游昆駿（核工業(yè)西南勘查設(shè)計(jì)研究院有限公司 四川成都 610061）

反傾邊坡傾倒變形機(jī)理與穩(wěn)定性評價(jià)綜述

游昆駿
（核工業(yè)西南勘查設(shè)計(jì)研究院有限公司 四川成都 610061）

本文從層狀反傾巖質(zhì)邊坡的傾倒變形模式及規(guī)律、傾倒分級體系、傾倒變形機(jī)理三個(gè)方面對傾倒變形的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，介紹了在反傾邊坡中常用的三種分析方法：解析分析法、物理模型試驗(yàn)和數(shù)值分析法的研究進(jìn)展。并指出了各類分析方法的優(yōu)缺點(diǎn)及需要深化和改進(jìn)的問題。

層狀邊坡；傾倒變形；數(shù)值模擬；變形機(jī)理

1 引言

層狀巖質(zhì)邊坡中，過去的研究較多偏向于順層邊坡穩(wěn)定性，尤其是巖層傾角小于坡角時(shí)，穩(wěn)定性問題尤為突出；而對于層狀反傾巖質(zhì)邊坡，往往容易忽略其穩(wěn)定性。由于層面傾向與坡向的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，傳統(tǒng)的研究認(rèn)為反傾邊坡穩(wěn)定性較好。然而，隨著近20-30年來，人類工程建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，活動(dòng)范圍日漸增大，出現(xiàn)了大量反傾巖體變形甚至引起重大災(zāi)害的案例，激起了大批學(xué)者的研究熱情，也顛覆了人們對于反傾巖質(zhì)邊坡的常規(guī)認(rèn)識(shí)。

2 巖體傾倒模式及規(guī)律

對傾倒巖體的變形破壞模式進(jìn)行系統(tǒng)的分類和研究起始于1976年，Goodman 和Bray[1]較為系統(tǒng)的將層狀巖體邊坡的彎曲傾倒變形歸納為：彎曲傾倒、塊狀傾倒、塊狀彎曲傾倒和次生傾倒等4種變形模式，次生傾倒主要為由單一因素引起的巖土體強(qiáng)度弱化或巖土體滑移引導(dǎo)的傾倒變形。Heok和 Bray[2]在總結(jié)大量工程經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將次生傾倒劃分為五種基本類型：（1）滑移-坡頂傾倒；（2）滑移-基底傾倒；（3）滑移-坡腳傾倒；（4）拉裂-傾倒；（5）塑流-傾倒。

Cruden和 Hu指出順層邊坡的傾倒變形現(xiàn)象，并將其分類三種基本類型：塊狀彎曲傾倒、多重塊體傾倒、人字形傾倒。

此外，國外有Caine、Reid和Stewart、Brabb和Harrod、Giraud、Richards等學(xué)者在總結(jié)各類傾倒變形實(shí)例的情況下，基于某一實(shí)例邊坡提出了各自的見解。

國內(nèi)學(xué)者對于此類邊坡的研究相對較晚，最早有學(xué)者將反傾邊坡的傾倒變形現(xiàn)象描述為：“點(diǎn)頭哈腰”、“山腰遷移”、“地表膝狀褶皺”、“巖體的蠕動(dòng)變形”、“撓曲風(fēng)化層”等。

3 傾倒變形強(qiáng)烈程度分級體系

傾倒變形的強(qiáng)烈程度分級能定性的描述邊坡巖體傾倒變形隨深度變化的情況，在其基礎(chǔ)上能快捷、有效的進(jìn)行分析研究，從而針對性的提出有效的分區(qū)或分級預(yù)防和治理措施，對于該類邊坡的研究和工程治理都具有重要意義。目前，對于傾倒變形強(qiáng)烈程度的分級或分區(qū)問題，分別歸納如下：黃一和等將邊坡傾倒巖體分為：主要傾倒變形區(qū)和牽引破壞區(qū)。洪玉輝分為：傾倒-座落變形區(qū)、擠壓變形區(qū)、蠕動(dòng)滑移變形區(qū)。梁正召等劃分為：傾倒-座落變形區(qū)、擠壓變形區(qū)和蠕動(dòng)滑移變形區(qū)。申力等分為：傾倒變形帶、傾倒滑移帶和沉陷滑移變形帶。李學(xué)政等分為：傾倒松動(dòng)帶、彎曲折斷帶和過渡帶。李渝生、黃潤秋[3]等將傾倒巖體分為：A類極強(qiáng)傾倒破裂區(qū)、B類強(qiáng)傾倒破裂區(qū)、C類弱傾倒變形過渡區(qū)。

