弯曲型倾倒变形边坡破坏模式研究

柏沁 张丙先 余冰洋 雷明

收稿日期：2023-09-09

作者简介：

柏  沁，男，高级工程师，主要从事工程管理工作。E-mail：172402645@qq.com

引用格式：

柏沁，张丙先，余冰洋，等.

弯曲型倾倒变形边坡破坏模式研究

［J］.水利水电快报，2024，45（6）：22-26.

摘要：

为了分析弯曲型倾倒变形边坡破坏模式，以西藏扎拉水电站为研究对象，分析了弯曲型倾倒变形边坡在天然状态、开挖工况下的破坏模式及其控制因素。结果表明：弯曲型倾倒变形边坡的破坏模式主要有表层剥落与崩塌、浅层滑移、深层或大规模失稳。① 剥落与崩塌发生在坡表，在倾倒变形及卸荷、风化作用下，坡表岩体破碎，在降雨产生的坡面水流作用下易发生剥落、崩塌；② 浅层滑移发育在强倾倒变形区，倾倒变形过程中产生的倾向坡外的张剪裂隙是边坡失稳的控制性结构面，当路堑边坡开挖或河水冲刷切脚时，边坡产生应力调整，导致倾向坡外的破裂面贯通，进而发生滑坡；③ 边坡发生深层或大规模失稳的控制因素是大断裂或活断裂、软弱夹层等软弱结构面。西藏扎拉水电站弯曲型倾倒变形边坡弯曲界面及深部弱倾倒变形区没有形成贯通性失稳界面，整体处于稳定状态。该工程区弯曲型倾倒变形边坡的发育特征和破坏模式具有典型性，研究成果可供类似工程借鉴。

关键词：

弯曲型倾倒变形边坡； 破坏模式； 稳定性分析； 扎拉水电站； 西藏

中图法分类号：TV61

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.06.004

文章编号：1006-0081（2024）06-0022-05

0  引  言

倾倒为岩质边坡变形破坏的典型形式，众多学者对此开展了大量的研究工作。关于边坡倾倒变形的形成机制和演化过程，韩贝传等［1］研究得出对边坡倾倒变形影响最大的因素是结构面的间距和结构面的力学参数；张发明等［2］发现导致岩体发生倾倒变形的外部因素是重力、地应力、卸荷方向与卸荷强度；李高勇等［3］指出整个倾倒体的演化具有长期性、累进性和阶段性的特征；李彦奇等［4］研究得出坡体倾倒变形破坏全过程为层间先出现相互错动，然后边坡自坡脚部位开始出现弯曲变形，随后坡体后缘出现拉张裂缝，与此同时边坡整体向临空面弯曲倾倒，最终形成2个或3个破坏面。

倾倒变形边坡的稳定性分析方面，韩贝传等［1］指出极限平衡法不适用这类边坡的稳定性研究；黄润秋等［5］指出建立在以“滑动”为基础的传统边坡稳定性分析方法不适用于此类边坡，提出了变形稳定性评价的理念，即在建立工程地质模型的基础上，进一步采用数值模拟或物理模拟的方法，量化分析倾倒变形的时间效应过程，分析评价倾倒变形体边坡的稳定性；王霄等［6］运用二维离散元和三维有限差分法，对边坡倾倒变形特征及破坏演化历程进行了模拟；黄达等［7］以离心模型试验为原型，结合离散元数值模拟，分析了倾倒变形的形成过程；郑达等［8］采用物理模拟分析了上硬下软倾倒变形边坡在开挖条件下的变形响应特征及破坏模式。

众多学者的研究工作促进了对边坡倾倒变形的形成机制、演化过程和稳定性分析等方面的认识，其中，工程地质模型是边坡稳定性分析的基础。边坡工程地质模型主要包括岩体结构、岩体参数和破坏模式等，其中岩体结构、岩体参数可采用地质测绘、勘探、试验等方法获得，破坏模式则需要进行综合分析判断。本文以西藏扎拉水电站工程区普遍发育的弯曲型倾倒变形边坡为研究对象，在详细勘察的基础上，结合施工过程中揭露的情况，分析了弯曲型倾倒变形边坡在天然状态、开挖及河流冲刷等工况下的破坏模式及其控制因素，分析弯曲型倾倒变形边坡的整体稳定性并提出了相应的防治对策。

