傾角變化條件下反傾層狀斜坡傾倒變形演化研究

杜睿錫 鄭 吳章雷 陶詩(shī)鑫 周鴻軻

摘要：傾倒變形是反傾層狀巖質(zhì)邊坡的一種典型破壞模式，為了研究不同巖層傾角對(duì)反傾層狀巖質(zhì)邊坡傾倒變形的影響，以瀾滄江上游古水水電站壩前傾倒變形體為原型，從巖層傾角變化的角度出發(fā)，利用大型土工離心機(jī)試驗(yàn)分析了反傾層狀巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)破壞過(guò)程、變形演化特征與最終失穩(wěn)模式等。結(jié)果表明：① 反傾層狀斜坡的變形演化過(guò)程基本概括為巖層壓密-坡腳壓裂階段、彎折面形成-部分失穩(wěn)階段和彎折面貫通-徹底失穩(wěn)3個(gè)階段，巖層傾角的改變并不會(huì)影響斜坡階段性演化過(guò)程；② 巖層傾角越大的斜坡，斜坡形成彎折面所需時(shí)間越短，失穩(wěn)破壞發(fā)生后坡體貫通性傾倒破壞深度更大，對(duì)應(yīng)的變形范圍越大，折斷巖層的破壞程度越劇烈；③ 巖層傾角變化會(huì)導(dǎo)致斜坡的傾倒變形過(guò)程與最終失穩(wěn)模式存在一定差異。傾角較小的55°和70°模型斜坡前部巖層在重力作用下發(fā)生明顯彎曲傾倒變形，最終以“傾倒-彎曲-滑移”的失穩(wěn)模式發(fā)生破壞；傾角最大的85°斜坡巖層發(fā)生的彎曲變形較小，最終以“傾倒-折斷-崩塌”的模式發(fā)生破壞。研究結(jié)果對(duì)大型工程項(xiàng)目的順利開展具有一定指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：傾倒變形； 反傾層狀巖質(zhì)斜坡； 破壞模式； 彎折面； 離心機(jī)模型試驗(yàn)； 古水水電站

中圖法分類號(hào)： TU413

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.04.020

0引 言

傾倒變形是反傾層狀巖質(zhì)斜坡重力變形的一種典型形式，是在長(zhǎng)期重力彎矩作用下產(chǎn)生的彎曲蠕變，其變形演化往往具有時(shí)間長(zhǎng)、深度大的特點(diǎn)。針對(duì)傾倒變形，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都進(jìn)行了大量研究。早在1971年，Ashby便首次提出了“傾倒”的概念［1］。至1973年，F(xiàn)reitas等明確將傾倒變形破壞列為巖質(zhì)斜坡失穩(wěn)破壞的主要形式之一［2］。隨著工程建設(shè)項(xiàng)目的開展，中國(guó)金川露天礦［3-4］、廣西龍灘水電站［5］、碧口水電站［6］在建設(shè)與使用過(guò)程中相繼發(fā)現(xiàn)了傾倒變形現(xiàn)象，研究人員對(duì)其穩(wěn)定性、變形機(jī)理與變形力學(xué)機(jī)制進(jìn)行了相關(guān)研究。近年來(lái)，針對(duì)傾倒變形的研究重心逐漸轉(zhuǎn)移到其影響因素上，且由于科技發(fā)展帶來(lái)的技術(shù)進(jìn)步，研究人員充分運(yùn)用了較為先進(jìn)的研究手段，其中以大型物理模擬實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬技術(shù)為代表。例如，Dong等利用離散元模擬軟件對(duì)反傾層狀巖質(zhì)邊坡變形的影響因素進(jìn)行了綜合分析，認(rèn)為開挖卸荷是反傾巖質(zhì)斜坡變形的主要因素，斷層等地質(zhì)構(gòu)造和斜坡坡角則是影響傾倒變形的重要因素［7-9］。Adhikary［10］，Wang［11］等分別采用離心機(jī)模型試驗(yàn)研究證明，巖性條件和巖層幾何條件例如巖層節(jié)理摩擦角與巖層厚度也會(huì)對(duì)斜坡的變形破壞機(jī)制和斜坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響［10-11］。Liu，Ning，Yang等人用大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究了地震對(duì)反傾巖質(zhì)邊坡的動(dòng)力響應(yīng)和破壞特征的影響［12-14］。先進(jìn)的物理模擬手段和數(shù)值計(jì)算方法的利用，使傾倒變形的研究有了新進(jìn)展。

