彎曲型傾倒變形邊坡破壞模式研究

柏沁 張丙先 余冰洋 雷明

收稿日期：2023-09-09

作者簡介：

柏? 沁，男，高級工程師，主要從事工程管理工作。E-mail：172402645@qq.com

引用格式：

柏沁，張丙先，余冰洋，等.

彎曲型傾倒變形邊坡破壞模式研究

［J］.水利水電快報，2024，45（6）：22-26.

摘要：

為了分析彎曲型傾倒變形邊坡破壞模式，以西藏扎拉水電站為研究對象，分析了彎曲型傾倒變形邊坡在天然狀態(tài)、開挖工況下的破壞模式及其控制因素。結果表明：彎曲型傾倒變形邊坡的破壞模式主要有表層剝落與崩塌、淺層滑移、深層或大規(guī)模失穩(wěn)。① 剝落與崩塌發(fā)生在坡表，在傾倒變形及卸荷、風化作用下，坡表巖體破碎，在降雨產生的坡面水流作用下易發(fā)生剝落、崩塌；② 淺層滑移發(fā)育在強傾倒變形區(qū)，傾倒變形過程中產生的傾向坡外的張剪裂隙是邊坡失穩(wěn)的控制性結構面，當路塹邊坡開挖或河水沖刷切腳時，邊坡產生應力調整，導致傾向坡外的破裂面貫通，進而發(fā)生滑坡；③ 邊坡發(fā)生深層或大規(guī)模失穩(wěn)的控制因素是大斷裂或活斷裂、軟弱夾層等軟弱結構面。西藏扎拉水電站彎曲型傾倒變形邊坡彎曲界面及深部弱傾倒變形區(qū)沒有形成貫通性失穩(wěn)界面，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。該工程區(qū)彎曲型傾倒變形邊坡的發(fā)育特征和破壞模式具有典型性，研究成果可供類似工程借鑒。

關鍵詞：

彎曲型傾倒變形邊坡； 破壞模式； 穩(wěn)定性分析； 扎拉水電站； 西藏

中圖法分類號：TV61

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.06.004

文章編號：1006-0081（2024）06-0022-05

0? 引? 言

傾倒為巖質邊坡變形破壞的典型形式，眾多學者對此開展了大量的研究工作。關于邊坡傾倒變形的形成機制和演化過程，韓貝傳等［1］研究得出對邊坡傾倒變形影響最大的因素是結構面的間距和結構面的力學參數(shù)；張發(fā)明等［2］發(fā)現(xiàn)導致巖體發(fā)生傾倒變形的外部因素是重力、地應力、卸荷方向與卸荷強度；李高勇等［3］指出整個傾倒體的演化具有長期性、累進性和階段性的特征；李彥奇等［4］研究得出坡體傾倒變形破壞全過程為層間先出現(xiàn)相互錯動，然后邊坡自坡腳部位開始出現(xiàn)彎曲變形，隨后坡體后緣出現(xiàn)拉張裂縫，與此同時邊坡整體向臨空面彎曲傾倒，最終形成2個或3個破壞面。

傾倒變形邊坡的穩(wěn)定性分析方面，韓貝傳等［1］指出極限平衡法不適用這類邊坡的穩(wěn)定性研究；黃潤秋等［5］指出建立在以“滑動”為基礎的傳統(tǒng)邊坡穩(wěn)定性分析方法不適用于此類邊坡，提出了變形穩(wěn)定性評價的理念，即在建立工程地質模型的基礎上，進一步采用數(shù)值模擬或物理模擬的方法，量化分析傾倒變形的時間效應過程，分析評價傾倒變形體邊坡的穩(wěn)定性；王霄等［6］運用二維離散元和三維有限差分法，對邊坡傾倒變形特征及破壞演化歷程進行了模擬；黃達等［7］以離心模型試驗為原型，結合離散元數(shù)值模擬，分析了傾倒變形的形成過程；鄭達等［8］采用物理模擬分析了上硬下軟傾倒變形邊坡在開挖條件下的變形響應特征及破壞模式。

