張丙先

長(zhǎng)江巖土工程總公司(武漢)，武漢 430010

0 引言

西藏玉曲河是怒江中游一級(jí)支流，其下游河段坡高谷深、岸坡陡峻，由板巖組成的岸坡普遍發(fā)生傾倒變形，這種變形特征在怒江、瀾滄江、金沙江等流域普遍發(fā)育。怒江、瀾滄江、金沙江流域分布有在建或擬建的巨型﹑大型水利水電工程，其中邊坡傾倒變形問題是大型水利水電工程建設(shè)中的工程技術(shù)難題之一。隨著該地區(qū)城鎮(zhèn)化建設(shè)和公路、鐵路等的修建，不可避免地遇到邊坡傾倒變形問題。但邊坡的傾倒變形是一類與滑動(dòng)完全不同的變形破壞模式，傳統(tǒng)的極限平衡方法與強(qiáng)度穩(wěn)定性評(píng)價(jià)思路難以適應(yīng)。前人多在對(duì)傾倒現(xiàn)象觀測(cè)的基礎(chǔ)上，采用定性分析、極限平衡計(jì)算、物理模擬、數(shù)值分析的方法，對(duì)傾倒變形的特征[1]、形成機(jī)理[2-3]、變形模式[4-5]和傾倒邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算與評(píng)價(jià)[6-7]等方面進(jìn)行了相關(guān)的研究，而對(duì)邊坡變形特征與巖體力學(xué)特性的相關(guān)性研究開展得較少。因此，本文在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、勘探的基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法，重點(diǎn)對(duì)岸坡變形特征與板巖變形特性的相關(guān)性進(jìn)行了研究，試圖從本質(zhì)上揭示岸坡發(fā)生傾倒變形的內(nèi)在原因，從而探尋傾倒變形岸坡穩(wěn)定性分析的依據(jù)。

1 傾倒變形岸坡基本特征

1.1 基本地質(zhì)條件

研究區(qū)位于青藏高原東南部的“三江”地區(qū)。玉曲河下游河段河道狹窄，谷底寬度僅20～50 m，水流湍急，兩岸山體走向近南北向，分水嶺高程3 000～5 000 m，相對(duì)河床高差500～2 000 m，谷坡坡度一般為30°～50°。河谷總體呈縱向谷，沿岸發(fā)育Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)階地，均為基座階地。其中：Ⅱ級(jí)階地分布較連續(xù)，階地臺(tái)面寬度20～200 m，高出河水位45～75 m；前緣陡坎坡度45°～70°，后緣陡坎坡度30°～50°；Ⅰ、Ⅲ級(jí)階地僅斷續(xù)分布，Ⅰ級(jí)階地臺(tái)面高出河水面25～40 m，Ⅲ級(jí)階地臺(tái)面高出河水面80～115 m。

玉曲河下游河谷岸坡分布地層主要為二疊系、三疊系，巖性以板巖類為主，包括砂質(zhì)板巖、絹云母板巖、鈣質(zhì)板巖、碳質(zhì)板巖，局部夾有變質(zhì)砂巖、大理巖、灰?guī)r等；其次為石炭系大理巖；局部有花崗閃長(zhǎng)巖侵入。其中：板巖呈板裂薄層狀結(jié)構(gòu)，而變質(zhì)砂巖、大理巖、灰?guī)r呈厚層—巨厚層結(jié)構(gòu)，花崗閃長(zhǎng)巖呈塊狀結(jié)構(gòu)。

1.2 岸坡傾倒變形特征

玉曲河下游河谷岸坡大部分由板巖組成，河谷走向與巖層走向基本一致，兩岸岸坡為層狀同向結(jié)構(gòu)或?qū)訝罘聪蚪Y(jié)構(gòu)，傾倒變形現(xiàn)象普遍發(fā)育，正常產(chǎn)狀巖體僅見于河谷岸坡下部或沖溝溝壁，正常板理面傾角70°～85°。由板巖組成的岸坡傾倒變形特征主要有以下3種類型。

