反倾岩质边坡倾倒自稳特征研究

张虎 郑宇 余清涛 沈文超

摘 要：通过对边坡倾倒全过程的分析，提出了边坡倾倒破坏的“倾倒自稳状态”，基于此推导了自稳状态岩层倾角表达式，从表达式可见，自稳状态岩层倾角只与整体破坏面的倾角及岩层初始倾角有关。本理论的提出，对工程建设具有较好的指导意义。

关键词：反倾；岩质边坡；倾倒过程；自稳

倾倒破坏是岩质边坡的一种典型失稳模式，常发生于反倾岩质边坡中。国内外的水利水电、矿山等工程活动都出现了大量边坡倾倒破坏的现象，如国内的小湾水电站饮水沟边坡[1]、羊曲水电站边坡[2]等，国外的加拿大Frank 滑坡[3]、秘鲁的Ghurgar 岩崩[4]等。

二十世纪六十年代初，人们才开始逐渐认识到反倾向岩体边坡的工程地质问題，并开始加以研究。1976年，Goodman和Bray[5]首次对岩质边坡的倾倒破坏进行了系统的归纳研究，并提出了一种分析块状倾倒破坏的极限平衡法（G-B法）。随着后续研究的深入，不同学者[6-7]对G-B法计算模型进行了优化改进。对倾倒破坏的破坏机理与倾倒影响因素的研究，主要通过模型试验方法[8]和数值模拟方法[9]展开。

学者们对倾倒边坡展开了广泛深入的研究，但对倾倒全过程岩层特征的研究较少。分析边坡倾倒破坏过程的特征，有助于判别边坡所处的变形状态及趋势，进而开展相应的评价。

1 反倾岩质边坡倾倒过程分析

在陡倾坡内的坚硬层板状岩体，岩体在自重力矩的作用下，向临空方向作悬臂梁式倾倒，随着岩体倾倒变形的加剧，岩层之间相对错动，出现层面分离现象，此时岩层间的接触关系由面接触转变为点（线）接触。随着倾倒变形的进一步发展，岩层之间的错动逐渐增大，岩层层面之间逐渐接近以致紧密贴合，层面间的接触关系又由点（线）接触变成了面接触，对于此时的单个岩层来说，岩层不会产生进一步的倾倒，即边坡处于一种不再倾倒变形的相对稳定的状态，本文称之为“倾倒自稳状态”（以下简称“自稳状态”）。

总结以上分析，反倾岩质边坡倾倒过程可分为三个阶段：初始阶段、倾倒变形发展阶段、自稳阶段。

2 倾倒边坡自稳特征分析

取任一岩层i及其相邻岩层i+1，i-1进行分析，几何模型如图1所示。边坡达到自稳状态时， i+1层底面与i-1层顶面的垂直距离应为岩层厚度t，以此为基础展开分析：

以岩层i的转点O为圆心，做以岩层厚度t为半径的圆O，以i+1岩层的转点M做圆O的切线MN，则MN的倾角即为达到自稳状态时的岩层倾角，将其定义为自稳倾角ω。由图中几何关系可得以下等式：

其中，β为岩层倾角，ζ为倾倒岩层从初始状态到自稳状态的角位移，δ为整体破坏面与岩层法线的夹角，θ为整体破坏面的倾角，ψ为层面法线与水平面的夹角。

由式（1）可得：

ω=180°-2θ-β（2）

此即为倾倒边坡达到自稳状态时的岩层倾角表达式。从表达式可看出，ω只与整体破坏面的倾角及岩层初始倾角有关。

3 工程应用

本文提出的理论具有较好的工程实际应用价值。在获得倾倒边坡破坏面倾角及坡面岩层倾角时，代入式（2）进行分析，若此时岩层倾角大于自稳状态时的倾角，则表明该边坡仍有进一步产生倾倒的可能。判断边坡所处的状态对工程建设有很大的指导作用。对达到自稳状态之前的倾倒边坡，削坡或坡脚开挖等工程活动都会对边坡造成扰动，改变边坡的应力状态，进而加剧边坡的倾倒变形。虽然边坡可能在此过程中达到自稳状态，但由于应力的突然释放，边坡达到自稳状态时往往并不能立即停止变形，将直接过渡到崩塌或滑坡状态。而对于自稳状态的边坡，由于没有进一步倾倒的能力及空间，工程建设对其评价时，则主要考虑开挖引起其整体滑动的可能性。

4 结论

（1）基于对反倾岩质边坡倾倒的过程分析，提出了边坡倾倒的“倾倒自稳状态”，即边坡达到倾倒极限后的相对稳定的状态。

（2）推导了自稳状态岩层的倾角表达式，从表达式可看出，岩层自稳倾角只与整体破坏面的倾角及岩层初始倾角有关。

（3）本文提出的理论可用于指导边坡工程实践，具有良好的应用价值。

参考文献：

[1]杨根兰，黄润秋，严明，等.小湾水电站饮水沟大规模倾倒破坏现象的工程地质研究[J].工程地质学报，2006， 14（2）：165-171 .

[2]任光明，夏敏，李果，等.陡倾顺层岩质斜坡倾倒变形破坏特征研究[J].岩石力学与工程学报，2009，28（增1）：3 193-3 140.

[3] ADSL.阿尔伯塔自然灾害景观-弗兰克山体滑坡[EB/OL].2005.

[4]谭儒蛟，杨旭朝，胡瑞林.反倾岩体边坡变形机制与稳定性评价研究综述[J].岩土力学，2009，30（增2）：517–523.

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[6]汪小刚，贾志欣，陈祖煜，等.岩质边坡倾倒破坏的稳定分析方法[J].水利学报， 1996，（3）：7 -12 ，21.

[7]陈祖煜，张建红，汪小刚.岩石边坡倾倒稳定分析的简化方法[J] .岩土工程学报，1996， 18（6）：92-95.

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[9]蔡跃，三谷泰浩，江琦哲郎.反倾层状岩体边坡稳定性的数值分析[J].岩石力学与工程学报，2008，27（12）：2517-2522.