目前相關(guān)研究多局限于發(fā)育在斜坡淺層的傾倒變形，但伴隨近些年大型水利水電工程建設(shè)活動(dòng)在中國(guó)西南地區(qū)相繼開展，研究人員在該區(qū)域發(fā)現(xiàn)了許多大型深層的傾倒變形，如發(fā)生在中國(guó)西藏玉曲河扎拉水電站傾倒變形［15-16］、瀾滄江苗尾水電站壩肩傾倒巖體［17-19］、瀾滄江古水水電站壩前傾倒變形體［20-21］等。通過(guò)對(duì)多個(gè)深層傾倒變形斜坡案例的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與分析，可知目前發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)此類變形主要發(fā)生于青藏高原東側(cè)的川滇南北構(gòu)造帶及藏東地區(qū)，流域上沿金沙江、雅礱江、瀾滄江等深切河谷分布［22］。再針對(duì)這種分布特征進(jìn)行進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的深層傾倒變形在形成條件上具有如下共同點(diǎn)：① 這些區(qū)域在板塊作用下發(fā)生了快速隆升并形成了高陡臨空面，因此斜坡坡體向臨空方向產(chǎn)生了大量回彈，進(jìn)而產(chǎn)生了傾倒變形；② 這些傾倒變形均發(fā)育在陡傾薄層狀軟巖中，這類巖層往往可以長(zhǎng)時(shí)間彎曲變形而不發(fā)生折斷。由此可見(jiàn)，深層傾倒變形主要受臨空條件、巖性條件與巖層幾何條件這3項(xiàng)條件的控制。

基于前述分析，為了對(duì)西南地區(qū)深層傾倒變形的控制條件進(jìn)行研究，筆者團(tuán)隊(duì)目前通過(guò)離心機(jī)模型試驗(yàn)的手段，首先利用分級(jí)開挖的方式模擬河谷下切的過(guò)程，研究了臨空面的產(chǎn)生對(duì)深層傾倒破壞的影響［23］；隨后通過(guò)更改斜坡坡角的方式，研究了臨空面角度對(duì)深層傾倒變形的影響［20，24］。團(tuán)隊(duì)目前已有研究均圍繞臨空條件對(duì)深層傾倒變形的影響展開，為了進(jìn)一步研究深層傾倒變形的其他影響因素，對(duì)以往案例進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)深層傾倒變形的巖層傾角也存在一定特征，即這些傾角大多分布在50°～80°，有些區(qū)域巖層甚至近乎陡立［22］。如錦屏一級(jí)水電站左岸揭露傾倒變形的深部巖層傾角為85°～87°［25］，瀾滄江小灣水電站飲水溝傾倒變形體的巖層傾角為70°～80°［22，26］，苗尾水電站右壩肩深部巖層傾角約80°、左壩肩深部巖層傾角約85°［27-28］?；趲r層傾角的這種特征，認(rèn)為巖層傾角對(duì)反傾層狀巖質(zhì)斜坡的變形演化也會(huì)有很大影響［29-30］。因此，本文擬通過(guò)控制斜坡坡角不變、改變巖層傾角的方式，利用離心機(jī)模型試驗(yàn)的手段，模擬不同巖層傾角條件下斜坡深層傾倒變形的發(fā)生與演化過(guò)程，從中發(fā)現(xiàn)在巖性與臨空條件一定的前提下，傾角不同導(dǎo)致的傾倒變形的差異，并嘗試建立深層傾倒的變形特征、破壞模式與巖層傾角的聯(lián)系。

1試驗(yàn)原型斜坡地質(zhì)背景

本次研究的原型斜坡為位于云南省德欽縣佛山鄉(xiāng)古水村上游約2 km處的瀾滄江古水水電站左岸壩前傾倒變形體。研究區(qū)河流下切作用強(qiáng)烈，兩岸為高山峽谷地貌，具有山高谷深的特點(diǎn)。壩前傾倒變形體分布在海拔高程2 150～2 720 m之間，斜坡走向N30°～50°W，傾向SW，地形坡度為30°～70°。變形體前緣平硐17內(nèi)可見(jiàn)產(chǎn)狀直立、屬壓扭性斷裂的紅山-古水Ⅰ級(jí)斷裂構(gòu)造帶（F1斷層）。斜坡淺表部已傾倒巖體產(chǎn)狀為N20°～30°W/NE∠25°～40°，斜坡深部基巖產(chǎn)狀為N25°～35°W/SW（NE）∠70°～85°，研究區(qū)地質(zhì)背景示意如圖1所示。

2離心模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)采用成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的TLJ-500土工離心試驗(yàn)機(jī)，該離心機(jī)最大容量500gt，有效旋轉(zhuǎn)半徑4.5 m，最大離心加速度250g。試驗(yàn)選用固定邊壁式2號(hào)模型箱，箱體內(nèi)側(cè)凈尺寸為1 000 mm（長(zhǎng)）×600 mm（寬）×1 000 mm（高）。

