黄河上游某水电站坝址区顺层岩质斜坡变形破坏模式及成因机制分析

刘金水，李 璐，孙 诚，刘乃康，刘 高，2

（1. 兰州大学 土木工程与力学学院，甘肃 兰州730000；2. 兰州大学 西部灾害与环境力学教育部重点实验室，甘肃 兰州730000）

0 引言

近年来国内外发生了大量层状斜坡失稳破坏造成的灾难性事故，如意大利瓦依昂水库滑坡[1]、四川省宣汉县天台乡滑坡[2]，二滩坝址区附近霸王山滑坡[3]。层状岩质斜坡在工程建设中较为常见，其变形破坏类型多、危害大、频率高[4]。在水利水电工程中，往往涉及数百米甚至上千米的岩质高边坡，变形体的工程地质问题成为水电站建设必须解决的重大工程技术问题之一。

层状岩质斜坡根据斜坡的坡向和岩层的倾向可分为水平层状岩质斜坡、顺层岩质斜坡、反倾岩质斜坡、斜交层状岩质斜坡以及正交岩质斜坡。其中，顺层岩质斜坡稳定性差，易发生较严重地质灾害[5]。对于顺层岩质斜坡，根据岩层倾角和坡角的关系分为插入式顺层斜坡、同层式顺层斜坡和切层式顺层斜坡[6]。不同的斜坡类型其变形破坏模式也不同，顺层岩质斜坡变形破坏模式主要集中在滑移—拉裂型和滑移—弯曲型两种[7]。近年来许多学者发现顺层岩质斜坡还存在倾倒变形破坏。Mcaffee 等发现加拿大某缓倾斜坡的顺向倾倒变形由节理面控制[8]，引发学界对顺层斜坡倾倒变形破坏的关注[9-10]。

Regmi AD 等认为裂隙和断裂在重力作用下的变形以及陡立的坡角是岩体发生倾倒的主导因素[11]。施裕兵认为倾倒变形容易发生在由陡倾或直立的层状岩体组成的中—陡坡中，陡倾板状岩体在自重作用下，发生弯曲倾倒变形[12]。任光明[13]指出陡倾顺层岩质斜坡在软硬相间、力学性质相差较大的条件下易发生倾倒变形，并提出顺层倾倒的一般演化过程。张良喜等人认为陡倾顺层岩质斜坡的变形模式为蠕滑—倾倒，最终表现为滑坡[14]。总体来说，对于陡倾顺层岩质斜坡，学界对其变形破坏模式及成因机制已经具备一定程度的研究和认识。但是对于中—陡倾顺层岩质斜坡的倾倒变形问题，学界尚未深入研究其变形破坏模式及成因机制。

本文以茨哈峡5#和6#倾倒体为例，通过野外实地调查，查清研究区的工程地质条件及倾倒体变形破坏特征，并初步考虑反转应力在倾倒演化过程中的作用，分析中—陡倾厚层岩质斜坡倾倒的变形破坏模式、力学机理及成因机制。

1 研究区工程地质条件

研究区5#、6#倾倒体位于坝址区右岸坝轴线上游，整体情况见图1。峡谷被黄河深切为V 字型，两岸高陡。研究区夏季降雨量大而集中，冬季降雨稀少。岩性较弱的泥岩和板岩受季节性流水冲刷，表现为坡体沟壑纵横，5#、6#倾倒体即以冲沟为界，沟深约10～20 m，为岩体倾倒创造良好的次级临空条件。因而5#、6#倾倒体具备冲沟、河谷三面临空的特殊地形条件。

