，每次開挖后運行3萬時步，共模擬3個階段，詳細分析傾倒變形體的形成機制和演化過程。

3.2.1 反傾巖質邊坡模型的構建 根據A-A′剖面圖建立DXF格式輪廓線，通過 P FC2D內部設置判斷顆粒位置完成分組，刪除模型以外的顆粒及上部墻體，生成包含6.5萬個顆粒的剖面模型（圖8）。以斷層為分界線上部為板巖夾變質砂巖，下部為板巖。

圖 8 P FC2D計算模型Fig. 8 P FC2D calculation model diagram

根據平硐調查獲取的相關數據，統(tǒng)計分析節(jié)理的傾角、間距等分布規(guī)律，設置傾角70°的節(jié)理模型；同時展現其空間形態(tài)，將節(jié)理間距增大，并認定節(jié)理在空間均勻分布。采用線性接觸黏結模型模擬顆粒，可同時傳遞力與力矩，能夠模擬完整巖石的力學行為；節(jié)理接觸為平滑節(jié)理模型，該本構模型不考慮沿節(jié)理局部顆粒接觸的方向。

巖體材料微觀參數采用低圍壓雙軸試驗測試，高4 m，寬 2 m，粒徑為1～2 cm的顆粒隨機分布，利用1 MPa伺服圍壓得到模型后不斷調整細觀參數，使模擬應力應變曲線與室內試驗吻合，裂隙發(fā)育規(guī)律符合實際。在試驗中調整微觀參數減小不同宏觀力學參數間的尺寸效應，表2為巖石材料的顆粒微觀參數，表3為通過直剪試驗獲取結構面的顆粒微觀參數，巖性及接觸模型符合模擬要求[16-17]。

表 2 PFC模擬巖石材料顆粒微觀參數Tab. 2 PFC-simulated particle microscopic parameters of rock material

表 3 不同類型結構面的顆粒微觀參數Tab. 3 Microscopic parameters of particles with different structural planes

3.2.2 顆粒流模擬結果分析 如圖9所示，隨著河谷的不斷下切，致使岸坡愈加陡立，為斜坡變形創(chuàng)造了有利的臨空條件和卸荷邊界。圖9（b）、（c）為兩次側向的巖體卸荷造成坡體內應力變遷，圖9（d）岸坡巖體中的各類裂隙由低高程向高高程擴展，并產生大量拉張、剪切裂隙，巖體完整性及穩(wěn)定性呈漸進性衰退，從而促進斜坡在重力作用下向臨空方向發(fā)生傾倒變形，最終發(fā)育形成新的拉裂-剪切破壞面。

圖 9 傾倒演化示意圖Fig. 9 Evolution diagram of toppling fracture

PFC2D中規(guī)定水平x軸正方向順時針旋轉為傾角方向，圖10玫瑰圖統(tǒng)計分析了微裂縫傾角變化。模型初始巖層節(jié)理傾角為（a）110°，（b）、（c）分別對應運行3萬時步、9萬時步剪切裂隙傾角統(tǒng)計，剪切裂隙傾角近與巖層傾角平行；（d）、（e）、（f）分別對應運行3萬時步、6萬時步、9萬時步張拉裂隙傾角統(tǒng)計，初始變形張拉裂隙傾角為60°，平行坡表且垂直于巖層層面，隨著傾倒變形微裂隙傾角60°轉為40°，可見拉張裂隙變形初期為卸荷裂隙，后期主要為折斷破壞裂隙。

圖 10 裂隙傾角玫瑰圖及裂隙數量（傾角單位：°）Fig. 10 Rosette diagram of fracture dip angle and fracture numbers （fracture unit: °）

河谷下切過程中傾倒演化階段根據顆粒流模擬結果可總結為卸荷（回彈拉裂）、變形（裂隙發(fā)育）、折斷（裂隙貫通）3個階段。

（1）卸荷（回彈拉裂）階段。圖11（b）為模擬6萬時步的DFN裂隙圖，微裂縫沒有明顯發(fā)展，河谷下切初始臨空面形成，斜坡內原始應力較高，受反傾節(jié)理及砂板巖互層坡體結構影響，卸荷條件下坡內表現出不同的響應機制，坡體表部形成張拉裂隙帶。圖12裂隙統(tǒng)計圖中（3～6）萬時步中剪切裂隙較多，拉張裂隙增速明顯，坡體裂隙發(fā)育為傾倒變形提供先決條件。