傾倒折斷型主要分布于階地前緣陡坎，坡高一般為50～100 m，地形坡度45°～70°。傾倒巖體見于岸坡中上部，厚度一般為5～20 m，巖層多傾倒折斷，傾倒后的巖體(以下簡(jiǎn)稱傾倒巖體)板理面傾角20°～40°，與正常產(chǎn)狀巖體相差40°～50°；發(fā)育垂直于板理面的裂隙，裂隙張開寬度10～30 cm，充填巖屑、泥質(zhì)或架空，呈碎裂-散體結(jié)構(gòu)(圖1a)。傾倒折斷型巖體內(nèi)部性狀變化不大。傾倒巖體與正常產(chǎn)狀巖體界面沿強(qiáng)卸荷帶下限、大致與坡面平行。岸坡下部?jī)A倒巖體多受河水沖蝕而剝落，出露正常產(chǎn)狀巖體，表面可見傾倒巖體剝落后留下的明顯傾倒折斷面，折斷面呈鋸齒狀或階梯狀。

傾倒彎曲型主要分布于Ⅱ級(jí)階地以上斜坡，自Ⅱ級(jí)階地臺(tái)面至坡頂，坡高600～1 000 m，地形坡度30°～50°，平洞揭露傾倒巖體厚度40～50 m，傾倒巖體與正常產(chǎn)狀巖體界面沿弱卸荷帶下限、大致與坡面平行，主要呈傾倒彎曲(圖1b)。傾倒巖體巖層層序保持較好，板理面傾角20°～45°，與正常產(chǎn)狀巖體傾角相差30°～55°，自坡內(nèi)向坡外巖體性狀逐漸變差，依次呈層狀結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)、散體結(jié)構(gòu)。

傾倒揉皺彎曲型在區(qū)內(nèi)分布較少，岸坡上部分布冰川堆積體，傾倒體橫跨Ⅱ、Ⅲ階地，平洞揭露傾倒巖體厚度40～50 m。與傾倒彎曲型類似，傾倒巖體與正常產(chǎn)狀巖體界面呈傾倒彎曲，自坡內(nèi)向坡外巖體性狀逐漸變差。不同之處：一方面Ⅱ、Ⅲ階地下伏傾倒巖體內(nèi)部順坡向見多期次級(jí)傾倒彎曲、斷續(xù)折斷面，表明隨著河流的不斷下切傾倒巖體不斷變形，發(fā)生多期傾倒；另一方面，冰川堆積體下伏巖層發(fā)生揉皺變形。

a.階地前緣巖體傾倒折斷；b. 傾倒巖體底部彎曲面。圖1 研究區(qū)岸坡傾倒變形特征Fig.1 Toppling deformation characteristics of slopes in the study area

2 岸坡傾倒變形成因機(jī)制分析

2.1 岸坡巖體力學(xué)特性

玉曲河下游河谷岸坡分布的板巖類巖石中，砂質(zhì)板巖屬中硬巖，而絹云母板巖、鈣質(zhì)板巖、碳質(zhì)板巖等屬較軟巖，變質(zhì)砂巖、大理巖、灰?guī)r、花崗閃長(zhǎng)巖均屬堅(jiān)硬巖(表1)。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，板巖類巖石普遍發(fā)生傾倒變形，而變質(zhì)砂巖、大理巖、灰?guī)r、花崗閃長(zhǎng)巖等堅(jiān)硬巖未見明顯傾倒變形跡象。為了研究岸坡傾倒變形與巖體變形特性的相關(guān)性，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)砂質(zhì)板巖和灰?guī)r進(jìn)行了巖體變形試驗(yàn)，采用剛性承壓板法，荷載方向鉛直。正常產(chǎn)狀砂質(zhì)板巖的變形與壓力關(guān)系曲線呈下凹型(圖2a)，變形隨著壓力的增大而不斷增長(zhǎng)，卸荷后大部分變形不能恢復(fù)，以塑性變形為主，反映了巖體沿板理面及黏土礦物聚片體之間的滑移[8]；灰?guī)r的變形與壓力關(guān)系近似直線(圖2b)，斜率較陡，主要為彈性變形[8]。

