安曉凡，巨廣宏，李 寧

(1.中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司, 西安 710065;2.中國電建集團西北勘測設(shè)計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)為單個或多個巖塊圍繞一點(或底面)向前傾覆的現(xiàn)象[1]。據(jù)統(tǒng)計，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)，僅次于碎屑流動模式(63%)，高于滑動破壞模式(12%)[2]。

相比于邊坡的滑動破壞模式，人類對于傾倒破壞的認(rèn)識較晚。1968年，Muller[3]在對意大利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)。近幾十年國內(nèi)外報道出大量地邊坡傾倒失穩(wěn)實例，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)于邊坡傾倒類型的研究大多是在Goodman-Bray分類[5](簡稱G-B分類)框架下開展的，或針對特定案例的具體分析，并沒有對這種破壞形式的邊坡進行系統(tǒng)的歸類和完善的總結(jié)。因此有必要以G-B分類為基礎(chǔ)，對巖質(zhì)邊坡的傾倒破壞類型進行擴充和重新定義。

本文總結(jié)了國內(nèi)外已報道的較為詳細的近80個邊坡傾倒實例，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分類提出了一種更為全面的傾倒邊坡分類系統(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個基本大類。新的分類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、夯實地質(zhì)基礎(chǔ)。

1 基于Goodman-Bray的邊坡傾倒分類

關(guān)于巖質(zhì)邊坡傾倒失穩(wěn)的分類，最早、最具代表性的來自于Goodman和Bray[5]，基本上涵蓋了當(dāng)時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(見圖1)。此外，基于傾倒變形的原因和破壞機理，他們又補充了五種次生傾倒模式(見圖2)。該分類使得在建立傾倒邊坡的解析分析模型時有了基礎(chǔ)的參考標(biāo)準(zhǔn)，通過經(jīng)驗類比的方式可以初步判斷一類傾倒邊坡的變形機理，為后續(xù)的穩(wěn)定性評價提供準(zhǔn)備。

此后，一些學(xué)者也試圖從不同角度對傾倒邊坡進行分類研究。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。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，彎曲傾倒也可能會出現(xiàn)在由脆性的堅硬巖體構(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。近些年我國揭露出的傾倒深度很大的邊坡失穩(wěn)實例，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。事實上，邊坡的破壞應(yīng)該是一個從延性過渡到脆性的過程。

黃潤秋等[7]并沒有著重強調(diào)傾倒是否為塊體轉(zhuǎn)動或者彎曲折斷，而是以傾倒變形的發(fā)育深度為基準(zhǔn)將傾倒邊坡分類為：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)出明顯的相對轉(zhuǎn)動；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)動達到極限時破壞面就會形成?；诖?，單純的區(qū)分彎曲和塊體傾倒就會受到限制，因為任何邊坡都會經(jīng)歷不同變形機理的階段。

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，并且基于實例首次報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個類型：傾倒折斷型，傾倒彎曲型，傾倒揉皺彎曲型。

本文統(tǒng)計了國內(nèi)外已報道的較為完整的傾倒邊坡實例,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)等人類活動的影響較為突出。以邊坡的地質(zhì)力學(xué)分析模型建立為目標(biāo)，在G-B分類的基礎(chǔ)上，根據(jù)邊坡巖體的破壞機理和復(fù)雜程度，將上述實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個大類。每種類型所對應(yīng)的破壞模式見表1，本文第3節(jié)逐一闡述并揭示了各類邊坡的失穩(wěn)機理。