2.2試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

2.2.1相似材料

為了使模型試驗(yàn)結(jié)果與原型相符，試驗(yàn)所用相似材料研制需要滿足合理的材料選取原則［31］，根據(jù)已有相似材料配合比試驗(yàn)成果［23］，本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膸r層相似材料采用水泥、石英砂、石膏、硼砂水溶液混合構(gòu)成；層間粘結(jié)混合材料采用石英砂、石膏、硼砂水溶液構(gòu)成。通過(guò)控制材料配比，制得與原型巖體具有相近物理力學(xué)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)材料，使試驗(yàn)中模型的應(yīng)力應(yīng)變和坡體破壞過(guò)程均與古水水電站上壩址左岸傾倒變形體保持一致。斜坡模型材料相應(yīng)基本物理力學(xué)參數(shù)如表1所列。

2.2.2模型設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谶€原斜坡實(shí)際地質(zhì)條件時(shí)進(jìn)行適當(dāng)概化。已知原型斜坡未傾倒的正常巖體產(chǎn)狀為N25°～35°W/SW（NE）∠70°～85°，同時(shí)查詢相關(guān)資料可知，反傾層狀巖質(zhì)斜坡傾倒變形破壞常發(fā)生于坡角60°～80°、傾角50°～80°的情況下。因此，利用現(xiàn)場(chǎng)制作的石膏水泥混合材質(zhì)的單元板，以錯(cuò)縫堆砌的形式制作斜坡坡角為75°，巖層層厚1cm，巖層傾角分別為55°，70°和85°的3組離心試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)模型分別命名為模型A（傾角55°）、模型B（傾角70°）和模型C（傾角85°）。每組模型剖面尺寸均為77 cm（底長(zhǎng)）×40 cm（頂長(zhǎng)）×50 cm（寬）×56 cm（高），如圖2所示。

2.2.3監(jiān)測(cè)手段

此次試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由巖石應(yīng)變片、LVDT差動(dòng)式位移傳感器與PIV高速攝像機(jī)3部分構(gòu)成，布置方式見(jiàn)圖2。LVDT差動(dòng)式位移傳感器布置于模型頂面，監(jiān)測(cè)記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中坡頂發(fā)生的豎向累計(jì)位移。其中，模型B由于傳感器故障未布置LVDT2。巖石應(yīng)變片布置在巖層表面，監(jiān)測(cè)巖層的切向變形情況。位于離心機(jī)吊籃前端的正攝PIV高速攝像機(jī)，全程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)斜坡變形演化情況。

2.3試驗(yàn)相似關(guān)系設(shè)計(jì)

本次斜坡原型宏觀尺寸較大、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，以變形相似和應(yīng)力應(yīng)變相等等相似理論為原則，將試驗(yàn)斜坡模型概化后進(jìn)行相似換算，選取幾何長(zhǎng)度、密度、加速度等為基本控制量，達(dá)到試驗(yàn)研究目的。本次試驗(yàn)選用幾何相似比Cl=1/120、材料密度相似比Cρ=1/1、重力相似比Cα=120、彈性模量相似比CE=1/1，離心模型試驗(yàn)主要相似常數(shù)見(jiàn)表2。

2.4試驗(yàn)加載方案

本次試驗(yàn)采用三級(jí)加載方案。① 離心加速度從0開始勻速加速至40g，再定速旋轉(zhuǎn)5 min左右；② 離心加速度從40g勻速加速至80g，再定速旋轉(zhuǎn)5 min左右；③ 離心加速度從80g勻速加速至120g，再定速旋轉(zhuǎn)10 min，當(dāng)邊坡產(chǎn)生完全傾倒破壞或達(dá)到120g設(shè)定的最大離心加速度時(shí)停止加載。

3試驗(yàn)現(xiàn)象分析

3.1模型斜坡變形演化共同特征分析

3組模型均發(fā)生了顯著的傾倒變形現(xiàn)象，其變形破壞特征和失穩(wěn)過(guò)程明顯具有共同的階段性特征，根據(jù)試驗(yàn)中PIV高速攝像機(jī)記錄的實(shí)時(shí)圖片與試驗(yàn)結(jié)束時(shí)拍攝的模型斜坡照片，對(duì)模型斜坡的傾倒變形演化過(guò)程中的共同特征分析具體如下。

3.1.1巖層壓密-坡腳壓裂階段

隨離心加速度從零開始增大，坡體內(nèi)巖層在重力荷載作用下逐漸密實(shí)，坡體前部巖層逐漸向臨空面傾倒，坡頂后緣位置出現(xiàn)沉降變形。由于前部巖層前傾帶來(lái)的位移累積，后緣巖層出現(xiàn)微小的張拉裂縫。受上部巖層的重力擠壓，坡腳處發(fā)育微小裂隙（圖3）。此時(shí)巖層的彎曲現(xiàn)象較弱，但可看出，巖層傾角越大，巖層壓密和層間錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象越明顯，坡體前部?jī)A倒和后緣沉降現(xiàn)象也就越明顯。

