趙 小 平， 張 世 殊， 冉 從 彥， 胡 金 山， 許 源

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

從20世紀(jì)70年代以來(lái)，傾倒變形體已得到了巖土工程界的高度重視，并取得了較為成熟的成果。 國(guó)外學(xué)者如Frietas和Watters[1]在1973年明確將傾倒變形作為一種特殊的邊坡變形類型；Goodman和Bray[2-4](1976)將傾倒破壞形式分成了三大類，即彎曲式傾倒、巖塊式傾倒、巖塊彎曲復(fù)合式傾倒，并基于極限平衡理論最早提出了傾倒穩(wěn)定分析方法(簡(jiǎn)稱G-B法)；之后，由Caner Zanbak，Aydan，Bobet等[5-9]人建立了基于靜力平衡方法的傾倒變形破壞問(wèn)題的分析方法；Cruden和Hu[10]在Alberta(1994)發(fā)現(xiàn)了貫通性不連續(xù)面傾向與坡向一致，但傾角比坡腳陡的邊坡存在大量的傾倒變形現(xiàn)象，即順層傾倒，并將其分為塊狀彎曲傾倒(Block flexure topple)、多重塊體傾倒(Multiple block topple)和人字型傾倒(Chevron topple)三種基本類型。國(guó)內(nèi)對(duì)傾倒變形的研究起步較晚，國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者在傾倒變形體變形機(jī)制及規(guī)律研究方面的成果大致從巖體結(jié)構(gòu)的控制作用，地應(yīng)力的作用與釋放，或風(fēng)化作用等不同因素探討了反傾巖體變形破壞的機(jī)理。王蘭生、張倬元等[11]詳細(xì)討論了傾倒變形發(fā)育的坡體結(jié)構(gòu)條件及演化發(fā)展過(guò)程，闡述了其啟動(dòng)機(jī)制并建立了相應(yīng)的失穩(wěn)判據(jù)。韓貝傳、王思敬[12](1999)把傾倒變形的影響因素歸納為：初始應(yīng)力場(chǎng)、邊坡初始坡型、邊坡開挖深度與角度、巖體與層面力學(xué)參數(shù)、層面幾何特性即層面間距與傾角、開挖后地下水位變化、巖體對(duì)歷史上應(yīng)力與變形的記憶功能等。但隨著工程建設(shè)需求的增長(zhǎng)，礦山開采、水電開發(fā)等工程活動(dòng)日益頻繁，傾倒變形現(xiàn)象在黃河小浪底、紅水河龍灘、岷江紫坪鋪、雅礱江錦屏、瀾滄江小灣、大渡河金川、金沙江虎跳峽、白龍江苗家壩等水利水電工程中具有此類地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件的邊坡被大量發(fā)現(xiàn)和揭露，并引起了眾多國(guó)內(nèi)學(xué)者的關(guān)注，諸多學(xué)者充分運(yùn)用傾倒變形體的主要研究方法，如物理模擬方法、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析法、極限平衡分析法及數(shù)值模擬法，在傾倒變形體變形破壞特征及形成機(jī)理等方面取得了更加深刻的認(rèn)識(shí)。如黃潤(rùn)秋[13](2004)在對(duì)中國(guó)高邊坡的系統(tǒng)性總結(jié)中，明確將壓縮—傾倒納入傾倒變形的范疇，并依據(jù)邊坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同及相應(yīng)變形表現(xiàn)形式的差異，進(jìn)一步將其劃分為壓縮-傾倒-拉裂型和壓縮-傾倒-剪脹型兩類；陳孝兵等[14]用底摩擦試驗(yàn)?zāi)M分析瀾滄江某水電站壩肩反傾邊坡的傾倒變形巖體進(jìn)一步發(fā)展演變過(guò)程及特征；蔡國(guó)軍等[15]采用不同材料配比進(jìn)行試驗(yàn)，在不同開挖坡比的條件下，研究分析錦屏一級(jí)水電站壩址左岸反傾邊坡的變形破裂響應(yīng)。

盡管目前針對(duì)傾倒變形體的分類、變形演化及穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)等方面均有重要的研究成果，但對(duì)于傾倒變形體的系統(tǒng)性的分布規(guī)律及發(fā)育特征等尚未有報(bào)道。本文主要依托多年來(lái)水電工程實(shí)踐過(guò)程中所遇到的傾倒變形問(wèn)題，基于21個(gè)反向坡傾倒變形體及10個(gè)順向坡傾倒變形體的發(fā)育特征及分布規(guī)律統(tǒng)計(jì),對(duì)其發(fā)育位置、發(fā)育條件、空間分布及巖性組合等方面進(jìn)行系統(tǒng)性的分析總結(jié)，為傾倒變形體的初步判識(shí)、勘察評(píng)價(jià)及危害防治等提供分析基礎(chǔ)。