2.2 岸坡傾倒變形的成因機(jī)制

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，岸坡傾倒變形的發(fā)生是地質(zhì)內(nèi)因和外部誘因綜合作用的結(jié)果。其中：內(nèi)因主要有地層巖性、巖體結(jié)構(gòu)、巖體的力學(xué)性質(zhì)，其對(duì)岸坡傾倒變形起到控制性的作用；而外因是改變巖體應(yīng)力的作用，主要包括河流沖刷下切、冰川的推覆作用以及人類工程活動(dòng)開挖邊坡等，其對(duì)傾倒變形起到誘發(fā)作用。

傾倒折斷型的成因機(jī)制隨著青藏高原的隆升，玉曲河河谷快速下切，階地前緣形成陡坎，這為板巖的傾倒變形創(chuàng)造了臨空條件。同時(shí)，在成坡過程中，岸坡發(fā)生卸荷回彈而松動(dòng)，本來就弱膠結(jié)的板理面裂開，形成類似薄層板梁結(jié)構(gòu)。在自身重力作用下，薄層板梁向外側(cè)傾斜，根部產(chǎn)生拉張裂縫(圖3a)。然后，薄層板梁向坡外轉(zhuǎn)動(dòng)、根部折斷而傾覆在原狀基巖上，形成類似“干砌石”的結(jié)構(gòu)(圖3b)。由于每塊薄層板梁折斷的位置、高度不同，折斷面呈鋸齒狀或階梯狀。在折斷過程中，巖體發(fā)生碎裂，后期受風(fēng)化作用，折斷巖體進(jìn)一步松動(dòng)、破碎，形成目前見到的散體-碎裂結(jié)構(gòu)。從力學(xué)機(jī)理分析，雖然板巖屬非彈性巖石，但因地形較陡、巖層較薄且臨空，薄層板梁側(cè)向約束薄弱，圍巖壓力很小，巖體呈脆性狀態(tài)。由于巖體的抗拉強(qiáng)度很小，薄層板梁向外轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的拉應(yīng)力使薄層板梁發(fā)生折斷，表現(xiàn)為“折而立斷”的脆性破壞特征。

表1 巖石主要力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

實(shí)線為加載過程，虛線為御載過程。圖2 研究區(qū)巖體變形試驗(yàn)壓力與變形關(guān)系曲線Fig.2 Curve of pressure and deformation in the rock mass test in the study area

傾倒彎曲型的成因機(jī)制Ⅱ級(jí)階地以上岸坡經(jīng)歷了較長(zhǎng)地質(zhì)歷史時(shí)期，坡高較大(600～1 000 m)，地形坡度中等(30°～50°)，岸坡的改造已處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。與階地前緣傾倒折斷型不同，傾倒彎曲型的傾倒巖體厚度較大(40～50 m)，平洞揭露傾倒彎曲面與岸坡表面水平距離60～85 m(圖4)，巖體的側(cè)向約束較強(qiáng)，且具有一定的圍巖壓力。有圍壓作用時(shí)，巖石的變形性質(zhì)與傾倒折斷型的薄層板梁不同，隨著圍壓增大，巖石的塑性也隨著增大，且由脆性逐漸轉(zhuǎn)化為延性[9]。而板巖本屬非彈性巖石，在一定圍壓、一定的自重(一般不會(huì)超過巖石的長(zhǎng)期

圖3 研究區(qū)巖體傾倒折斷發(fā)展過程Fig.3 Development process-toppling of broken of rock mass in the study area

1.碎塊石土；2.卵漂石；3.板巖；4.地層界線；5.第四系與基巖界線；6.傾倒巖體結(jié)構(gòu)分界線；7.傾倒彎曲面；8.平洞及編號(hào)；9.板理產(chǎn)狀。圖4 研究區(qū)傾倒彎曲型的典型地質(zhì)模型Fig.4 Geological model of typical toppling-bending in the study area

強(qiáng)度)條件長(zhǎng)期作用下，應(yīng)變率是很低的，巖體發(fā)生蠕變或流變，表現(xiàn)為類似懸臂梁的彎曲變形，并產(chǎn)生層間滑移。