3.1.2彎折面形成-部分失穩(wěn)階段

隨離心加速度的進(jìn)一步增大，斜坡向臨空面方向傾倒幅度加大，巖層層間錯(cuò)動(dòng)與斜坡后緣巖層拉張效應(yīng)加劇。斜坡前部巖層在前傾后發(fā)生彎曲變形，當(dāng)彎曲程度增大至巖層所能承受的最大彎矩時(shí)，巖層發(fā)生折斷破壞。模型斜坡坡腳裂隙在該過(guò)程中發(fā)育為兩級(jí)彎折面，其中彎折面W1位于彎折面W2下方，且彎折面W1形成時(shí)間早于彎折面W2。彎折面W1以下巖體在該階段離心力作用下壓密，出現(xiàn)輕微反彎現(xiàn)象（圖4）。

3.1.3彎折面貫通-徹底失穩(wěn)階段

隨著斜坡傾倒進(jìn)一步發(fā)育，兩級(jí)彎折面W1與W2隨之逐漸發(fā)育貫通至坡頂表面，彎折面W1上方巖層均發(fā)生大范圍徹底失穩(wěn)。在該階段的離心加速度作用下，彎折面以下的穩(wěn)定巖體繼續(xù)壓密，反彎現(xiàn)象加劇，坡體表面受壓破碎（見(jiàn)圖5）。

3.1.4變形停止階段

按照試驗(yàn)方案，當(dāng)離心加速度達(dá)到120g后定速旋轉(zhuǎn)10 min，隨后試驗(yàn)結(jié)束。在模型箱正面拍攝到模型斜坡最終破壞特征圖片如圖6所示，除模型C斜坡的部分崩落巖塊進(jìn)一步破碎外，最后階段的斜坡形態(tài)較前一階段相比并無(wú)明顯變化，3組斜坡的變形均趨于收斂。因此分析認(rèn)為，在無(wú)其他因素（地震、降雨、人類工程活動(dòng)等）影響下，發(fā)生大范圍折斷破壞后的坡體在自身重力荷載作用下相對(duì)穩(wěn)定，不會(huì)進(jìn)一步演化形成更大規(guī)模的失穩(wěn)破壞。

根據(jù)上述斜坡變形演化現(xiàn)象可知，在離心力作用下，模型斜坡坡頂后部發(fā)生沉降，坡腳部位形成微小裂隙，隨后裂隙發(fā)育形成彎折面W1和彎折面W2，兩條彎折面貫通至坡頂。以彎折面為界，斜坡彎折面上方的巖層發(fā)生了大范圍徹底失穩(wěn)。彎折面下方的巖層在坡體失穩(wěn)后均處于穩(wěn)定狀態(tài)，除局部崩落和少數(shù)裂隙發(fā)育外，無(wú)明顯變形跡象。

3.2模型斜坡變形演化差異特征分析

基于前述傾倒變形破壞現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)，3個(gè)模型均經(jīng)歷了共同的傾倒變形演化階段，但因巖層傾角不同，3個(gè)斜坡的破壞程度與發(fā)生破壞所需時(shí)間存在明顯差異，具體分析如下。

3.2.1變形現(xiàn)象的差異

在變形演化的初期，3組模型斜坡的變形特征并無(wú)明顯不同。但在彎折面形成-部分失穩(wěn)階段，模型A、B斜坡巖層在折斷前產(chǎn)生了明顯彎曲，而模型C巖層在輕微彎曲后便發(fā)生了突然折斷崩落（見(jiàn)圖4）。斜坡發(fā)生失穩(wěn)破壞后，模型A、B已折斷的巖層仍保持一定的似層狀結(jié)構(gòu)覆蓋在坡表（見(jiàn)圖4（a）～（b））；而模型C已折斷巖體以破碎狀態(tài)崩塌堆積于坡腳遠(yuǎn)端（見(jiàn)圖4（c））。試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的這種差異現(xiàn)象顯示，巖層傾角越大的斜坡發(fā)生的破壞越劇烈。與此同時(shí)，模型C在彎折面W1下方發(fā)育有次級(jí)切層裂隙（見(jiàn)圖4（c）），分析認(rèn)為巖層傾角增大會(huì)使斜坡在破壞過(guò)程中發(fā)育多級(jí)彎折面。