2 水電工程傾倒變形體的發(fā)育特征

與其他類型的斜坡變形破壞一樣，傾倒變形體有其特定的發(fā)育環(huán)境，并非在各種條件下均能發(fā)生傾倒變形現(xiàn)象。一般來(lái)說(shuō)，斜坡的變形破壞形式受控于其所處的地質(zhì)環(huán)境特征。地質(zhì)環(huán)境是地質(zhì)體所處的環(huán)境，包括地形地貌特征、巖性特征等條件。本文通過(guò)搜集國(guó)內(nèi)近幾十年來(lái)較為典型的傾倒變形體，分析其坡體發(fā)育的空間分布特征、坡體地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖性組合、微地貌特征以及變形破壞特征等，進(jìn)而得出傾倒變形體發(fā)育的地質(zhì)環(huán)境條件，為分析傾倒變形體影響因素提供依據(jù)。

2.1 水電工程傾倒變形體發(fā)育特征統(tǒng)計(jì)

(1)反向坡傾倒變形發(fā)育特征統(tǒng)計(jì)。早期從事巖石力學(xué)與工程地質(zhì)的學(xué)者和工程師認(rèn)為反傾層狀巖質(zhì)邊坡由于沒(méi)有變形空間，一般是自穩(wěn)邊坡，通常不會(huì)發(fā)生大規(guī)模的變形破壞，而是一些小規(guī)模的崩塌落石。隨著工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的豐富和認(rèn)識(shí)的不斷深入，人們逐漸認(rèn)識(shí)到在各類反傾巖質(zhì)邊坡中可以發(fā)生變形破壞，甚至是大型深層的滑動(dòng)破壞。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，并非所有反傾巖質(zhì)邊坡均會(huì)發(fā)生傾倒變形現(xiàn)象，正如并非所有的坡體都會(huì)發(fā)生滑坡一樣，發(fā)生該變形破壞事件在眾多的反傾巖質(zhì)斜坡中只是少數(shù)。因此，通過(guò)對(duì)傾倒體進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出發(fā)生傾倒變形的坡體發(fā)育的地質(zhì)環(huán)境特征，有助于獲取影響坡體發(fā)生傾倒變形的因素，有利于傾倒變形體的早期判識(shí)。近年來(lái)國(guó)內(nèi)較為典型的反向坡傾倒變形體的變形破壞特征統(tǒng)計(jì)情況(表1)。

基于上述傾倒變形體的發(fā)育特征統(tǒng)計(jì)，筆者將從順向坡及反向坡兩種情況分別闡述傾倒變形體在發(fā)育地貌特征及巖性組合上的差異及規(guī)律。

2.2 水電工程傾倒變形發(fā)育地貌特征

(1)反向坡傾倒變形發(fā)育地貌特征。反向坡傾倒變形發(fā)育坡角一般大于30°，以40°～50°最為多。坡體相對(duì)高差以100～200 m和300～400 m居多，相對(duì)高差在500 m以上的坡體僅占1/4(圖1)。

(2)順向坡傾倒變形發(fā)育特征統(tǒng)計(jì)。作為一類近期才被認(rèn)識(shí)的邊坡變形失穩(wěn)形式，順向坡傾倒變形應(yīng)當(dāng)引起足夠重視。在這類邊坡中，由于巖層沒(méi)有滑移邊界和空間，故其變形失穩(wěn)的邊界需要一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)形成。在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，巖體可以發(fā)生充分的表生改造和時(shí)效變形，巖體質(zhì)量充分劣化，容易形成大規(guī)模的滑坡。對(duì)部分典型的順層巖質(zhì)邊坡傾倒變形體的變形發(fā)育特征統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)表2)。

