張虎 鄭宇 余清濤 沈文超

摘 要：通過對(duì)邊坡傾倒全過程的分析，提出了邊坡傾倒破壞的“傾倒自穩(wěn)狀態(tài)”，基于此推導(dǎo)了自穩(wěn)狀態(tài)巖層傾角表達(dá)式，從表達(dá)式可見，自穩(wěn)狀態(tài)巖層傾角只與整體破壞面的傾角及巖層初始傾角有關(guān)。本理論的提出，對(duì)工程建設(shè)具有較好的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：反傾；巖質(zhì)邊坡；傾倒過程；自穩(wěn)

傾倒破壞是巖質(zhì)邊坡的一種典型失穩(wěn)模式，常發(fā)生于反傾巖質(zhì)邊坡中。國內(nèi)外的水利水電、礦山等工程活動(dòng)都出現(xiàn)了大量邊坡傾倒破壞的現(xiàn)象，如國內(nèi)的小灣水電站飲水溝邊坡[1]、羊曲水電站邊坡[2]等，國外的加拿大Frank 滑坡[3]、秘魯?shù)腉hurgar 巖崩[4]等。

二十世紀(jì)六十年代初，人們才開始逐漸認(rèn)識(shí)到反傾向巖體邊坡的工程地質(zhì)問題，并開始加以研究。1976年，Goodman和Bray[5]首次對(duì)巖質(zhì)邊坡的傾倒破壞進(jìn)行了系統(tǒng)的歸納研究，并提出了一種分析塊狀傾倒破壞的極限平衡法（G-B法）。隨著后續(xù)研究的深入，不同學(xué)者[6-7]對(duì)G-B法計(jì)算模型進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。對(duì)傾倒破壞的破壞機(jī)理與傾倒影響因素的研究，主要通過模型試驗(yàn)方法[8]和數(shù)值模擬方法[9]展開。

學(xué)者們對(duì)傾倒邊坡展開了廣泛深入的研究，但對(duì)傾倒全過程巖層特征的研究較少。分析邊坡傾倒破壞過程的特征，有助于判別邊坡所處的變形狀態(tài)及趨勢，進(jìn)而開展相應(yīng)的評(píng)價(jià)。

1 反傾巖質(zhì)邊坡傾倒過程分析

在陡傾坡內(nèi)的堅(jiān)硬層板狀巖體，巖體在自重力矩的作用下，向臨空方向作懸臂梁式傾倒，隨著巖體傾倒變形的加劇，巖層之間相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，出現(xiàn)層面分離現(xiàn)象，此時(shí)巖層間的接觸關(guān)系由面接觸轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)（線）接觸。隨著傾倒變形的進(jìn)一步發(fā)展，巖層之間的錯(cuò)動(dòng)逐漸增大，巖層層面之間逐漸接近以致緊密貼合，層面間的接觸關(guān)系又由點(diǎn)（線）接觸變成了面接觸，對(duì)于此時(shí)的單個(gè)巖層來說，巖層不會(huì)產(chǎn)生進(jìn)一步的傾倒，即邊坡處于一種不再傾倒變形的相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，本文稱之為“傾倒自穩(wěn)狀態(tài)”（以下簡稱“自穩(wěn)狀態(tài)”）。

總結(jié)以上分析，反傾巖質(zhì)邊坡傾倒過程可分為三個(gè)階段：初始階段、傾倒變形發(fā)展階段、自穩(wěn)階段。

2 傾倒邊坡自穩(wěn)特征分析

取任一巖層i及其相鄰巖層i+1，i-1進(jìn)行分析，幾何模型如圖1所示。邊坡達(dá)到自穩(wěn)狀態(tài)時(shí)， i+1層底面與i-1層頂面的垂直距離應(yīng)為巖層厚度t，以此為基礎(chǔ)展開分析：

以巖層i的轉(zhuǎn)點(diǎn)O為圓心，做以巖層厚度t為半徑的圓O，以i+1巖層的轉(zhuǎn)點(diǎn)M做圓O的切線MN，則MN的傾角即為達(dá)到自穩(wěn)狀態(tài)時(shí)的巖層傾角，將其定義為自穩(wěn)傾角ω。由圖中幾何關(guān)系可得以下等式：

其中，β為巖層傾角，ζ為傾倒巖層從初始狀態(tài)到自穩(wěn)狀態(tài)的角位移，δ為整體破壞面與巖層法線的夾角，θ為整體破壞面的傾角，ψ為層面法線與水平面的夾角。

由式（1）可得：

ω=180°-2θ-β（2）

此即為傾倒邊坡達(dá)到自穩(wěn)狀態(tài)時(shí)的巖層傾角表達(dá)式。從表達(dá)式可看出，ω只與整體破壞面的傾角及巖層初始傾角有關(guān)。

3 工程應(yīng)用

本文提出的理論具有較好的工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。在獲得傾倒邊坡破壞面傾角及坡面巖層傾角時(shí)，代入式（2）進(jìn)行分析，若此時(shí)巖層傾角大于自穩(wěn)狀態(tài)時(shí)的傾角，則表明該邊坡仍有進(jìn)一步產(chǎn)生傾倒的可能。判斷邊坡所處的狀態(tài)對(duì)工程建設(shè)有很大的指導(dǎo)作用。對(duì)達(dá)到自穩(wěn)狀態(tài)之前的傾倒邊坡，削坡或坡腳開挖等工程活動(dòng)都會(huì)對(duì)邊坡造成擾動(dòng)，改變邊坡的應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而加劇邊坡的傾倒變形。雖然邊坡可能在此過程中達(dá)到自穩(wěn)狀態(tài)，但由于應(yīng)力的突然釋放，邊坡達(dá)到自穩(wěn)狀態(tài)時(shí)往往并不能立即停止變形，將直接過渡到崩塌或滑坡狀態(tài)。而對(duì)于自穩(wěn)狀態(tài)的邊坡，由于沒有進(jìn)一步傾倒的能力及空間，工程建設(shè)對(duì)其評(píng)價(jià)時(shí)，則主要考慮開挖引起其整體滑動(dòng)的可能性。

4 結(jié)論

（1）基于對(duì)反傾巖質(zhì)邊坡傾倒的過程分析，提出了邊坡傾倒的“傾倒自穩(wěn)狀態(tài)”，即邊坡達(dá)到傾倒極限后的相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

（2）推導(dǎo)了自穩(wěn)狀態(tài)巖層的傾角表達(dá)式，從表達(dá)式可看出，巖層自穩(wěn)傾角只與整體破壞面的傾角及巖層初始傾角有關(guān)。

（3）本文提出的理論可用于指導(dǎo)邊坡工程實(shí)踐，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

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