在彎折面貫通-徹底失穩(wěn)階段，模型A、B已傾倒的巖層沿彎折面W1向坡腳方向下挫滑移（見(jiàn)圖5（a）～（b））。模型C坡頂處因前部巖層傾倒而出現(xiàn)張拉裂縫的巖層，自前向后相繼發(fā)生折斷破壞（見(jiàn)圖5（c））。隨巖層傾角的增大，斜坡的最終失穩(wěn)破壞模式產(chǎn)生變化，模型A、B的巖層發(fā)生傾倒-彎曲-滑移破壞，折斷巖體以似層狀結(jié)構(gòu)滑移下挫，基本保持原有形態(tài)；模型C巖層發(fā)生傾倒-折斷-崩塌破壞，折斷巖體崩落至坡腳前方，呈現(xiàn)堆積形態(tài)。

3.2.2傾倒破壞發(fā)育深度的差異

3組模型斜坡內(nèi)部，均發(fā)育形成了彎折面W1，以彎折面W1頂部最后一塊傾倒折斷巖層的折斷點(diǎn)為彎折面W1的尾端，將W1尾端與變形后斜坡坡肩的水平距離定義為斜坡貫通性傾倒破壞深度，如圖7中虛線所示。分析發(fā)現(xiàn)，模型斜坡在巖層傾角分別為55°，70°和85°時(shí)，對(duì)應(yīng)坡體的貫通性傾倒破壞深度為260，293，319 mm。由此可知，斜坡內(nèi)部貫通性傾倒破壞深度的增長(zhǎng)與巖層傾角的增長(zhǎng)呈正相關(guān)，巖層傾角越大，貫通傾倒破壞深度越大，坡體發(fā)生變形的巖層越多。

3.2.3彎折面發(fā)育的差異

對(duì)試驗(yàn)結(jié)束后斜坡的破壞形態(tài)分析可見(jiàn)（見(jiàn)圖7中紅色實(shí)線所示），模型A、B的深部彎折面W1整體的延伸貫通形態(tài)近似直線型；模型C深部彎折面W1下半段更貼近斜坡底部，上半段則相對(duì)陡立，整體呈現(xiàn)折線型。3組模型斜坡的彎折面W2整體貫穿延伸形態(tài)均呈直線型。對(duì)彎折面的傾角進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（見(jiàn)表3），3組模型中，淺部彎折面W2角度受巖層傾角影響不大，均在56°～65°范圍內(nèi)。但深部彎折面W1傾角隨巖層傾角的增大而減小，傾角小的彎折面更加貼近斜坡底部，其上方傾倒變形巖層也更多、變形范圍更廣。

3.2.4傾倒變形破壞經(jīng)歷時(shí)間的差異

對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中3組模型在離心荷載作用下發(fā)育變形破壞所需的時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（見(jiàn)表4），巖層傾角越大，斜坡出現(xiàn)變形跡象越早，坡內(nèi)彎折面發(fā)育貫通所需時(shí)間越少。由于3組模型所采用的加載方案是一致的，因此可以認(rèn)為，離心機(jī)作用時(shí)間相同時(shí)模型坡體內(nèi)積累的能量相同。由此得知，巖層傾角越大，斜坡發(fā)育至破壞所需積攢的能量越少。

4試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1坡頂豎向位移分析

由于斜坡巖層的折斷破壞均集中發(fā)生于斜坡前部，因此坡頂前緣位置測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的位移突變最為明顯。對(duì)3組試驗(yàn)中豎向位移最大的測(cè)點(diǎn)結(jié)果進(jìn)行分析（見(jiàn)圖8），模型A在離心加速度達(dá)40.2g（時(shí)間500 s）時(shí)，發(fā)生了31.4 mm的位移突增，與試驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)照可知，此時(shí)巖層發(fā)生傾倒彎曲折斷破壞；模型B在離心加速度達(dá)33.1g（450 s）時(shí)發(fā)生了第1次位移突變，此時(shí)坡頂前部的LVDT3測(cè)得16 mm的位移突增，斜坡內(nèi)形成深部彎折面W1使坡頂前部巖層折斷；離心加速度加載至50.82g（890 s）時(shí)，坡頂位移發(fā)生第2次位移突變，LVDT3測(cè)得6 mm的位移突增，斜坡內(nèi)形成了彎折面W2，坡頂前部巖層發(fā)生了進(jìn)一步的傾倒；模型C斜坡LVDT3在離心加速度達(dá)19.88 g（340 s）時(shí)測(cè)得了高達(dá)102.18 mm的位移突變，與試驗(yàn)過(guò)程結(jié)合分析可知，此次位移突變是模型斜坡發(fā)生大范圍傾倒折斷破壞導(dǎo)致的。

對(duì)比3組試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)，隨巖層傾角增大，斜坡發(fā)生失穩(wěn)破壞所需的能量累積時(shí)間縮短，坡肩處的最終豎向位移增加。