表1 反向坡傾倒變形體發(fā)育基本特征

編號(hào)位置變形破壞特征微地貌18糯扎渡水電站傾倒變形體開挖揭露坡面張裂裂隙,較陡的裂隙多張開,充填巖屑,剖面可見(jiàn)彎曲現(xiàn)象,坡腳有墜覆巖塊。巖層間錯(cuò)動(dòng),巖塊呈脆性折斷,下部斷層帶壓縮變形凸形坡,坡面總體較平順19如美水電站傾倒變形體坡表拉裂,傾倒程度強(qiáng)烈,局部巖體架空,巖層彎折,層間錯(cuò)動(dòng)形成反坡臺(tái)坎。坡表松動(dòng)架空,層內(nèi)拉裂,根部張剪,切層破壞,呈脆性破壞微凸形坡,河流拐彎,坡表沖溝發(fā)育20獅子坪水電站二古溪傾倒變形體坡體中后部出現(xiàn)多處拉裂縫,坡體前緣公路隧道襯砌受擠壓開裂掉塊,洞壁內(nèi)斂,路面隆起、開裂。邊坡噴砼開裂,橋梁受推擠移位。前緣坡體發(fā)生局部垮塌。巖層發(fā)生彎曲變形,坡表巖體松弛、墜覆,近坡表巖體破碎,傾角較小,向坡內(nèi)逐漸增加,巖體完整性逐漸變好凸形坡,中部呈脊?fàn)?坡體前緣較陡21黃河班多水電站1號(hào)傾倒體傾角隨深度的增大有增大的趨勢(shì),由于巖層彎曲變形,導(dǎo)致巖層沿板理或?qū)娱g軟弱帶產(chǎn)生拉張錯(cuò)動(dòng),形成楔形張裂縫,局部有巖體的折斷現(xiàn)象。由于板巖為薄層～極薄層構(gòu)造,巖質(zhì)軟弱,易風(fēng)化,總體呈現(xiàn)連續(xù)變形現(xiàn)象坡面不平順,完整性較差

表2 順向坡傾倒變形體發(fā)育基本特征

斜坡在縱斷面上多為凸起形，凸起部位多位于坡體中下部，其斜下方?jīng)]有阻擋，臨空條件相對(duì)較好，容易發(fā)生變形。多數(shù)斜坡坡表沖溝發(fā)育，坡面完整性較差，在平切面上呈弧形凸出，上下游側(cè)約束作用較弱，應(yīng)力釋放充分，坡體松弛。部分坡體處于河流凸岸，或位于兩河交匯的單薄山體處，處于三面臨空狀態(tài)，變形空間較充足。

圖1 反向坡傾倒變形發(fā)育地貌特征

(2)順向坡傾倒變形發(fā)育地貌特征。順向坡傾倒變形發(fā)育坡度一般在30°以上，多發(fā)育在30°～60°的斜坡中(圖2)，坡體前緣陡立，臨空條件好。平面位置上多發(fā)生在河流凸岸或山脊部位，其兩側(cè)沖溝發(fā)育，側(cè)面約束條件較差，臨空條件好，坡體松弛卸荷強(qiáng)烈。如碧口水電站青崖嶺順向傾倒變形體位于白龍江左側(cè)凸岸的山嘴上，且兩側(cè)有沖溝發(fā)育；孟家干溝順向傾倒變形體兩側(cè)沖溝切割較深，坡體呈脊?fàn)?，前緣較陡；怒江俄米電站1號(hào)傾倒變形體位于“Z”字形河段，上游側(cè)被F7斷裂及沖溝切割，下游側(cè)為河流拐彎處，坡體位于孤立的山體上，三面臨空。傾倒斜坡坡高常大于100 m，多發(fā)育在坡高400 m及以上的坡體中。

圖1、2的地貌特征統(tǒng)計(jì)反向坡及順向坡的傾倒變形發(fā)育地貌特征。對(duì)于反向坡體，其坡度相對(duì)較大，以40°～50°最為發(fā)育；而對(duì)于順向坡，由于巖層傾向坡外，坡面陡立時(shí)容易發(fā)生順層滑移使坡度減小，故其坡度一般較小，以30°～50°較為發(fā)育。此外，由于發(fā)育傾倒變形的順向坡巖性較軟弱，容易遭受風(fēng)化剝蝕，也難以形成陡立斜坡。傾倒變形體坡高數(shù)百米，在縱剖面上多為凸形坡，坡面完整性差。傾倒變形受微地貌影響顯著，兩側(cè)沖溝發(fā)育的孤立脊?fàn)钌襟w、河流凸岸和兩河流交匯的單薄山脊處均容易發(fā)生傾倒變形(圖3)。

圖2 順向坡傾倒變形發(fā)育地貌特征

圖3 傾倒變形體發(fā)育的微地貌特征

另外，在斜坡坡度上，順向坡的坡度主要分布于41°～50°，反向坡的坡度主要分布于31°～40°；在坡體高度上，兩者在100～700 m及以上都有發(fā)育，但順向坡發(fā)育最多的坡體高度主要在300～400 m，反向坡則主要集中于400～500 m。