以上學(xué)者對于傾倒變形的分級或分區(qū)研究主要依據(jù)傾倒巖體傾角、巖體風(fēng)化程度、結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征、層內(nèi)拉張量及巖體波速等指標(biāo)的實(shí)測及統(tǒng)計(jì)分析，對于反傾巖體的科學(xué)研究及工程實(shí)踐有一定指導(dǎo)意義。

4 反傾巖體變形機(jī)理及穩(wěn)定性分析方法

國內(nèi)外關(guān)于反傾巖體變形機(jī)理及穩(wěn)定性分析的方法主要有：解析分析法、物理模型實(shí)驗(yàn)法、數(shù)值模擬法三類。具體進(jìn)展如下[4]：

4.1 解析分析法

Goodman和Bray[1]運(yùn)用傳統(tǒng)的巖體力學(xué)分析方法，提出“塊體極限平衡理論”用于分析傾倒變形巖體。Adhikaiy推導(dǎo)了反傾巖體的推力判據(jù)公式，指出反傾層狀巖體的傾倒基準(zhǔn)面不應(yīng)完全和層面垂直，而是由一定夾角，并計(jì)算了一般反傾層狀邊坡傾倒破裂的深度。

孫廣忠將反傾巖質(zhì)邊坡定義為板裂結(jié)構(gòu)，并給出了完整板柱彎曲的力學(xué)計(jì)算模型。蔣良濰等推導(dǎo)了巖體彈性屈曲和彎折破壞的臨界條件，指出直立巖層主要發(fā)生屈曲變形，中-陡反傾巖層以彎折破壞為主。

上述方法在分析邊坡的傾倒變形時(shí)，仍對應(yīng)用條件有不少限制，不能較好的考慮巖體中存在的較多結(jié)構(gòu)面，且主要受控于結(jié)構(gòu)面所致的變形情況其應(yīng)用范圍仍有一定的局限性。

4.2 物理模型試驗(yàn)法

Whyte最早進(jìn)行基底摩擦試驗(yàn)和傾斜臺(tái)面試驗(yàn)，Phillips提出離心模型試驗(yàn)，Stewart將其用于研究柔性邊坡的傾倒變形。汪小剛通過離心機(jī)實(shí)驗(yàn)說明了邊坡深層破壞的折斷面為雙折線型，并提出忽略巖體裂縫的計(jì)算是不合理的。羅華陽等通過模型試驗(yàn)?zāi)M，發(fā)現(xiàn)邊坡自上而下開挖后，變形也從上到下發(fā)展，裂隙滲透水引起的變形在坡頂較大，坡腳較小，但均表現(xiàn)出比開挖引起的變形大。陳孝兵等通過底摩擦試驗(yàn)?zāi)M得出傾倒變形的發(fā)展以層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)為主，張性破裂主要發(fā)生在坡體淺表部，而層內(nèi)剪切位移的發(fā)育范圍則更為深入。

反傾巖體的傾倒變形物理試驗(yàn)方法目前仍較為單一，其試驗(yàn)結(jié)果仍主要集中于定性分析，而少見定量研究成果。試驗(yàn)通常對單因素進(jìn)行模擬，其中層面物理參數(shù)、巖層傾角、坡角對反傾斜坡的傾倒變形影響較大。