4.2坡體位移矢量分析

對(duì)于在試驗(yàn)過(guò)程中用PIV高速攝像機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)獲得的高幀別圖像，本文采用數(shù)值處理軟件對(duì)其進(jìn)行處理，得到3組模型斜坡在傾倒前與傾倒后的位移矢量圖。對(duì)位移矢量圖進(jìn)行分析得到結(jié)論如下。

4.2.1斜坡失穩(wěn)前的位移矢量特征

在試驗(yàn)開始至發(fā)生大范圍失穩(wěn)破壞前（見(jiàn)圖9），模型A位移矢量總體豎直向下，斜坡前部巖層中有少量位移矢量指向坡腳，說(shuō)明在重力荷載作用下，模型A的位移以豎向壓密沉降為主，斜坡向臨空方向的變形相對(duì)較小。模型B大部分位移矢量都指向坡表，且指向坡表的位移矢量相對(duì)較大，說(shuō)明斜坡向臨空方向發(fā)生的傾倒變形較為明顯。模型C后緣巖層中少量位移矢量方向指向斜下方，此外絕大部分位移矢量均以近水平角度指向臨空面。這說(shuō)明在該階段，模型C主要發(fā)生傾向臨空方向的傾倒變形。對(duì)比分析3組模型的位移矢量發(fā)現(xiàn)，在大范圍傾倒折斷發(fā)生前，隨著巖層傾角的增大，斜坡位移矢量由坡頂沉降為主轉(zhuǎn)變?yōu)橄蚺R空方向傾倒為主。

4.2.2斜坡失穩(wěn)后的位移矢量特征

在斜坡發(fā)生大范圍失穩(wěn)變形破壞后（見(jiàn)圖10），3個(gè)模型斜坡中，模型C位移矢量變化范圍最大，模型B次之，模型A最小。這說(shuō)明巖層傾角越大，斜坡變形破

壞范圍越深、越廣。隨折斷破壞的發(fā)生，模型A、B破壞巖體位移矢量方向均指向坡腳，模型C破壞巖體位移矢量則指向坡腳前方空地。位移矢量的變化同斜坡的具體變形過(guò)程相映照，表現(xiàn)出巖層傾角越大，破壞巖體的水平位移越大的特點(diǎn)。在失穩(wěn)發(fā)生后，3組斜坡彎折面下方巖體中的位移矢量均較小，說(shuō)明斜坡底部基巖仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，斜坡在折斷破壞后發(fā)生復(fù)活失穩(wěn)的可能性較小。

4.3巖體應(yīng)變數(shù)據(jù)分析

應(yīng)變片監(jiān)測(cè)到的數(shù)值是對(duì)應(yīng)巖層在層面切向方向上拉伸變形的量化指標(biāo)，試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)變片監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)存在陡增突變后數(shù)據(jù)消失和隨離心加速度同步階梯式增加這兩種變化特征。以模型A為例進(jìn)行分析（見(jiàn)圖11），位于深部彎折面W1附近及上方的S0、S1、S4、S5、S6、S8與S9應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)變?cè)谠囼?yàn)開始時(shí)變化緩慢，隨著離心加速度的增加，該部分應(yīng)變量值快速增長(zhǎng)，直至加速度增加至 40.2g時(shí)，這些應(yīng)變量值在陡增后消失。這種應(yīng)變數(shù)據(jù)變化特征說(shuō)明，在離心荷載的持續(xù)作用下，深部彎折面W1附近及上方的巖體發(fā)生了相對(duì)明顯的彎曲變形，因此應(yīng)變片檢測(cè)到較大的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)。隨后巖層達(dá)到承載極限發(fā)生折斷，這部分應(yīng)變片失去讀數(shù)。

其余應(yīng)變片均位于深部彎折面W1下方，并隨離心加速度的增加而同步階梯式變化。這反映巖層的變形是長(zhǎng)時(shí)間地質(zhì)作用累積的結(jié)果，當(dāng)離心加速度呈階梯式增加時(shí)，彎折面以下的巖體在離心荷載作用下發(fā)生相應(yīng)彎曲變形但未發(fā)生破壞，對(duì)應(yīng)巖體的應(yīng)變數(shù)據(jù)隨之發(fā)生階梯式增長(zhǎng)變化。

5成災(zāi)模式分析

基于3組模型的試驗(yàn)現(xiàn)象，本文將反傾層狀巖質(zhì)斜坡在自重荷載作用下的失穩(wěn)模式進(jìn)行了概括。由于巖層傾角大小不同，不同斜坡的傾倒變形過(guò)程和最終失穩(wěn)模式存在一定差異。