表1 本文提出的邊坡傾倒破壞分類

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個方面，以及巖體結(jié)構(gòu)類型(2.2節(jié)詳述)。坡高的離散程度較高(見圖3)，從十幾米的小型傾倒體到高度達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)計結(jié)果來看，邊坡發(fā)生傾倒破壞與坡高并無直接關(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)計數(shù)量的62%，因此該范圍為傾倒破壞的優(yōu)勢巖層傾角區(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，因為此類邊坡往往被認(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，會使得層間產(chǎn)生必然的相對位移(或相互錯動)，這便是邊坡傾倒的開始。對上述過程的力學(xué)解釋是：當(dāng)節(jié)理或不連續(xù)面之間的剪應(yīng)力大于其抗剪強度時，由于巖體的彎曲變形才會引起層間滑移的發(fā)生。無論在何種天然應(yīng)力場下，坡面的主應(yīng)力跡線均發(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，對于的反傾層狀邊坡，若層間摩擦角為φ，則層間滑移所滿足的條件為[5]：

α≥90° +φ-β

(1)

圖5中虛線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)生條件的下限對邊坡進行初步判斷，因為當(dāng)φ=20° 時仍有約1/4的邊坡不滿足該標(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)計關(guān)系，可以經(jīng)驗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。通過巖性特征、巖體結(jié)構(gòu)特征和邊坡變形特征3個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)劃分巖體類別、評價巖體質(zhì)量。將巖體分為4類，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(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(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)。

通過觀測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；坡面處常常會出現(xiàn)反翹陡坎和羊道(見圖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?；趯碧蕉炊幢趲r層傾角的測量，和對洞壁進行聲波、地震波的測試，可以判斷由坡表向坡體內(nèi)部方向巖體傾倒程度的強弱，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號傾倒體PD106號平硐巖層傾角和地震波速沿洞深的變化趨勢，該平硐所揭露的巖體傾倒變形深度約為60 m。強傾倒區(qū)內(nèi)巖層傾角的變化較大，但其平均值(約為35°)遠小于弱傾倒區(qū)(約為60°)；地震波速也能夠反映出強傾倒區(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)生的原因可以簡單地分為外因和內(nèi)因。前者是保持巖體抗剪強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度降低所導(dǎo)致的?？辜魪姸冉档妥畛Ｒ娫蚴沁吰聝?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)部因素可以同時起作用，以降低抗剪強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。特別是會引發(fā)類似于蠕變模式的深層重力式滑坡(詳見3.3節(jié))。

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

(3) 切坡作用。開挖導(dǎo)致坡腳變陡，對于工程邊坡是一個很重要的影響因素[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。國內(nèi)外對于這類影響的研究較少，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等以奧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理[20]。

(5) 動荷載，包括地震和爆破荷載。地震荷載，尤其是水平地震力會增加巖體的傾倒力矩，對控制傾倒變形非常不利。為了保證開挖邊坡的陡峭程度，需要針對于不同巖體專門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，減少間距和單個孔的裝藥量，以及在緩沖孔之間設(shè)置延遲；監(jiān)測巖體的最大爆破振動速度，確定不同爆破模式和荷載狀況對振動速度的影響[21-22]。

3 巖質(zhì)邊坡傾倒失穩(wěn)類型和機理

3.1 基本傾倒模式

巖質(zhì)邊坡是多種幾何形式和強度結(jié)構(gòu)的巖體的組合體。如果將單獨的潛在傾倒巖體作為研究對象，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邊坡中的作用。那么，巖體的傾倒失穩(wěn)機制可以分為以下2種：塊狀巖體傾覆和懸臂狀巖體彎曲折斷。值得注意的是，獨立巖塊的傾倒只存在這兩種破壞機制。因此，根據(jù)控制性失穩(wěn)機制的不同，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。

(1) 塊體傾倒

運動學(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種運動狀態(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，承受由上部較長巖柱傳遞的荷載，由此推移坡腳處的巖柱運動并使得上部巖體產(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傾覆塊體的傳遞荷載推移時，傾倒現(xiàn)象便會開始。

