反倾边坡倾倒变形机理与稳定性评价综述

游昆骏（核工业西南勘查设计研究院有限公司 四川成都 610061）

反倾边坡倾倒变形机理与稳定性评价综述

游昆骏
（核工业西南勘查设计研究院有限公司 四川成都 610061）

本文从层状反倾岩质边坡的倾倒变形模式及规律、倾倒分级体系、倾倒变形机理三个方面对倾倒变形的研究进展进行了总结，介绍了在反倾边坡中常用的三种分析方法：解析分析法、物理模型试验和数值分析法的研究进展。并指出了各类分析方法的优缺点及需要深化和改进的问题。

层状边坡；倾倒变形；数值模拟；变形机理

1 引言

层状岩质边坡中，过去的研究较多偏向于顺层边坡稳定性，尤其是岩层倾角小于坡角时，稳定性问题尤为突出；而对于层状反倾岩质边坡，往往容易忽略其稳定性。由于层面倾向与坡向的结构特点，传统的研究认为反倾边坡稳定性较好。然而，随着近20-30年来，人类工程建设的持续推进，活动范围日渐增大，出现了大量反倾岩体变形甚至引起重大灾害的案例，激起了大批学者的研究热情，也颠覆了人们对于反倾岩质边坡的常规认识。

2 岩体倾倒模式及规律

对倾倒岩体的变形破坏模式进行系统的分类和研究起始于1976年，Goodman 和Bray[1]较为系统的将层状岩体边坡的弯曲倾倒变形归纳为：弯曲倾倒、块状倾倒、块状弯曲倾倒和次生倾倒等4种变形模式，次生倾倒主要为由单一因素引起的岩土体强度弱化或岩土体滑移引导的倾倒变形。Heok和 Bray[2]在总结大量工程经验和实践的基础上，进一步将次生倾倒划分为五种基本类型：（1）滑移-坡顶倾倒；（2）滑移-基底倾倒；（3）滑移-坡脚倾倒；（4）拉裂-倾倒；（5）塑流-倾倒。

Cruden和 Hu指出顺层边坡的倾倒变形现象，并将其分类三种基本类型：块状弯曲倾倒、多重块体倾倒、人字形倾倒。

此外，国外有Caine、Reid和Stewart、Brabb和Harrod、Giraud、Richards等学者在总结各类倾倒变形实例的情况下，基于某一实例边坡提出了各自的见解。

国内学者对于此类边坡的研究相对较晚，最早有学者将反倾边坡的倾倒变形现象描述为：“点头哈腰”、“山腰迁移”、“地表膝状褶皱”、“岩体的蠕动变形”、“挠曲风化层”等。

3 倾倒变形强烈程度分级体系

倾倒变形的强烈程度分级能定性的描述边坡岩体倾倒变形随深度变化的情况，在其基础上能快捷、有效的进行分析研究，从而针对性的提出有效的分区或分级预防和治理措施，对于该类边坡的研究和工程治理都具有重要意义。目前，对于倾倒变形强烈程度的分级或分区问题，分别归纳如下：黄一和等将边坡倾倒岩体分为：主要倾倒变形区和牵引破坏区。洪玉辉分为：倾倒-座落变形区、挤压变形区、蠕动滑移变形区。梁正召等划分为：倾倒-座落变形区、挤压变形区和蠕动滑移变形区。申力等分为：倾倒变形带、倾倒滑移带和沉陷滑移变形带。李学政等分为：倾倒松动带、弯曲折断带和过渡带。李渝生、黄润秋[3]等将倾倒岩体分为：A类极强倾倒破裂区、B类强倾倒破裂区、C类弱倾倒变形过渡区。

以上学者对于倾倒变形的分级或分区研究主要依据倾倒岩体倾角、岩体风化程度、结构面发育特征、层内拉张量及岩体波速等指标的实测及统计分析，对于反倾岩体的科学研究及工程实践有一定指导意义。

4 反倾岩体变形机理及稳定性分析方法

国内外关于反倾岩体变形机理及稳定性分析的方法主要有：解析分析法、物理模型实验法、数值模拟法三类。具体进展如下[4]：

4.1 解析分析法

Goodman和Bray[1]运用传统的岩体力学分析方法，提出“块体极限平衡理论”用于分析倾倒变形岩体。Adhikaiy推导了反倾岩体的推力判据公式，指出反倾层状岩体的倾倒基准面不应完全和层面垂直，而是由一定夹角，并计算了一般反倾层状边坡倾倒破裂的深度。