（1） 傾角較緩的模型A、B發(fā)生傾倒破壞的歷時(shí)相對(duì)較長(zhǎng)。在重力作用下，傾角較緩的斜坡向臨空方向產(chǎn)生了顯著的傾倒彎曲變形。巖層彎曲達(dá)到承載極限后，坡內(nèi)形成兩級(jí)彎折面，折斷后強(qiáng)傾倒巖體保持相對(duì)連續(xù)完整。在重力作用下，彎折面進(jìn)一步發(fā)育貫通，巖體徹底折斷失穩(wěn)，斜坡上已傾倒折斷的巖體沿彎折面斜向下滑移，傾倒破壞巖體將呈現(xiàn)兩級(jí)傾倒滑移特征，最終形成如圖12所示的“傾倒-彎曲-滑移”失穩(wěn)模式。

（2） 傾角最陡的模型C發(fā)生失穩(wěn)破壞歷時(shí)較短，傾角較陡斜坡整體向坡前臨空方向產(chǎn)生的水平傾倒程度更嚴(yán)重。變形過(guò)程中發(fā)育形成兩級(jí)彎折面，深部彎折面W1與淺部彎折面W2之間巖體在折斷后仍舊保持相對(duì)完整。淺部彎折面W2上方的破壞巖體則在達(dá)到最大傾倒極限時(shí)，瞬間發(fā)生脆性傾倒，并崩塌至坡腳前方，形成劇烈的“傾倒-折斷-崩塌”失穩(wěn)模式，如圖13所示。

6結(jié) 論

本文以大型土工離心機(jī)模型試驗(yàn)為手段，進(jìn)行了3組巖層傾角不同的反傾層狀巖質(zhì)斜坡模型試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)的失穩(wěn)過(guò)程、變形演化特征與坡體位移、應(yīng)變等數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，具體結(jié)論如下：

（1） 傾角不同的斜坡，傾倒變形過(guò)程均會(huì)經(jīng)歷巖層壓密-坡腳壓裂、彎折面形成-部分失穩(wěn)和彎折面貫通-徹底失穩(wěn)3個(gè)階段。

（2） 巖層傾角不同會(huì)使斜坡傾倒變形特征產(chǎn)生一定差異，傾角越大，發(fā)生傾倒變形所需時(shí)間越短，變形范圍越大。

（3） 傾倒變形使斜坡中發(fā)育兩級(jí)彎折面，淺部彎折面W2受巖層傾角影響不大。但深部彎折面W1傾角隨巖層傾角的增大而減小，其發(fā)育形態(tài)也出現(xiàn)變化。當(dāng)巖層傾角較小時(shí)，W1的發(fā)育形態(tài)呈直線型；巖層傾角較大時(shí)，W1呈折線。

（4） 巖層傾角變化會(huì)導(dǎo)致斜坡的最終失穩(wěn)模式存在差異。傾角較緩的斜坡，失穩(wěn)模式為“傾倒-彎曲-滑移”；傾角最陡的斜坡，失穩(wěn)模式為“傾倒-折斷-崩塌”。

參考文獻(xiàn)：

［1］ASHBY J.Sliding and toppling modes of failure in models and jointed rock slopes［D］.London：London University Imperial College，1971.

［2］FREITAS M D，WATTERS R J.Some field examples of toppling failure［J］.Géotechnique，1973，23（4）：495-513.

［3］岳斌.金川露天礦邊坡傾倒變形特征及傾倒變形的簡(jiǎn)單力學(xué)機(jī)制和應(yīng)用［C］∥第一屆華東巖土工程學(xué)術(shù)大會(huì)論文集，1990：415-427.

［4］孫玉科，姚寶魁.我國(guó)巖質(zhì)邊坡變形破壞的主要地質(zhì)模式［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1983（1）：67-76.

［5］王思敬，肖遠(yuǎn)，杜永廉.廣西紅水河龍灘水電站壩址左岸邊坡層狀巖體彎曲蠕變機(jī)理分析［J］.地質(zhì)科學(xué)，1992（增1）：342-352.

［6］洪玉輝.碧口水電站右岸傾倒體高邊坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)［J］.西北水電，1994（1）：10-14.

［7］DONG M，ZHANG F，LV J，et al.Study of stability influencing factors of excavated anti-dip rock slope［J］.KSCE Journal of Civil Engineering，2020，24（8）：2293-2303.

［8］NING Y，TANG H，WANG F，et al.Sensitivity analysis of toppling deformation for interbedded anti-inclined rock slopes based on the Grey relation method［J］.Bulletin of Engineering Geology and the Environment，2019，78（8）：6017-6032.

［9］DONG M，ZHANG F，YU C，et al.Influence of a dominant fault on the deformation and failure mode of anti-dip layered rock slopes［J］.KSCE Journal of Civil Engineering，2022，26（8）：3430-3439.

［10］ ADHIKARY D P，DYSKIN A V.Modelling of progressive and instantaneous failures of foliated rock slopes［J］.Rock Mechanics and Rock Engineering，2007，40（4）：349-362.