眾多學者的研究工作促進了對邊坡傾倒變形的形成機制、演化過程和穩(wěn)定性分析等方面的認識，其中，工程地質模型是邊坡穩(wěn)定性分析的基礎。邊坡工程地質模型主要包括巖體結構、巖體參數(shù)和破壞模式等，其中巖體結構、巖體參數(shù)可采用地質測繪、勘探、試驗等方法獲得，破壞模式則需要進行綜合分析判斷。本文以西藏扎拉水電站工程區(qū)普遍發(fā)育的彎曲型傾倒變形邊坡為研究對象，在詳細勘察的基礎上，結合施工過程中揭露的情況，分析了彎曲型傾倒變形邊坡在天然狀態(tài)、開挖及河流沖刷等工況下的破壞模式及其控制因素，分析彎曲型傾倒變形邊坡的整體穩(wěn)定性并提出了相應的防治對策。

1? 工程概況

西藏扎拉水電站為Ⅱ等大（2）型工程，采用混合式開發(fā)，擋水建筑物為混凝土重力壩，最大壩高70 m。引水發(fā)電建筑物主要由引水隧洞和地面電站廠房組成，引水線路長約5.5 km。樞紐工程區(qū)地處橫斷山脈高山峽谷區(qū)，邊坡主要由板巖組成，普遍發(fā)生傾倒變形，尤以彎曲型傾倒變形較為典型，其分布廣、規(guī)模大，是該工程的主要技術難點之一。

2? 彎曲型傾倒變形邊坡基本特征和變形機制

2.1? 基本特征

西藏扎拉水電站所在河谷深切，河谷邊坡大部分由薄層狀板巖組成，巖層走向為北北西，與河谷走向基本一致，傾向為南西西，兩岸邊坡為層狀同向結構或層狀反向結構，巖層正常板理面傾角70°～85°，大部分發(fā)生彎曲型傾倒變形，傾倒后的巖體（以下簡稱“傾倒巖體”）底界水平深度62～85 m。傾倒巖體與正常巖體界面呈折而不斷或斷續(xù)拉裂，類似褶皺軸面的彎曲變形（圖1）。自坡內向坡外傾倒巖體性狀逐漸變差，大致可分為兩個區(qū)：①? 弱傾倒變形區(qū)，底界水平深度62～85 m，大部分表現(xiàn)為層狀結構；② 強傾倒變形區(qū)，底界水平深度11～26 m，呈散體-碎裂結構［9］。邊坡巖體強風化帶水平深度11～26 m，弱風化帶水平深度大于104 m；強卸荷水平深度37～54 m，弱卸荷水平深度62～85 m。

除板理外，邊坡傾倒巖體結構面以裂隙為主：① L1，產狀N16°W/NE∠47°，間距20～40 cm，跡長在5 m以上，張開寬度約1～5 mm，充填巖屑或無充填，平直粗糙或狀粗糙；② L2，產狀N5°E/SE∠71°，與板理面近垂直相交，間距5～30 cm，張開寬度0～10 mm，多數(shù)無充填，僅少數(shù)充填巖屑，平直粗糙為主。

2.2? 變形機理

相關研究表明，邊坡彎曲型傾倒的變形機理是陡傾的薄層板狀巖層在自重荷載產生的彎矩作用下，向臨空方向發(fā)生類似懸臂板梁的連續(xù)彎曲變形，層間發(fā)生滑移［10-13］。這一過程是長期的，彎曲變形的本質是地質歷史時期巖層在長期自重荷載作用下所發(fā)生的蠕變變形［14］。