4.3 數(shù)值模擬法

目前關(guān)于反傾斜傾倒變形坡有限元及有限差分法模擬的研究主要如下：

韓貝傳、王思敬認(rèn)為反傾結(jié)構(gòu)面對邊坡的傾倒變形有控制作用，反傾邊坡的研究重點(diǎn)應(yīng)在坡頂。芮勇勤等采用有限差分方法模擬，結(jié)果顯示出：變形起始于下部泥化夾層及斷層處并逐漸向上發(fā)展，在傾倒臺(tái)階處產(chǎn)生坍塌破壞。

蘇立海等采用FINAL軟件，模擬得出傾倒破壞易發(fā)生于巖層傾角大于45°，而開挖坡角大于傾角5～10°時(shí)，而層厚每增加一倍，優(yōu)勢傾角呈增大的特點(diǎn)。

任光明等使用UDEC數(shù)值模擬，指出坡體內(nèi)折斷帶的剪應(yīng)力超過其抗剪強(qiáng)度時(shí)，坡體會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)滑移而形成傾倒滑塌體。

紀(jì)玉石等采用UDEC程序模擬，指出邊坡的變形為沿多個(gè)層為位產(chǎn)生的滑移，上部傾倒變形為主導(dǎo)因素，并使得下部巖體產(chǎn)生擠壓滑移。

數(shù)值模擬反傾斜坡的方法仍待進(jìn)一步的完善，對于層狀斜坡變形過程中的折斷破裂過程仍沒有辦法進(jìn)行模擬。但對于采用數(shù)值手段研究斜坡的傾倒變形機(jī)理、變形破壞過程與實(shí)際斜坡變形能較好的吻合。

5 結(jié)論

（1）對于傾倒變形程度的分級，仍缺乏較為規(guī)范性和代表性的分級方法，少數(shù)學(xué)者提出的分級方案不具備一般傾倒變坡的普適性。而邊坡的傾倒變形深度是工程評價(jià)、設(shè)計(jì)及治理者所密切關(guān)注的問題，邊坡變形程度分級能為邊坡傾倒深度的確定提供較好的理論依據(jù)，應(yīng)對此引起重視。

（2）傾倒巖體具備一般地質(zhì)體的特點(diǎn)，巖體亦處在一定的地質(zhì)環(huán)境中，其長期的演化必然受到內(nèi)外多種地質(zhì)營力的作用，其變形也是特定地質(zhì)環(huán)境下的產(chǎn)物；但也區(qū)別于一般巖質(zhì)邊坡，邊坡反傾層狀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，使得該類邊坡的變形常常在軟巖中表現(xiàn)為蠕動(dòng)性的由外向內(nèi)的變化，在硬巖中則為由外向內(nèi)的多級折斷，而一旦發(fā)生貫通性破壞，則易發(fā)展為高速、大規(guī)模的崩滑。目前對于此類邊坡的分析偏重于力學(xué)研究，往往對孕育環(huán)境的內(nèi)、外地質(zhì)特點(diǎn)及動(dòng)力作用影響。

（3）層狀巖體的各向異性，結(jié)構(gòu)面的隨機(jī)特征和外在邊界條件的復(fù)雜性使得邊坡變形機(jī)理及穩(wěn)定性研究較為困難，尤其是建立適用于層狀反傾變坡的模型并獲得解析解十分困難，因此，探索建立非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的應(yīng)變分析方法是解決反傾層狀巖質(zhì)邊坡傾倒變形問題的有效途徑。

[1] Good Man R E, B R Y J W. Toppling of Rock Slopes[C]. Colorado: 1976.

[2] Hoek E, Bray J. Rock slope engineering[M]. London: The Institute of Mining and Metallurgy, 1981.

[3] 黃潤秋，李渝生，巨能攀，等. 黃河拉西瓦水電工程果卜岸坡全生命周期演化與治理綜合研究[R]. 成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 2013.

[4] 游昆駿.瀾滄江苗尾水電站右壩肩邊坡傾倒巖體開挖變形響應(yīng)及穩(wěn)定性研究[D].成都：成都理工大學(xué)碩士論文.2014

TU 457

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1007-6344（2016）06-0346-01