［11］WANG R，ZHAO W，NIAN T，et al.Centrifuge model test on anti-dip rock slopes with unequal thicknesses subjected to flexural toppling failure［J］.KSCE Journal of Civil Engineering，2022，26（6）：2575-2587.

［12］LIU H，ZHAO Y，DONG J，et al.Experimental study of the dynamic response and failure mode of anti-dip rock slopes［J］.Bulletin of Engineering Geology and the Environment，2021，80（8）：6583-6596.

［13］NING Y，ZHANG G，TANG H，et al.Process analysis of toppling failure on anti-dip rock slopes under seismic load in southwest China［J］.Rock Mechanics and Rock Engineering，2019，52（11）：4439-4455.

［14］YANG G，QI S，WU F，et al.Seismic amplification of the anti-dip rock slope and deformation characteristics：a large-scale shaking table test［J］.Soil Dynamics and Earthquake Engineering，2018（115）：907-916.

［15］李文龍.西藏玉曲河扎拉水電站廠址邊坡變形破壞機(jī)制及開挖變形響應(yīng)研究［D］.成都：成都理工大學(xué)，2018.

［16］黃振偉，茆金柱，蒲進(jìn)，等.在傾倒邊坡中建設(shè)地下調(diào)壓室的工程地質(zhì)研究［J/OL］.人民長(zhǎng)江，1-8［2024-01-23］http：∥kns.cnki.net/kcms/detail/42.1202.tv.20231026.1529.008.html.

［17］白彥波，張良，李渝生.苗尾水電站壩肩巖體傾倒變形程度分級(jí)體系［J］.科技信息，2009（6）：417-418.

［18］白彥波，李湘軍，余鵬程，等.苗尾水電站壩肩巖體傾倒變形的力學(xué)機(jī)制與發(fā)展過(guò)程［J］.科技信息，2009（22）：689-690.

［19］SHAN Z G，LV J Q，ZHANG F M，et al.Different toppling bank slope failures under hydrodynamic action during impoundment of the Miaowei Hydropower Station Reservoir［J］.Water，2022，14：2126.

［20］ZHENG D，ZHOU H，ZHOU H，et al.Effects of slope angle on toppling deformation of anti-dip layered rock slopes：a centrifuge study［J］.Applied Sciences，2022，12：5084.

［21］TU G X，DENG H.Characteristics of a deep-seated flexural toppling fracture and its relations with downcutting by the Lancang River：a case study on a steeply dipping layered rock slope，Southwest China［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2021（142）：104790.

［22］黃潤(rùn)秋，李渝生，嚴(yán)明.斜坡傾倒變形的工程地質(zhì)分析［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2017，25（5）：1165-1181.

［23］鄭達(dá)，王沁沅，毛峰，等.反傾層狀巖質(zhì)邊坡深層傾倒變形關(guān)鍵致災(zāi)因子及成災(zāi)模式的離心試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2019，38（10）：1954-1963.

［24］鄭達(dá)，張碩，鄭光.基于坡角變化的反傾層狀巖質(zhì)斜坡傾倒變形離心模型試驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2021，43（3）：439-447.

［25］黃潤(rùn)秋.20世紀(jì)以來(lái)中國(guó)的大型滑坡及其發(fā)生機(jī)制［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26（3）：433-454.

［26］楊根蘭，黃潤(rùn)秋，嚴(yán)明，等.小灣水電站飲水溝大規(guī)模傾倒破壞現(xiàn)象的工程地質(zhì)研究［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2006，14（2）：165-171.

［27］楊豪，魏玉峰，裴向軍，等.含陡緩傾結(jié)構(gòu)面反傾巖坡折斷面演化特征的離心試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2022，43（5）：1215-1225.

［28］賀宇航.瀾滄江苗尾水電站壩肩傾倒巖體開挖變形響應(yīng)研究［D］.成都：成都理工大學(xué)，2015.

［29］TU G，DENG H.Formation and evolution of a successive landslide dam by the erosion of river：a case study of the Gendakan landslide dam on the Lancang River，China［J］.Bulletin of Engineering Geology and the Environment，2020，79（6）：2747-2761.

［30］陳陸軍，易武，黃曉虎，等.譚家河滑坡監(jiān)測(cè)與精細(xì)化預(yù)警模型研究［J/OL］.水利水電快報(bào)：1-10［2024-01-23］.http：∥kns.cnki.net/kcms/detail/42.1142.TV.20231020.1816.002.html.

［31］許韜，高懿偉，張繼勛，等.新型地質(zhì)力學(xué)模型相似材料制備及試驗(yàn)［J］.人民長(zhǎng)江，2022，53（增2）：113-118.

（編輯：劉 媛）