西藏扎拉水電站工程區(qū)河谷邊坡經(jīng)歷了較長地質歷史時期。在河谷下切、邊坡形成的過程中，陡傾的薄層板狀巖體在卸荷回彈和自重彎矩的共同作用下，開始向臨空方向發(fā)生懸臂梁式傾倒。從外因分析，其初始彎曲動力來自邊坡卸荷，由于邊坡的卸荷作用，一方面致使巖層的板理化顯現(xiàn)出來，另一方面，卸荷松弛致陡傾順層向臨空面回彈，從而使其板理化重心由傾坡內轉向坡外，然后在巖體自重作用下，繼續(xù)產生傾倒變形。從內因來看，板巖屬軟質巖或中等偏軟巖，且彎曲面水平深度62～85 m，具有一定的圍壓，巖體表現(xiàn)出塑性變形的性質，因此這種傾倒變形主要表現(xiàn)為彎曲變形。為適應這種變形，沿巖體發(fā)育的抗剪強度較低的板理面發(fā)生層間剪切滑移變形，垂直層面發(fā)生拉張裂隙。隨著河谷的不斷下切，變形由坡體淺表部逐漸向深部發(fā)展，越向坡外，變形越大，同時由于風化作用對坡表巖體的改造，自坡內向坡外傾倒巖體性狀逐漸變差。

3? 彎曲型傾倒變形邊坡破壞模式

鮑杰等［13］將巖體傾倒變形的形成與演變歸納為4個階段，依次為：① 卸荷回彈-傾倒蠕變發(fā)展階段；② 層內拉張、切層張剪破裂發(fā)展階段；③ 彎曲-折斷變形破裂發(fā)展階段；④ 底部滑移-后緣深部折斷面貫通破壞階段。從西藏扎拉水電站工程區(qū)邊坡的變形破壞特征來看，除了淺部的墜覆和松弛外，大部分傾倒巖體呈層狀結構，傾倒巖體與正常巖體界面主要為彎曲變形，僅斷續(xù)折斷，處于第三階段的彎曲變形期。彎曲型傾倒變形邊坡的破壞模式主要有邊坡表層剝落與崩塌、淺層滑移。

3.1? 表層剝落與崩塌

西藏扎拉水電站工程區(qū)彎曲型傾倒變形邊坡表層屬強傾倒變形區(qū)，巖體呈散體-碎裂結構，破壞模式主要為表層剝落與崩塌，其特征見圖2。

在邊坡傾倒變形過程中，由于卸荷回彈在坡體出現(xiàn)張裂隙，即卸荷裂隙。長期的風化作用一方面使巖體中原有的裂隙面擴大、加寬，另一方面產生新的裂隙。卸荷、傾倒、風化這3種作用是共同作用、相互影響的。也就是說，在傾倒變形發(fā)育過程中，表層巖體發(fā)生松弛、破裂，伴隨著卸荷、風化，坡表巖體破碎，呈散體-碎裂結構，在降雨產生的坡面水流作用下易發(fā)生剝落，巖塊與母巖分離剝落，并形成凹腔，使得部分巖塊臨空，進而發(fā)生局部崩塌，穩(wěn)定性評價依據(jù)包括底面懸空程度、后緣結構面特征、高厚比［15］。

剝落與崩塌發(fā)生在坡表強傾倒變形區(qū)，傾倒及卸荷、風化是主要影響因素，降雨是主要誘發(fā)因素。表層剝落與崩塌分布范圍廣，隨著時間的推移不斷產生破壞，但單次破壞規(guī)模一般較小。