图1 研究区全貌图Fig.1 Research area overview

研究区主要出露三叠系中统变质砂岩（T2-Ss）和板岩（T2-Sl），局部有砂岩夹板岩（T2-Ss+Sl）。岩层总体产状330°～345°∠60°～82°，为一典型的中—陡倾顺层岩质斜坡。坡体上覆第三系上新统（N2）紫红色粉砂质泥岩及第四系上更新统冲洪积砂砾石层（Q3pl+al-sgr） 和黄土状粉土。第三系泥岩主要分布在倾倒体上部3000 m 左右，出露较为完好，最大厚度约为40 m。砂砾石层覆于泥岩之上，坡体上部广泛分布，从地表露头看，其厚度超过20 m。黄土状粉土分布于坡顶，总体上岸坡前缘稍薄，向坡内方向逐渐变厚，地表露头显示，最大厚度超过20 m。

研究区岸坡无大断裂构造发育，该区域层间错动带较发育，产状主要集中在358°∠59°。对平硐内节理统计表明，该区域主要发育两组优势节理，第一组产状为306°∠21°，第二组优势产状为189°∠20°。

平硐洞壁或拱顶的岩体均无剥落或片帮现象，表明研究区的地应力不高。根据八组平硐内实测的地应力资料，应力值大小为4～6MPa。

2 岩体的变形破坏特征分析

研究区岩体的变形破坏特征主要表现为倾倒。原覆盖于斜坡顶部的第四系粉土、砂砾卵石层及新近系泥岩风化后在流水、风力搬运或者自身重力作用下，向坡底滚落，崩积散落于坡面，填塞倾倒岩体层间空隙。因而外观上岩体倾倒特征并不明显。但是从岩层裸露处仍然可以看出，层状岩体已表现出向临空方向弯曲的趋势，裸露岩体表面卸荷裂隙发育，表面极为破碎，如图2（a）所示。

在坡体中下部，板岩向河谷强烈弯曲倾倒，产状163°∠37°，与原岩产状相比，倾倒岩体倾向发生了近一百八十度偏转，倾角偏转了60°以上。此处板岩最薄处不到1 cm，板岩岩层中部甚至完全折断，折断岩体层序尚可分辨，岩层错动明显，空隙尚未被填塞。表明岩体尚未发生进一步破坏，如图2（b）所示。

由于坡体冲沟发育，下切较深，5#、6#倾倒体具备冲沟、河谷三面临空条件，整体地势陡峻、局部岩体倾倒变形严重。岩体不仅向河谷方向倾倒，也向冲沟内弯曲变形，如图2（c）所示。在5#、6#倾倒体界沟内，岩体即向冲沟内发生弯曲并折断。此处板岩厚度为5～10 cm，弯曲折断点上部岩层产状为SE174°∠67°，折断点下部岩层产状为NW341°∠82°，倾向发生近一百八十度偏转，已然倾倒。折断岩体仍保持层状，岩层脱空，岩体松散张开，层间错动明显，如图2（d）所示。

该处倾向冲沟的倾倒变形体表明，冲沟对岩层倾倒影响甚大，甚至改变坡体的应力分布，改变坡体的卸荷、倾倒方向。

图2 板岩变形特征Fig.2 Slate deformation characteristics

统计5#倾倒体岩层产状，倾角随高程变化如图3 所示。从图中可知，坡体下部岩层倾角为69～81°，而岩层的倾向与母岩相反，表现为倾倒变形；在坡体中部，岩层倾角基本在42～60°之间，倾向相反，岩体发生反倾变形。坡顶岩层倾向接近于原岩，倾角较原岩略大，向河谷方向弯曲变形。总体表现为，从坡脚到坡顶，岩体倾向与原岩逐步趋于一致，即倾倒变形趋势逐步缓和。

图3 倾角随高程的变化Fig.3 Inclination angle with elevation

3 力学机理

反转应力法最早由J.M. Duncan 提出并应用于地下工程的开挖稳定性分析[15]。围岩开挖，临空面生成，原本三向平衡的应力状态突然被打破，这部分未被平衡的应力便向后方岩土体转移，同时与开挖岩体等效的释放应力即作用于开挖面上。在实际应用中与有限元思想结合，将围岩划分为一个个单元体，假设单元体的节点应力已知，单元体节点之间的反转应力线性分布，则通过线性插值即可求得开挖面上的应力。

