張 明，王章瓊*，范 堯

1.武漢工程大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430074；

2.山東省水利勘測設計院，山東 濟南 250013

傾倒變形體一般是反傾邊坡巖體在自重彎矩及外力共同作用下向坡面方向發(fā)生彎曲-拉裂破壞而形成的不穩(wěn)定巖體［1-3］。據統(tǒng)計，我國傾倒變形體主要分布于西南及西部地區(qū)，具有規(guī)模大、數量多且分布集中、易發(fā)性高等特點，尤其在西南流域水利水電工程中傾倒變形體發(fā)育最豐富［4-6］。傾倒變形體發(fā)育與多種因素有關，其中地質背景是重要內因，對其形成演化起控制性作用。目前，對傾倒變形體的研究主要集中在變形機理、穩(wěn)定性分析和發(fā)育特征等方面［7-12］。在地質背景對傾倒變形體發(fā)育影響方面，也有學者開展過研究，并取得了一些成果。如陸文博等［13］采用層次分析法和信息量研究了我國西部傾倒變形體的區(qū)域地質與地理位置易發(fā)性，發(fā)現西南各流域傾倒變形體易發(fā)性較高；邱俊等［14］根據所統(tǒng)計反傾邊坡傾倒變形體案例，得出傾倒變形體的分布面積和傾倒深度與坡高正相關的規(guī)律；程東幸等［15］通過對反傾邊坡的結構因素、巖體和層面參數因素以及地應力等進行正交數值模擬，得到了優(yōu)勢巖層傾角的范圍。上述研究分析了區(qū)域地質、地理位置、坡高、邊坡地質結構、巖體和層面參數等因素對傾倒變形體發(fā)育的影響。由于影響傾倒變形體發(fā)育的地質背景因素多而復雜，綜合考慮多種影響因素，顯然更有利于揭示傾倒變形體發(fā)育規(guī)律與地質背景條件的內在聯系。

貢獻率［16］是分析經濟效益的一種指標。近年來，學者開始采用貢獻率法來研究不同影響因子與不良地質體發(fā)育的相關性。如王章瓊等［17］采用貢獻率法分析了滑坡地形坡度，得出了不同地形坡度對滑坡的貢獻程度；喬建平等［18］采用貢獻率法分析了滑坡與環(huán)境本底因子的區(qū)域相關關系，得到巖性、坡度、坡形、高差、坡向5個主要因子的貢獻量，并評價了各個因子對滑坡發(fā)育的貢獻程度；劉杰等［19］對不同巖層的變形模量、黏聚力和內摩擦角進行整體和局部折減計算其安全系數，得出不同參數在不同位置下對特定邊坡穩(wěn)定性的貢獻率；成永剛等［20］利用貢獻率法研究了我國各省滑坡貢獻率，得出了各省滑坡貢獻率并按貢獻率大小對各省份進行分類。基于此，本文采用貢獻率法研究地質背景條件對傾倒變形體發(fā)育的影響程度。研究結果可為傾倒變形體安全性評估及防護設計提供參考。

1 傾倒變形體數據庫資料

本文以 47 處大型傾倒變形體案例［3-4，14，21-50］建立數據庫，如表1所示。地質背景影響因子在傾倒變形體發(fā)育的過程中起至關重要作用，其中常見地質背景影響因子有巖層傾角、坡角、坡高、地貌類型、邊坡地質結構、巖層厚度、地震峰值加速度、巖性、巖層面與坡面夾角等。根據目前所掌握的相關資料，本文選取地貌類型、邊坡地質結構、巖層傾角、坡角、坡高、巖層厚度及地震峰值加速度等7個影響因子，將各因子劃分為不同區(qū)間（類），劃分情況如表2～表6所示。

2 地質背景影響因子數量貢獻率

2.1 貢獻率

通過貢獻率可計算出傾倒變形體地質背景影響因子的數量貢獻率，進而可得出各地質背景影響因子與其數量貢獻率之間的關系曲線。各地質背景影響因子區(qū)間（類）的數量貢獻率計算公式為：

式（1）中 m為地質背景影響因子集，m∈(aj，bj，cj，dj，ej，fj，gj)，aj為不同巖層傾角區(qū)間，bj為不同坡角區(qū)間，cj為不同坡高區(qū)間，dj為不同地貌類型，ej為不同邊坡地質結構，fj為不同巖層厚度，gj為不同地震峰值加速度；Oi(m)為各地質背景影響因子區(qū)間（類）的傾倒變形體數量，Qi(m)為各地質背景影響因子區(qū)間（類）的傾倒變形體數量貢獻率；Nk為傾倒變形體總數。利用式（1）可得各地質背景影響因子與其數量貢獻率之間的關系曲線，如圖1所示。