3.2? 淺層滑移

3.2.1? 路塹邊坡開挖造成的淺層滑移

西藏扎拉水電站場內公路路塹邊坡開挖過程中發(fā)生滑塌，滑塌體橫向寬約48 m，縱向長約71 m，厚約5～7 m，體積約2.1萬m3（圖3）。該段公路自然邊坡坡度45°～55°，邊坡巖性為板巖，板理面傾向約72°，傾角約23°，呈逆向坡。邊坡淺表層屬強傾倒變形區(qū)，巖體呈強風化狀，傾向坡外長大裂隙發(fā)育，裂隙面傾向230°～270°，傾角40°～65°，跡長10～30 m。該段公路邊坡淺表層巖體因傾倒及卸荷、風化等作用，巖體破碎，傾倒變形過程中產生傾向坡外的層內拉張-切層的張剪破裂。路塹邊坡開挖切腳，邊坡應力調整，導致傾向坡外的破裂面貫通，進而沿傾向坡外的結構面發(fā)生滑移而形成滑坡（圖4）。傾倒變形產生的傾向坡外的結構面是產生淺層滑移破壞的控制因素，路塹邊坡開挖切腳是誘發(fā)因素。

巖體卸荷、傾倒變形、風化等為邊坡的滑移破壞提供了物質基礎，傾向坡外的長大裂隙是控制性因素，路塹邊坡開挖切腳是誘發(fā)因素。

3.2.2? 河流沖刷掏腳造成的淺層滑移

西藏扎拉水電站上游約12 km處河流左岸屬傾倒變形邊坡。2014年8月右岸沖溝發(fā)生泥石流阻塞河道形成堰塞湖，后來河水沿左岸坡腳沖刷形成下泄通道。因河水沖刷掏腳自坡表向坡內漸次發(fā)生垮塌［16］，坡面可見傾向坡外的結構面（圖5）。傾倒變形產生的傾向坡外的結構面是產生淺層滑移破壞的控制因素，河水沖刷掏腳是誘發(fā)因素。

3.3? 深層或大規(guī)模失穩(wěn)

邊坡的整體穩(wěn)定性或深層、大規(guī)模失穩(wěn)通常是最為關注的問題。苗勇勤等［17］對撫順西露天礦北幫西區(qū)W200～W600區(qū)段邊坡變形破壞研究得出，深大斷裂為邊坡變形、破壞提供了邊界條件，而軟弱夾層是產生變形、滑移破壞的控制因素。白永健等［18］對川藏公路茶樹山滑坡研究得出，自重推力及斷層活動是發(fā)生滑動的主要影響因素，地震活動、降雨是誘發(fā)因素。鐵永波等［19］研究了川藏鐵路卡子拉山滑坡，滑坡的影響因素主要有區(qū)域斷層活動、巖層結構、高寒凍融循環(huán)、地震。綜上所述，傾倒變形邊坡發(fā)生深層、大規(guī)模失穩(wěn)的控制因素主要有大斷裂或活斷裂、軟弱夾層等軟弱結構面。

滑坡是傾倒變形發(fā)展到極致的產物［20］，在坡體演化末期，主要以斷裂巖層的位置重分布為主要變形特征，次級折斷面形成，破碎巖層之間進一步被壓縮，坡體進一步發(fā)生失穩(wěn)破壞［21］。西藏扎拉水電站工程區(qū)彎曲型傾倒變形邊坡是巖層在長期的自重荷載作用下發(fā)生的蠕變，是地質歷史過程中的產物。目前該邊坡處于彎曲變形期，傾倒巖體與正常巖體的彎曲界面類似褶皺軸面的彎曲變形，沒有形成貫通性失穩(wěn)界面，弱傾倒變形區(qū)也未發(fā)現(xiàn)大斷裂或長大軟弱結構面。傾倒變形邊坡前緣發(fā)育階地，河流下切對該邊坡已無直接影響。因此，天然條件下產生沿彎曲界面整體失穩(wěn)或深層、大規(guī)模失穩(wěn)的可能性不大；工程建設應盡量減小對傾倒變形邊坡的擾動，避免大開挖。