傾倒揉皺彎曲型的成因機(jī)制傾倒揉皺彎曲型的形成過程與傾倒彎曲型類似，但巖體變形持續(xù)的時(shí)間更長(zhǎng)，從其橫跨Ⅱ、Ⅲ階地以及平洞揭露的次級(jí)彎曲面來看，其形成過程至少經(jīng)歷了兩期作用。同時(shí)，傾倒變形岸坡的上部覆蓋冰川堆積體，顯示巖層傾倒彎曲的過程中疊加了冰川的推覆作用，巖層因而發(fā)生褶曲。

3 傾倒變形岸坡穩(wěn)定性分析

3.1 傾倒變形岸坡的現(xiàn)狀破壞模式

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及勘探揭示，各種類型傾倒變形岸坡目前整體均處于穩(wěn)定狀態(tài)，岸坡的破壞模式主要為前緣松散傾倒巖體的剝落、掉塊和局部崩塌。

區(qū)內(nèi)由自然因素導(dǎo)致岸坡傾倒巖體失穩(wěn)的案例發(fā)生于2014年8月，玉曲河右岸一山溝內(nèi)爆發(fā)泥石流堵塞玉曲河河道，后河水沿左岸坡腳沖刷形成下泄通道。因河水沖刷切腳導(dǎo)致左岸傾倒巖體發(fā)生破壞，首先坡表發(fā)生裂縫，進(jìn)而傾倒巖體由坡表向坡內(nèi)漸次發(fā)生垮塌，破壞過程歷時(shí)5個(gè)月，但沒有發(fā)生整體性的大規(guī)模失穩(wěn)。

目前，區(qū)內(nèi)傾倒變形岸坡的工程建設(shè)活動(dòng)主要為公路路塹邊坡的開挖，開挖形成的路塹邊坡坡高5～10 m，開挖坡比1∶0.75。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，公路路塹邊坡整體穩(wěn)定性較好，僅雨季局部發(fā)生垮塌、掉塊。

3.2 傾倒變形岸坡穩(wěn)定性分析方法

3.2.1 傾倒折斷型岸坡穩(wěn)定性分析方法

對(duì)于已經(jīng)發(fā)生傾倒折斷的岸坡，可將根部折斷面作為滑動(dòng)面，采用極限平衡方法進(jìn)行穩(wěn)定性分析。但由于根部折斷面呈鋸齒狀或階梯狀，一般不會(huì)發(fā)生整體滑動(dòng)破壞。

Goodman和Ray[10]最早提出了分析傾倒邊坡穩(wěn)定性的極限平衡法。這一方法的基本原理是將滑坡體用反傾向的結(jié)構(gòu)面切割成n個(gè)寬度為ΔL的矩形條塊，對(duì)于任一條塊，作用其上的力將使該條塊處于穩(wěn)定、傾倒破壞和滑動(dòng)3種狀態(tài)。相鄰兩個(gè)滑塊在側(cè)面和各自的底面滿足摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則。已知條塊上側(cè)作用力的合力，可根據(jù)力的平衡求得下側(cè)的合力，對(duì)傾倒塊體，將各作用力對(duì)條塊下端點(diǎn)取矩。傾倒折斷型的破壞模式是巖層呈薄層板梁式折斷，屬脆性破壞。對(duì)于發(fā)生傾倒折斷型的邊坡，Goodman-Ray法是合適的。

3.2.2 傾倒彎曲型岸坡穩(wěn)定性分析方法

對(duì)于傾倒彎曲型，傾倒巖體能承受較大塑性變形而仍保持其完整性和強(qiáng)度，具有延性破壞的特征，巖層發(fā)生的是塑性彎曲變形而不是巖塊轉(zhuǎn)動(dòng)，因此Goodman-Ray法是不合適的。

極限平衡分析方法的缺點(diǎn)是不能反映巖體內(nèi)部真實(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，所求穩(wěn)定性系數(shù)是滑動(dòng)面上的平均值，帶有一定的假定性。因此，無法分析巖體從變形到破壞的發(fā)生、發(fā)展過程，也無法考慮累進(jìn)性破壞對(duì)巖體穩(wěn)定性的具體影響[8]。而且，傾倒彎曲型岸坡底彎面僅僅是發(fā)生彎曲而沒有形成貫通的結(jié)構(gòu)面，所以將底彎面作為滑動(dòng)面，采用極限平衡法來計(jì)算岸坡穩(wěn)定性是不合適的。建立在非連續(xù)介質(zhì)模型基礎(chǔ)上的應(yīng)力應(yīng)變分析方法，可能是分析傾倒邊坡更為有效的手段[10]。