2.3 水電工程傾倒變形巖性組合特征

(1)反向坡傾倒變形巖性組合特征。反向坡傾倒變形多發(fā)育在變質(zhì)巖或板裂化的堅(jiān)硬巖石中，傾倒體中常見(jiàn)巖性為板巖、千枚巖、片巖、變質(zhì)(粉)砂巖、泥巖、泥灰?guī)r等，在構(gòu)造作用或淺表生改造作用下形成的板裂化花崗巖、英安巖、片麻巖、凝灰?guī)r等坡體中也可見(jiàn)傾倒變形，且通常規(guī)模較大。傾倒變形體在軟巖、似層狀脆性巖、軟硬互層狀或上硬下軟的坡體中均有發(fā)育，以軟硬巖夾層或互層最為常見(jiàn)，這是由其巖性和組合決定的。單一的軟弱變質(zhì)巖容易遭受剝蝕而難以形成高陡坡體，而堅(jiān)硬的砂巖通常橫切結(jié)構(gòu)面發(fā)育，難以形成長(zhǎng)柱。常見(jiàn)規(guī)模較小的傾倒式崩塌，當(dāng)軟硬巖組合時(shí)，硬巖可以抵抗風(fēng)化剝蝕作用而保持坡體高陡，軟巖可以防止坡體中快速形成貫通結(jié)構(gòu)面，從而容易形成大型傾倒變形體。

(2)順向坡傾倒變形巖性組合特征。順向坡傾倒變形多發(fā)育在力學(xué)性質(zhì)較差的變質(zhì)巖體中，以板巖、千枚狀板巖、炭質(zhì)板巖、變質(zhì)砂巖及粉砂巖、砂板巖互層、片巖、千枚巖等居多。這類坡體幾乎全部由軟質(zhì)巖或軟硬互層組成，硬巖占比較小，巖體風(fēng)化卸荷嚴(yán)重，巖體質(zhì)量較差。

綜上所述，傾倒變形可發(fā)育在層狀軟質(zhì)巖系或板裂化的堅(jiān)硬巖石中，常見(jiàn)巖性為各類板巖、片巖、千枚巖、變質(zhì)砂巖(粉砂巖)、泥巖等，在風(fēng)化卸荷和長(zhǎng)期時(shí)效變形條件下的板裂化花崗巖、英安巖、片麻巖等坡體中也可見(jiàn)大規(guī)模傾倒變形現(xiàn)象。傾倒變形體在軟巖、似層狀硬巖、軟硬互層或上硬下軟的層狀坡體中均有發(fā)育，且都可發(fā)展為較大規(guī)模的變形體。反向坡與順向坡傾倒變形體的巖性組成有一些區(qū)別，反向坡體可包含的巖性較為廣泛，常以變質(zhì)軟巖夾較堅(jiān)硬巖的組合出現(xiàn)，也能夠發(fā)育在節(jié)理發(fā)育的脆性巖體中；順向坡傾倒變形坡體的巖性主要是容易發(fā)生變形破壞的板巖、千枚巖、片巖、泥巖等軟質(zhì)巖，且坡表風(fēng)化卸荷較強(qiáng)烈。

3 水電工程傾倒變形體的分布規(guī)律

筆者對(duì)大量?jī)A倒變形坡體特征進(jìn)行總結(jié)與分析，傾倒變形體發(fā)育的地質(zhì)環(huán)境基本特征主要有以下幾點(diǎn)：

(1)傾倒變形體主要沿西部高山峽谷發(fā)育。

通過(guò)對(duì)傾倒變形體分布特征的研究，發(fā)現(xiàn)大型傾倒變形體多沿西部地區(qū)江河流域分布，主要發(fā)育于黃河中上游河段、雅礱江流域、瀾滄江以及白龍江等具有高山峽谷地貌景觀的部位(圖4)。傾倒變形體沿河流岸坡分布的一個(gè)重要原因是這些部位斜坡高陡，卸荷強(qiáng)烈，為傾倒變形提供了良好的臨空條件和變形動(dòng)力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大型傾倒變形體常發(fā)育在西部地區(qū)具有高山峽谷地貌景觀的各江河流域，以黃河、瀾滄江、雅礱江等河流的岸坡最為發(fā)育。大型傾倒變形體沿這些江河流域，以瀾滄江最為發(fā)育。對(duì)于其他遠(yuǎn)離水系的傾倒變形體，其規(guī)模一般較小。