4? 彎曲型傾倒變形邊坡防治對策

西藏扎拉水電站彎曲型傾倒變形邊坡的現(xiàn)狀破壞主要發(fā)生在強傾倒變形區(qū)，破壞模式主要是表層剝落與崩塌、淺層滑移。

表層剝落與崩塌分布范圍廣，但單次破壞規(guī)模一般較小，建議根據(jù)防護對象采取主動防護網(wǎng)或被動防護網(wǎng)。淺層滑移的控制性因素是傾向坡外的長大結構面，其分布深度不大，建議采取錨固措施，限制傾倒變形巖體沿結構面的變形，從而達到治理目的。

根據(jù)相關案例，傾倒變形邊坡發(fā)生深層、大規(guī)模失穩(wěn)的控制因素主要有大斷裂或活斷裂、軟弱夾層等軟弱結構面。西藏扎拉水電站彎曲型傾倒變形邊坡彎曲界面及深部弱傾倒變形區(qū)沒有形成貫通性失穩(wěn)界面，產生沿彎曲界面整體失穩(wěn)或深層、大規(guī)模失穩(wěn)的可能性不大。建議對于重要的工程邊坡進行變形監(jiān)測，如果邊坡變形趨于穩(wěn)定，在避免擾動的前提下，可不采取處理措施；如果變形進一步發(fā)展，則可能導致破壞，需考慮傾倒變形的防治措施。

5? 結? 論

（1）? 表層剝落與崩塌是彎曲型傾倒變形邊坡的常見破壞模式，傾倒及卸荷、風化是主要影響因素，降雨是主要誘發(fā)因素。此類破壞分布范圍廣，但單次破壞規(guī)模一般較小，建議根據(jù)防護對象采取主動防護網(wǎng)或被動防護網(wǎng)。

（2）? 淺層滑移發(fā)育在強傾倒變形區(qū)，巖體傾倒變形、卸荷、風化等為邊坡的滑移破壞提供了物質基礎，傾倒變形過程中產生的傾向坡外的裂隙面是控制性因素，切腳是誘發(fā)因素。淺層滑移分布深度不大，建議采取錨固措施。

（3）? 西藏扎拉水電站彎曲型傾倒變形邊坡彎曲界面及深部弱傾倒變形區(qū)沒有形成貫通性失穩(wěn)界面，產生沿彎曲界面整體失穩(wěn)或深層、大規(guī)模失穩(wěn)的可能性不大。

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（編輯：江? 文）

Study on failure mode of flexural toppling deformation slope

BAI Qin1， ZHANG Bingxian2， YU Bingyang1， LEI Ming2

（1.Xizang Datang Zhala Hydropower Development Co.，Ltd.，Changdu 854000，China；

2.Changjiang Geotechnical Engineering Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

In order to analyze the failure mode of flexural toppling deformation slope，taking Xizang Zhala Hydropower Station as the research object，the failure mode and control factors of flexural toppling deformation slope under natural and excavation conditions were analyzed. The results showed that the main failure modes of the curved toppling slope were surface spalling and collapse，shallow slip，deep or large-scale instability. ① Spalling and collapse usually occurred on the slope surface，and the rock mass on the slope surface was broken under the action of toppling deformation，unloading and weathering，and spalling and collapse were easy to occur under the action of slope flow generated by rainfall. ② Shallow slippage developed in the strong toppling deformation area，and the tensio-shear crack generated in the process of toppling deformation was the controlling structural plane of slope instability. When the cutting slope was excavated or the cutting foot was washed by the river，the slope would produce stress adjustment，which led to the penetration of the fracture surface outside the slope，and then landslide occurred. ③ The controlling factors of deep or large-scale slope instability were weak structural planes such as large faults，active faults and weak inter-layers. However，the bending interface of the flexural toppling deformation slope of Xizang Zhala Hydropower Station and the deep weak tipping deformation area didn′t form a penetrating instability interface，and the whole slope was in a stable state. The development characteristics and failure modes of the curved overturning slope in the project area were typical，and the research results can provide a reference for similar projects.

Key words：

flexural toppling deformation slope； failure mode； stability analysis； Zhala Hydropower Station； Xizang