孙广忠将反倾岩质边坡定义为板裂结构，并给出了完整板柱弯曲的力学计算模型。蒋良潍等推导了岩体弹性屈曲和弯折破坏的临界条件，指出直立岩层主要发生屈曲变形，中-陡反倾岩层以弯折破坏为主。

上述方法在分析边坡的倾倒变形时，仍对应用条件有不少限制，不能较好的考虑岩体中存在的较多结构面，且主要受控于结构面所致的变形情况其应用范围仍有一定的局限性。

4.2 物理模型试验法

Whyte最早进行基底摩擦试验和倾斜台面试验，Phillips提出离心模型试验，Stewart将其用于研究柔性边坡的倾倒变形。汪小刚通过离心机实验说明了边坡深层破坏的折断面为双折线型，并提出忽略岩体裂缝的计算是不合理的。罗华阳等通过模型试验模拟，发现边坡自上而下开挖后，变形也从上到下发展，裂隙渗透水引起的变形在坡顶较大，坡脚较小，但均表现出比开挖引起的变形大。陈孝兵等通过底摩擦试验模拟得出倾倒变形的发展以层内错动为主，张性破裂主要发生在坡体浅表部，而层内剪切位移的发育范围则更为深入。

反倾岩体的倾倒变形物理试验方法目前仍较为单一，其试验结果仍主要集中于定性分析，而少见定量研究成果。试验通常对单因素进行模拟，其中层面物理参数、岩层倾角、坡角对反倾斜坡的倾倒变形影响较大。

4.3 数值模拟法

目前关于反倾斜倾倒变形坡有限元及有限差分法模拟的研究主要如下：

韩贝传、王思敬认为反倾结构面对边坡的倾倒变形有控制作用，反倾边坡的研究重点应在坡顶。芮勇勤等采用有限差分方法模拟，结果显示出：变形起始于下部泥化夹层及断层处并逐渐向上发展，在倾倒台阶处产生坍塌破坏。

苏立海等采用FINAL软件，模拟得出倾倒破坏易发生于岩层倾角大于45°，而开挖坡角大于倾角5～10°时，而层厚每增加一倍，优势倾角呈增大的特点。

任光明等使用UDEC数值模拟，指出坡体内折断带的剪应力超过其抗剪强度时，坡体会产生错动滑移而形成倾倒滑塌体。

纪玉石等采用UDEC程序模拟，指出边坡的变形为沿多个层为位产生的滑移，上部倾倒变形为主导因素，并使得下部岩体产生挤压滑移。

数值模拟反倾斜坡的方法仍待进一步的完善，对于层状斜坡变形过程中的折断破裂过程仍没有办法进行模拟。但对于采用数值手段研究斜坡的倾倒变形机理、变形破坏过程与实际斜坡变形能较好的吻合。

5 结论

（1）对于倾倒变形程度的分级，仍缺乏较为规范性和代表性的分级方法，少数学者提出的分级方案不具备一般倾倒变坡的普适性。而边坡的倾倒变形深度是工程评价、设计及治理者所密切关注的问题，边坡变形程度分级能为边坡倾倒深度的确定提供较好的理论依据，应对此引起重视。

（2）倾倒岩体具备一般地质体的特点，岩体亦处在一定的地质环境中，其长期的演化必然受到内外多种地质营力的作用，其变形也是特定地质环境下的产物；但也区别于一般岩质边坡，边坡反倾层状结构的特点，使得该类边坡的变形常常在软岩中表现为蠕动性的由外向内的变化，在硬岩中则为由外向内的多级折断，而一旦发生贯通性破坏，则易发展为高速、大规模的崩滑。目前对于此类边坡的分析偏重于力学研究，往往对孕育环境的内、外地质特点及动力作用影响。

（3）层状岩体的各向异性，结构面的随机特征和外在边界条件的复杂性使得边坡变形机理及稳定性研究较为困难，尤其是建立适用于层状反倾变坡的模型并获得解析解十分困难，因此，探索建立非连续介质力学的应变分析方法是解决反倾层状岩质边坡倾倒变形问题的有效途径。

[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] 黄润秋，李渝生，巨能攀，等. 黄河拉西瓦水电工程果卜岸坡全生命周期演化与治理综合研究[R]. 成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室, 2013.

[4] 游昆骏.澜沧江苗尾水电站右坝肩边坡倾倒岩体开挖变形响应及稳定性研究[D].成都：成都理工大学硕士论文.2014

TU 457

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1007-6344（2016）06-0346-01