由于研究区坝址位于黄河上游河谷，尚处于青年期的河谷仍在不断侵蚀下切，可以认为当今岸坡岩体应力释放尚未完成，因此本文认为，反转释放应力在该处斜坡的变形力学机制分析中不可或缺。

本文简要分析了坡脚岩体的受力情况，将中—陡倾层状砂岩斜坡简化为梁板模型，如图4（a）所示。河谷下切，坡体卸荷，岩层在反转应力T 的作用下向坡外初始弯曲，当板岩弯曲近直立时，在自重及上覆荷载作用下发生折断倾倒破坏，如图4（b）所示。

图4 基本力学模型Fig.4 Basic mechanical model

根据右手坐标系力学模型，沿岩层方向为x 轴，y 轴方向垂直向上，将岩层简化为自由端受力的悬臂梁，作用力F，转角为β、挠度为yc。

在岩层走向上选取单位宽度，岩体荷载包括岩体自重G、上覆岩土体的压力P 及水平反转应力T。岩层倾角为α，岩层厚度为t，岩层长度为l。计算该简化模型，自由端受力F为：

式中：γ—岩层的容重，N/m；G—岩体自重，MN；P—上覆岩土体的压力MN；T—水平反转应力，MPa；A—单位面积，m；α—岩层的倾角，（°）。

荷载作用下梁的转角β 和挠度yc公式[16]为：

式中：E—岩层弹性模量，MPa；Iz—梁横截面惯性矩，Iz=t3/12。

在反转应力、自重、上覆岩土体三种荷载共同作用下，厚层砂岩向外弯曲而为近直立。参考刘红岩等[17]提出的倾倒失稳的极限长度公式，研究区近直立岩层发生倾倒变形的临界长度lcr为：

式中：γ—岩体容重，N/m；t—滑动岩层厚度，m。

通过野外考察以检验公式的适用性。研究区板岩倾角普遍大于60°，当其向外发生偏转为直立时，岩层上部自由端偏转角只需小于等于30°即可。取板岩倾倒体的岩体力学参数为：E=1600 MPa；γ=2720 kg/m3；t=0.5 m。将参数代入上述公式，岩层不发生倾倒变形破坏的极限长度为21.55 m，自由端受力F 为0.037 MN，上覆荷载为0.614 MN，单位体积岩体自重0.575 MN，则岩层顶部受到的水平反转应力最大为0.63 MN，单位面积反转应力约为0.63 MPa。茨哈峡坝址区地应力实测值普遍为4～6 MPa，因此5#倾倒体前部中陡倾板岩满足发生倾倒变形破坏的条件。

4 倾倒变形破坏成因机制分析

4.1 顺层岩质斜坡倾倒成因

第三纪以来青藏高原隆升及黄河不断下切侵蚀形成了当地山高谷深的地形地貌，同时导致坡体应力释放、岩层弯曲变形，而研究区相对软弱的板岩与相对硬质的砂岩差异性风化又为倾倒的发生提供了有利条件。

从坡顶崩积的粉土、砂卵砾石及泥岩岩屑填塞层间空隙，其良好的持水能力在雨季时对岩板产生静水压力。此外松散堆积体还成为泥石流的物源，顺沟而下刨蚀扩大原有冲沟，导致山高沟深，为坡体倾倒创造了良好的次级临空条件。而在两组交叉呈”X”型节理的切割下，又使坡体在弯曲到一定程度后折断。最终岩层在水平翻转应力、自重应力、上覆岩体应力、静水压力的共同作用下发生倾倒。