傾倒揉皺彎曲型是在傾倒彎曲的基礎(chǔ)上疊加了冰川的推覆作用而發(fā)生褶曲，其穩(wěn)定性分析方法與傾倒彎曲型類似。

3.3 傾倒變形岸坡的發(fā)展趨勢(shì)

3.3.1 傾倒折斷型岸坡的發(fā)展趨勢(shì)

這種類型的傾倒是剛性的結(jié)構(gòu)變形，通常表現(xiàn)為“折而立斷”，形成明顯的根部折斷面。由于折斷面形態(tài)較為復(fù)雜，呈鋸齒狀或階梯狀，一般不會(huì)產(chǎn)生沿該面的整體滑動(dòng)，而多表現(xiàn)為前部開挖失去“支撐”后，由前部向后部逐級(jí)后退式破壞。

3.3.2 傾倒彎曲型、傾倒揉皺彎曲型岸坡的發(fā)展趨勢(shì)

鮑杰等[3]將岸坡巖體傾倒破裂的形成與演變歸納為4個(gè)階段，依次為：卸荷回彈—傾倒蠕變發(fā)展階段；層內(nèi)拉張、切層張剪破裂發(fā)展階段；彎曲—折斷變形破裂發(fā)展階段；底部滑移—后緣深部折斷面貫通破壞階段等。從區(qū)內(nèi)岸坡的變形特征來看，傾倒巖體與正常產(chǎn)狀巖體界面主要為彎曲變形，僅斷續(xù)折斷，處于第三階段的彎曲變形期。傾倒彎曲型岸坡隨著河流的不斷下切，巖層在長(zhǎng)期的自重作用下發(fā)生的蠕變或流變，是地質(zhì)歷史過程中的產(chǎn)物。通常傾倒變形巖體厚度較大，但由于巖體具有延性彎曲的特點(diǎn)，表現(xiàn)為“折而不斷”，除了傾倒巖體淺部的墜覆和松馳外，短期內(nèi)產(chǎn)生深層失穩(wěn)的可能性不大。

4 結(jié)論

玉曲河下游河谷由板巖組成的岸坡傾倒變形主要有傾倒折斷型、傾倒彎曲型和傾倒揉皺彎曲型3種類型。

1)傾倒折斷型發(fā)生在階地前緣陡坎表層，巖層側(cè)向約束和圍壓很小，巖體呈脆性狀態(tài)，在自身重力作用下，呈薄層板梁狀向坡外轉(zhuǎn)動(dòng)、根部折斷而傾覆在原狀基巖上?？刹捎脴O限平衡方法進(jìn)行穩(wěn)定性分析，但根部折斷面呈鋸齒狀或階梯狀，一般不會(huì)發(fā)生整體滑動(dòng)破壞，岸坡失穩(wěn)多表現(xiàn)為由前部向后部逐級(jí)后退式破壞。

2)傾倒彎曲型是地質(zhì)歷史過程中長(zhǎng)期作用的產(chǎn)物，發(fā)生在Ⅱ級(jí)階地以上坡度中等的斜坡，傾倒巖體厚度較大，巖體的側(cè)向約束力和圍壓較大，巖體呈延性狀態(tài)，在自重長(zhǎng)期作用下，發(fā)生類似懸臂梁的彎曲變形。穩(wěn)定性分析方法以建立在非連續(xù)介質(zhì)模型基礎(chǔ)上的應(yīng)力應(yīng)變分析方法為好。由于巖體具有延性彎曲的特點(diǎn)，表現(xiàn)為“折而不斷”，除了傾倒巖體淺部的墜覆和松馳外，短期內(nèi)產(chǎn)生深層失穩(wěn)的可能性不大。

3)傾倒揉皺彎曲型的形成機(jī)理、穩(wěn)定性分析方法、發(fā)展趨勢(shì)與傾倒彎曲型類似，僅是在傾倒彎曲的基礎(chǔ)上疊加了冰川的推覆作用而發(fā)生褶曲。