圖 11 DFN裂隙分布Fig. 11 DFN fracture distribution map

（2）變形（裂隙發(fā)育）階段。隨著下切作用加劇，河谷形態(tài)明顯變窄，坡腳處剪應力集中，裂縫逐漸延伸擴展，產生部分塑性變形。圖11（c）顯示坡腳顆粒在剪應力作用下發(fā)生剪切滑動，為后部巖體變形提供了變形空間。圖12模擬（6～9）萬時步拉張裂隙，可見數量明顯增加，反映了自重力作用下巖體連續(xù)的彎曲變形，彎曲過程中受拉面顆粒間產生大量拉張裂隙。該階段中可以明顯觀測到裂隙由谷坡向頂部緩慢發(fā)育，為典型的彎曲傾倒變形現象。

（3）折斷（裂隙貫通）階段。如圖11（d）所示，由模型圖中斷層的變形現象可以判定該斜坡的變形主要為累進性破壞。圖中巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，在傾倒變形過程中巖體保持較好的成層性，傾倒巖體沿節(jié)理面明顯錯動。如圖12所示，隨著計算時步的增大，張拉裂隙數量顯著增加，逐漸接近剪切裂隙數量，最終相互貫通形成剪切滑動面，剪切面傾向坡外，剪應力集中，容易形成整體滑移。

4 討 論

通過以上底摩擦試驗揭露的傾倒變形巖體基本特征，顆粒流數值模擬再現巖體變形、裂隙發(fā)育的演化過程，得到以下基本認識：

（1）在快速連續(xù)的河谷下切過程中，河谷兩岸巖體集中卸荷，岸坡表面產生卸荷回彈。當產生的拉應力超過巖體的抗拉強度，坡體內就會逐漸形成大量卸荷裂隙。

（2）在模擬河谷的下切過程中，發(fā)現坡體內的裂隙發(fā)育具有一定的規(guī)律性。在數值分析中，張拉裂隙傾角大小主要集中在40°～60°（圖10），與底摩擦中發(fā)育的裂隙傾角大小大致吻合；同時如圖11（d）標記所示，在坡體內產生明顯的裂隙集中帶，此裂隙集中帶的展布跡線形態(tài)與圖6的折斷帶的貫通破裂面相對應。

（3）河谷的多次下切，致使斜坡發(fā)生深層傾倒變形，并在坡體內不同部位形成不同程度的傾倒折斷帶。折斷破裂面在坡腳處與坡體斜交向上逐漸發(fā)展為與坡表平行（圖6），最終可能成為邊坡發(fā)生剪切滑移破壞的底界。

5 結 語

本文對反傾層狀巖質邊坡進行傾倒變形破壞模擬試驗，分析該邊坡傾倒變形破壞特征及破裂面孕育演化過程，得到以下結論:

（1）隨著河谷不斷下切，巖體卸荷及邊坡應力場的重新分布，巖體中形成了較深的應力松弛區(qū)。然后，在應力松弛區(qū)主應力方向調整為重力方向，該區(qū)中陡傾的層狀巖體在重力作用下會向河谷方向發(fā)生傾倒變形。

（2）底摩擦試驗模擬傾倒變形破壞過程中，河谷下切，斜坡淺表巖體最先出現彎曲傾倒現象。隨著變形加劇，大規(guī)模傾倒變形體形成，巖層間裂隙呈倒錐狀張開，隨著時間推移巖體折斷，在裂隙與層面共同影響下，傾倒破壞繼續(xù)進行，逐漸向深部擴展。

（3）通過顆粒流數值模擬，可將傾倒變形體演化過程劃分為卸荷（回彈拉裂）、變形（裂隙發(fā)育）和折斷（裂隙貫通）3個階段。隨著河谷下切，裂隙首先由谷底以上坡表巖體形成，剪切張拉應力集中，裂縫開始向內部延伸發(fā)展，最后貫通形成破裂面，傾倒變形巖體在時空上呈階段性特征。