4.2 顺层岩质斜坡倾倒演化过程

在内外动力地质作用下，顺层岩质斜坡倾倒主要分为三个过程。

4.2.1 初始变形阶段

在初始变形阶段，河流强烈下切，河谷右岸基岩裸露而形成顺倾层状岩质斜坡。在此阶段，斜坡变形具体表现为，斜坡顶部的松散覆盖层首先向临空方向卸荷，在坡体后缘产生拉裂缝，见图5（a）。经过风化剥蚀，坡顶残积土层在自重应力作用下向河谷方向蠕滑，并推动下伏岩层向临空方向弯曲，力学上表现为层状岩层垂直于悬臂梁自由端的横向弯曲变形。随着坡体不断向河谷方向蠕滑，坡体上部产生倾倒变形，表现为岩层反翘，见图5（b）。

图5 斜坡变形初期Fig.5 Initial stage of slope deformation

4.2.2 加速变形阶段

在此阶段，黄河加速下切，下伏三叠系岩层形成高陡边坡。随着边坡高度不断增大，坡体受到浅表生作用的改造更加强烈，并进一步卸荷，逐渐在横向上形成内部拉裂带，在纵向上形成层间错动带。

当倾倒变形发展到一定阶段时，板岩受到的剪应力超过抗剪强度，表部岩块沿层面拉裂并向外倾倒、崩塌，见图6（a）。随着黄河继续下切、表层岩体剥落，斜坡内部的砂岩逐渐出露，在反转应力、上覆荷载及岩体自重共同作用下，岩层进一步弯曲变形。黄河下切后期，斜坡坡度变缓，碎屑物质填塞于层间，地下水入渗，产生的静水压力加速岩层的倾倒变形过程，如图6（b）所示。

图6 斜坡变形中期Fig.6 Mid-slope deformation

4.2.3 贯通失稳阶段

随着黄河不断下切，倾倒变形向斜坡深部和下部发展，并逐渐在最大弯曲部位产生放射状排列的拉张裂隙。当拉张裂隙与层面贯通时，岩体随之倾倒，并沿坡面滑移，覆于母岩之上。拉裂带呈上陡下缓的近折线型。在重力作用下，斜坡岩土体进一步沿着拉裂面发生滑移，如图7（a）所示。

倾倒岩体支撑母岩，阻止岩层发生进一步变形，有利于岩层的稳定性。但经过风化剥蚀，松散的倾倒岩体在重力、水流的作用下被搬运，坡形变缓。上部产生剪切蠕动或滑动变形的岩层倾角逐渐变小，靠近剪切变形带的下伏岩体由于溃曲变形而具有明显的倾倒现象，其倾角由上至下逐渐变大，倾向与母岩相反，如图7（b）所示。

图7 斜坡变形后期Fig.7 Late slope deformation

由于岩体崩塌和地表水的冲蚀，坡体表部发育一系列冲沟，为岩体倾倒创造良好的次级临空条件。岩层向冲沟临空面卸荷，发生旋转式倾倒，岩层走向发生大角度偏转。最终形成当前的斜坡形态。

5 结论

本文分析顺层岩质斜坡的变形破坏特征、力学成因及演化过程，得出以下结论：

（1）研究区斜坡为顺层层状岩质斜坡，其变形破坏模式为弯曲—倾倒，在中部冲沟处更为明显。

（2）在反转应力作用下，岩层发生初始变形，向外弯曲，拉裂，在上覆岩土体荷载、自重作用下最终倾倒。

（3）研究区倾倒演化过程：在河流下切初期，坡体卸荷，后缘产生拉裂缝，表现为悬臂梁式横向弯曲变形。随着河谷下切加深，坡体进一步卸荷，在反转应力、上覆岩土体荷载及自重作用下，较弱的板岩逐渐被剪断，砂岩出露。在上述荷载及静水压力作用下，逐渐发生倾倒变形；在岩层弯曲处产生拉张裂隙，向下部和深部不断发展贯通，上部破碎岩体沿坡面滑动，下部岩层反转，最终表现为岩层的倾倒变形。