圖4 傾倒變形體沿水系分布

(2)傾倒變形體主要分布在大陸坡度陡降帶。

坡體變形需要一定的應(yīng)力條件和臨空條件，傾倒變形體廣泛發(fā)育的大陸坡度陡降帶主要分布于環(huán)青藏高原東側(cè)附近(圖5)，該區(qū)域斜坡高陡，為巖體的傾倒變形創(chuàng)造了很好的臨空條件。此外，受印度板塊和歐亞板塊的擠壓，區(qū)域地應(yīng)力量級(jí)高，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，區(qū)域地殼抬升導(dǎo)致河流疾速下切，岸坡強(qiáng)烈卸荷松弛，為傾倒變形創(chuàng)造了良好條件。

圖5 傾倒變形體沿大陸坡降帶分布

(3)傾倒變形體主要發(fā)育在高程1 500～3 000 m的中山地貌中。傾倒變形體多發(fā)育在中山地貌中，前緣高程一般在1 500～2 000 m以上，其發(fā)育范圍一般在1 500～3 000 m(圖6)。該山體經(jīng)歷了構(gòu)造剝蝕作用，巖體完整性遭到破壞，容易發(fā)生變形失穩(wěn)。

圖6 傾倒變形體高程分布

基于已有工程實(shí)例及參考文獻(xiàn)，對(duì)各大型傾倒變形體的前后緣高程進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，由于各流域分布高程不同，沿岸的傾倒變形體前緣高程也各不相同。但總體來(lái)說(shuō)，反傾坡傾倒變形體都發(fā)育在1 500 m以上，高程范圍一般以1 500～3 000 m居多，屬構(gòu)造剝蝕中山地貌。順傾斜坡傾倒變形體實(shí)例統(tǒng)計(jì)顯示，變形體前緣高程位置主要集中在2 000 m及以上，變形體高差從一百米到數(shù)百米均有發(fā)育，其地貌類型屬構(gòu)造剝蝕中山。

4 結(jié) 語(yǔ)

筆者主要基于21個(gè)反向坡傾倒變形體及10個(gè)順向坡傾倒變形體的發(fā)育特征及分布規(guī)律統(tǒng)計(jì)，從傾倒變形體的發(fā)育特征、巖性組合及分布規(guī)律等方面開展了研究，其主要研究結(jié)論如下：

(1)對(duì)于反向坡體，以40°～50°最為發(fā)育；而對(duì)于順向坡，以30°～50°較為發(fā)育。在斜坡坡度上，順向坡的坡度主要分布于41°～50°，反向坡的坡度主要分布于31°～40°；在坡體高度上，兩者在100～700 m及以上都有發(fā)育，但順向坡發(fā)育最多的坡體高度主要在300～400 m，反向坡則主要集中于400～500 m。

(2)傾倒變形可發(fā)育在層狀軟質(zhì)巖系或板裂化的堅(jiān)硬巖石中，常見(jiàn)巖性為各類板巖、片巖、千枚巖、變質(zhì)砂巖(粉砂巖)、泥巖等。但對(duì)反向坡體可包含的巖性較為廣泛，常以變質(zhì)軟巖夾較堅(jiān)硬巖的組合出現(xiàn)；順向坡傾倒變形坡體的巖性主要是容易發(fā)生變形破壞的板巖、千枚巖、片巖、泥巖等軟質(zhì)巖，且坡表風(fēng)化卸荷較強(qiáng)烈。

(3)大型傾倒變形體常發(fā)育在西部地區(qū)具有高山峽谷地貌景觀的各江河流域，以黃河、瀾滄江、雅礱江等河流的岸坡最為發(fā)育。大型傾倒變形體沿這些江河流域，以瀾滄江最為發(fā)育。對(duì)于其他遠(yuǎn)離水系的傾倒變形體，其規(guī)模一般較小。

(4)坡體變形需要一定的應(yīng)力條件和臨空條件，傾倒變形體廣泛發(fā)育的大陸坡度陡降帶主要分布于環(huán)青藏高原東側(cè)附近。

(5)傾倒變形體多發(fā)育在中山地貌中，前緣高程一般在1 500～2 000 m以上，其發(fā)育范圍一般在1 500～3 000 m。對(duì)反向坡，高程范圍一般以1 500～3 000 m居多；對(duì)順向坡，變形體前緣高程位置主要集中在2 000 m及以上。