相比于彎曲傾倒，塊體傾倒中擾動巖體的底面更為明顯，由正交節(jié)理形成的臺階狀層面組成。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動表現(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、開挖或者侵蝕會使得破壞開始并且向后方傳遞，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動會產(chǎn)生層間滑移，巖層的一部分上表面可能會暴露在逆向陡坎中。由于彎曲傾倒不存在滑動面，因此由鉆探的結(jié)果并不會發(fā)現(xiàn)順坡向的巖體滑動現(xiàn)象。此外，由于變形是漸進的，通常很難找到擾動的基線，某些特定的條件下能通過邊坡側(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-面接觸，而彎曲傾倒的巖柱具有更好的連續(xù)性，且在彎曲過程中保持面與面的接觸。擴展到邊坡尺度，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，即長巖柱的位移由大量正交節(jié)理所切割巖體的累計運動組成。坡腳處的巖體沿著節(jié)理面發(fā)生滑移，同時其他巖體緊密相連的發(fā)生滑動和傾覆。其中，滑動的發(fā)生是因為累計的傾覆現(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接觸。但是擾動體內(nèi)的巖層變形足以形成松動的、節(jié)理張開程度大的特征，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破壞過程中，由于內(nèi)部巖柱的不連續(xù)破裂可能會先過渡為塊體-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(見圖13)。由此可以解釋，軟硬互層、薄厚相間的邊坡更容易發(fā)生塊體-彎曲傾倒。因為邊坡在變形過程中，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(邊坡的各個部位)和時間(巖體變形演化的各個階段)尺度上存在多種組合形式。統(tǒng)計得到的邊坡組合傾倒模式見表1，其中前3類出現(xiàn)在G-B分類中，第四類為本研究新增。以下結(jié)合實際案例分別對其變形破壞機理進行闡述。

(1) 上部傾倒-下部滑動

失穩(wěn)巖體由邊坡上部傾倒體和下部滑動體兩部分組成。傾倒表現(xiàn)為上部節(jié)理巖體向滑動體頂部傾覆，這是由于下部的滑動提供了傾倒的空間。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[28]。由于所在的Turtle山坡內(nèi)存在不利的背斜層面，加之采礦活動的影響，1903年4月29日凌晨4點10分，大約三千萬立方米的巖體失穩(wěn)形成大型的高速滑坡，造成約70人死亡。另外一個上部塊體傾倒下部滑動失穩(wěn)的實例是瑞士南部的Randa滑坡(見圖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)致巖體脆性強度隨著時間降低和漸進破壞是滑坡的主要觸發(fā)因素[29]。

(2) 上部滑動-下部傾倒

邊坡由上部滑動體和下部傾倒體兩部分組成，失穩(wěn)模式可能是推移式，也可能是牽引式。前者只能在滑動之后發(fā)生，即上部巖土體滑動(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先于以及觸發(fā)滑移運動。金川露天礦一礦區(qū)邊坡是一個上部滑動、下部彎曲傾倒的典型案例(見圖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)的裂隙按錯動特征可分為2類：張扭性裂隙主要在邊坡上部的滑動區(qū)發(fā)育，傾向礦坑，裂隙張開，寬1.0 m；壓扭性裂隙在邊坡下部傾倒區(qū)內(nèi)發(fā)育，傾向坡內(nèi)，形成反坡向陡坎，高達1～2 m，裂隙面上產(chǎn)生明顯的擦痕和槽溝。

(3) 頂部滑動-底部傾倒

由上部滑動巖(土)體的傳遞力導(dǎo)致坡腳處巖體的傾倒。自然界中此類邊坡的變形破壞模式較難觀察到，不同于上部滑動-下部傾倒模式中滑動力施加在傾倒體的后緣，頂部滑動-底部傾倒模式中滑動體的推力是施加在傾倒體頂部的[32]，如見圖16所示。類似于由兩種變形機理的巖體組合而成，即滑動體為主動變形區(qū)域，潛在的傾倒體為被動變形區(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(見圖17)。楔形體主動下移之后，坡頂會形成類似于地塹的陡坎。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]介紹的一個典型的地塹式復(fù)合傾倒實例，邊坡破壞模式為后緣楔形體滑動-中部傾倒-底部剪切滑動，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到20 m的陡傾錯臺，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，其變形機制更加復(fù)雜。