2.2 地質背景影響因子數量貢獻率分析

由圖1（a）可知，巖層傾角為［70～90°］時，巖層傾角的傾倒變形體數量貢獻率最大；巖層傾角為［50～70°）時，巖層傾角的傾倒變形體數量貢獻率中等；巖層傾角＜50°時，巖層傾角的傾倒變形體數量貢獻率最小。本文所選取傾倒變形體均由反傾邊坡發(fā)育而來，斜坡坡肩處巖層在重力作用下呈現拉裂狀態(tài)，巖層易沿節(jié)理面開裂，同時地表水沿裂隙進入巖層形成靜水壓力。在這兩種地質作用下，巖層彎曲折斷，巖層傾角為［70～90°］的斜坡由于早期破壞已趨于穩(wěn)定，而目前巖層傾角為［50～70°）斜坡更容易發(fā)生傾倒變形。

由圖1（b）可知，當坡角為［40°～50°）時，坡角的傾倒變形體數量貢獻率最大；當坡角為［50～60°）或＜40°時，坡角的傾倒變形體數量貢獻率偏低；當坡角≥70°時，坡角的傾倒變形體數量貢獻率最低。坡角的大小可以改變斜坡內的應力分布，坡角處的剪力集中帶和坡肩附近的張力帶的大小及范圍均會隨著坡角的增大而增大?，F階段，由于坡角 ≥ 70°和［50～60°）的斜坡經過多次地質作用已經趨于穩(wěn)定，坡角＜40°的斜坡由于較緩而不易發(fā)生破壞，坡角處于［40～50°）的斜坡經過長期地質作用，巖質松散，節(jié)理發(fā)育豐富，在降雨或地震等條件下極易發(fā)生破壞。

表1 傾倒變形體數據庫Tab.1 Database of toppling deformation of rock mass

表2 巖層傾角、坡角區(qū)間劃分Tab.2 Classification of dip angle of rock stratum and slope angle

表3 坡高區(qū)間、地貌類型劃分Tab.3 Classification of slope height and geomorphic type

表4 傾倒變形體地質結構分類Tab.4 Classification of geological structure of slope

表5 邊坡巖層厚度分類Tab.5 Classification of thickness of rock stratum

表6 傾倒變形體地震峰值加速度分類Tab.6 Classification of peak seismic acceleration

由圖1（c）可知，當坡高為［100～200 m）或≥400 m時，坡高的傾倒變形體數量貢獻率最高；當坡高＜100 m時，坡高的傾倒變形體數量貢獻率中等；當坡高為［200～400 m）時，坡高的傾倒變形體數量貢獻率最低。隨著坡高的增大，應力值隨之增大，當應力值超過坡體介質極限強度時，坡體發(fā)生破壞。坡高為［100～200 m）的斜坡多為受人類工程活動影響而發(fā)生傾倒破壞，而坡高≥400 m的斜坡由于其應力值過大容易發(fā)生變形破壞。

由圖1（d）可知，地貌類型為高原和山地的傾倒變形體數量貢獻率最高，地貌類型為盆地的傾倒變形體數量貢獻率偏低，地貌類型為丘陵和平原的傾倒變形體數量貢獻率最低。我國的高原和山地地區(qū)普遍分布于西南及西部山區(qū)，該地區(qū)較其他地區(qū)有以下幾個特點：風化作用較其他地區(qū)強烈；斜坡陡傾；是我國地震帶主要的分布地區(qū)。綜合以上因素可知，高原與山區(qū)容易發(fā)生斜坡的傾倒變形破壞。

由圖1（e）可知，邊坡地質結構為軟硬互層時，反傾邊坡發(fā)生傾倒變形的概率最大；邊坡地質結構為結構均一時，對反傾邊坡發(fā)生傾倒變形的概率中等；邊坡地質結構為上硬下軟和上軟下硬時，反傾邊坡發(fā)生傾倒變形的概率最低，邊坡地質結構為軟硬互層的斜坡：由于軟巖與硬巖之間存在節(jié)理面而未能形成高度統(tǒng)一的整體，因此整個斜坡的穩(wěn)定性較弱。