3.3 深層傾倒

早期對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，發(fā)生深層傾倒的邊坡平均坡角37.83° ，遠小于傾倒邊坡坡角平均值52.43° (全部統(tǒng)計案例平均值)。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300 m的大型邊坡中，平均坡高達到743 m。甚至包括一些高度超過1 000 m的巨型邊坡，例如法國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型，深層傾倒邊坡的破壞面一般為較復(fù)雜的多折線形。

(4) 深層傾倒邊坡的運動速度可以超過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形成大范圍下降的地塹。因此，深層傾倒可以通過監(jiān)測手段來預(yù)測和預(yù)防。通常巖層位移的增加會導(dǎo)致落石可能性的增加，此時人類活動應(yīng)當(dāng)受到限制且暫停采礦活動。

(5) 傾倒破壞對由于地下水位變化引起的水壓力的微小波動極為敏感，此外坡腳處只要很小的位移就會使得邊坡中部和頂部產(chǎn)生大范圍的傾倒。因此，坡腳開采或地下水壓力波動之后，巖層會出現(xiàn)加速變形的階段。此外，深層傾倒對不連續(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，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的特點。當(dāng)坡腳由于地下開采或掏蝕沖刷，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，危巖體根部內(nèi)側(cè)最大張拉應(yīng)力超過巖體強度發(fā)生拉裂折斷，形成傾倒崩塌。實際上，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)。但其破壞機理仍然是塊體傾覆或彎曲折斷。法國南部Saint-Jouin-Bruneval附近海岸在2013年發(fā)生了一個典型的邊坡拉裂傾倒失穩(wěn)案例，并且被完整記錄下來[37]。破壞很有可能是底部飽和粘土的緩慢流動所引發(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，可以進一步被分類為緩傾順層邊坡(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，因為通常情況下此類邊坡被歸類為是穩(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。但是很少有研究對該特征做出理論性的解釋，更多的是停留在對變形破壞現(xiàn)象的描述。Cruden和Hu[9]首次報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針對反傾巖層滑移的判別條件擴展到順層邊坡(見公式(2))。結(jié)果顯示，相比于G-B分類，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)計的15個典型的順層邊坡傾倒實例，總結(jié)得到此類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)?？傮w而言，此類邊坡的巖層傾角均大于坡角。當(dāng)層間摩擦角φ=35° 時，各邊坡實例均能夠滿足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。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展示了一個陡傾順層邊坡傾倒破壞的過程[41]，結(jié)合本研究所統(tǒng)計的順層傾倒特征，可以得到此類邊坡失穩(wěn)的演化過程為：隨著邊坡變形的發(fā)展，中后部巖體在初始擾動或自重荷載的作用下，層狀巖體沿片理面開始發(fā)生相對滑移。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)巖層彎曲達到一定的程度，會推動前緣巖體逐漸向臨空面傾倒。整個坡體的滑動-傾倒變形進一步加劇，使得后緣屈曲巖層可能發(fā)生剪切破壞；前緣巖層的彎曲達到一定程度時可導(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，邊坡將沿此面發(fā)生滑動，形成蠕滑-拉裂型滑坡。因此，陡傾順層邊坡傾倒的機理是中后部巖層滑動而導(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；⑤ 區(qū)別于多塊體傾倒，將懸臂模式從次生傾倒中單獨列出。

(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轉(zhuǎn)動而發(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)計結(jié)果顯示，邊坡傾倒與坡高并無直接關(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300 m、坡度相對較緩的大(巨)型邊坡中，破壞呈現(xiàn)出顯著的多級傾倒特征，破壞面為較復(fù)雜的多折線形。除了外部因素影響，深層傾倒和重力作用下的邊坡長期蠕變失穩(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。