由圖1（f）可知，當巖層厚度組合為薄、薄～極薄、薄～中厚時，巖層厚度的傾倒變形體數量貢獻率最高；當巖層厚度為中厚時，巖層厚度的傾倒變形體數量貢獻率中等；當巖層厚度組合為厚、薄～厚、中厚～厚時，巖層厚度的傾倒變形體數量貢獻率最低。薄巖層在重力作用下壓碎形成軟弱夾層，故巖層組合為薄、薄～極薄、薄～中厚的斜坡巖質松散，裂隙高度發(fā)育，斜坡穩(wěn)定性低，易在降雨地震等條件下發(fā)生變形破壞。

由圖1（g）可知，地震峰值加速度≥0.15g時，地震峰值加速度的傾倒變形體數量貢獻率最大；地震峰值加速度＜0.05g時，地震峰值加速度的傾倒變形體數量貢獻率中等；地震峰值加速度為0.10g和0.05g時，地震峰值加速度的傾倒變形體數量貢獻率最低。地震峰值加速度越大，表明該地區(qū)地質活動越強裂。在長期的地質演化過程中，地震峰值加速度≥0.15g的地區(qū)，大多數不穩(wěn)定斜坡受地震作用早已發(fā)生破壞，而地震峰值加速度為0.10g和0.05g的地區(qū)經過長期地質營力作用，坡體遭到嚴重侵蝕，現階段在作用影響下極易發(fā)生變形破壞。

圖1 地質背景影響因子與其數量貢獻率之間的關系曲線：（a）傾角，（b）坡角，（c）坡高，（d）地貌類型，（e）邊坡地質結構，（f）巖層厚度，（g）地震峰值加速度Fig.1 Relationships between geological background factors and their quantitative contribution rates：（a）dip angle of rock stratum，（b）slope angle，（c）slope height，（d）geomorphic type，（e）geological structure of slope，（f）thickness of rock stratum，（g）peak seismic acceleration

3 傾倒變形體影響因子貢獻程度評價

由式（1）計算各影響因子不同區(qū)間（類）的貢獻率，然后根據貢獻率大小將不同影響因子按區(qū)間（類）劃分為高、中、低3個等級（見表7）。本文通過研究傾倒變形體發(fā)育影響因子貢獻率，得出了影響因子各區(qū)間對傾倒變形體發(fā)育的貢獻程度大小。結果表明：

表7 地質背景因子的貢獻率分類Tab.7 Classification of contribution rates for geological background factors

1）地貌類型為高原或山地、邊坡地質結構類型為軟硬互層、巖層傾角為［70～90°］、坡角為［40～50°）、坡高為［100～200 m）或≥400 m、巖層厚度以薄層為主、地震峰值加速度≥0.15g的一類地質背景條件，對傾倒變形體發(fā)育的貢獻率最高。

2）地貌類型為盆地、邊坡地質結構類型為結構均一、巖層傾角為［50～70°）、坡角為［50～60°）或＜40°、坡高＜100 m、巖層厚度以中厚層為主、地震峰值加速度＜0.05g的一類地質背景，對傾倒變形體發(fā)育的貢獻率中等。

3）地貌類型為平原或丘陵、邊坡地質結構類型為上硬下軟或上軟下硬、巖層傾角＜50°、坡角為［60～90°］、坡高為［200～400 m）、巖層厚度以厚層為主、地震峰值加速度＜0.05g的一類地質背景，對傾倒變形體發(fā)育的貢獻率最低。貢獻率法分析傾倒變形體發(fā)育影響因子的貢獻程度可為我國反傾邊坡安全性評估和工程防護提供參考。

4 結 語

本文通過統(tǒng)計國內傾倒變形體案例，并采用貢獻率分析法對傾倒變形體地質背景影響因子進行貢獻率研究，得出結論如下：

1）地貌類型為高原或山地、邊坡地質結構類型為軟硬互層、巖層傾角為［70～90°］、坡角為［40～50°）、坡高為［100～200 m）或≥400 m、巖層厚度以薄層為主、地震峰值加速度≥0.15g的一類地質背景條件，對傾倒變形體發(fā)育的貢獻率最高。

2）本文通過貢獻率法分別得出了巖層傾角、坡角、坡高、地貌類型、邊坡地質結構、巖層厚度、地震峰值加速度的貢獻率曲線，可知地質背景影響因子不同區(qū)間（類）對傾倒變形發(fā)育的貢獻程度有著明顯差異。

3）分析結果表明我國傾倒變形體主要發(fā)育于地震峰值加速度≥0.15g的高原地區(qū)。該區(qū)域位于地中海-喜馬拉雅地震帶，地殼運動活躍，因此在該區(qū)域地震峰值加速度對傾倒變形體的發(fā)育起著極其重要的作用。