1  工程概况

西藏扎拉水电站为Ⅱ等大（2）型工程，采用混合式开发，挡水建筑物为混凝土重力坝，最大坝高70 m。引水发电建筑物主要由引水隧洞和地面电站厂房组成，引水线路长约5.5 km。枢纽工程区地处横断山脉高山峡谷区，边坡主要由板岩组成，普遍发生倾倒变形，尤以弯曲型倾倒变形较为典型，其分布广、规模大，是该工程的主要技术难点之一。

2  弯曲型倾倒变形边坡基本特征和变形机制

2.1  基本特征

西藏扎拉水电站所在河谷深切，河谷边坡大部分由薄层状板岩组成，岩层走向为北北西，与河谷走向基本一致，倾向为南西西，两岸边坡为层状同向结构或层状反向结构，岩层正常板理面倾角70°～85°，大部分发生弯曲型倾倒变形，倾倒后的岩体（以下简称“倾倒岩体”）底界水平深度62～85 m。倾倒岩体与正常岩体界面呈折而不断或断续拉裂，类似褶皱轴面的弯曲变形（图1）。自坡内向坡外倾倒岩体性状逐渐变差，大致可分为两个区：①  弱倾倒变形区，底界水平深度62～85 m，大部分表现为层状结构；② 强倾倒变形区，底界水平深度11～26 m，呈散体-碎裂结构［9］。边坡岩体强风化带水平深度11～26 m，弱风化带水平深度大于104 m；强卸荷水平深度37～54 m，弱卸荷水平深度62～85 m。

除板理外，边坡倾倒岩体结构面以裂隙为主：① L1，产状N16°W/NE∠47°，间距20～40 cm，迹长在5 m以上，张开宽度约1～5 mm，充填岩屑或无充填，平直粗糙或状粗糙；② L2，产状N5°E/SE∠71°，与板理面近垂直相交，间距5～30 cm，张开宽度0～10 mm，多数无充填，仅少数充填岩屑，平直粗糙为主。

2.2  变形机理

相关研究表明，边坡弯曲型倾倒的变形机理是陡倾的薄层板状岩层在自重荷载产生的弯矩作用下，向临空方向发生类似悬臂板梁的连续弯曲变形，层间发生滑移［10-13］。这一过程是长期的，弯曲变形的本质是地质历史时期岩层在长期自重荷载作用下所发生的蠕变变形［14］。

西藏扎拉水电站工程区河谷边坡经历了较长地质历史时期。在河谷下切、边坡形成的过程中，陡倾的薄层板状岩体在卸荷回弹和自重弯矩的共同作用下，开始向临空方向发生悬臂梁式倾倒。从外因分析，其初始弯曲动力来自边坡卸荷，由于边坡的卸荷作用，一方面致使岩层的板理化显现出来，另一方面，卸荷松弛致陡倾顺层向临空面回弹，从而使其板理化重心由倾坡内转向坡外，然后在岩体自重作用下，继续产生倾倒变形。从内因来看，板岩属软质岩或中等偏软岩，且弯曲面水平深度62～85 m，具有一定的围压，岩体表现出塑性变形的性质，因此这种倾倒变形主要表现为弯曲变形。为适应这种变形，沿岩体发育的抗剪强度较低的板理面发生层间剪切滑移变形，垂直层面发生拉张裂隙。随着河谷的不断下切，变形由坡体浅表部逐渐向深部发展，越向坡外，变形越大，同时由于风化作用对坡表岩体的改造，自坡内向坡外倾倒岩体性状逐渐变差。

3  弯曲型倾倒变形边坡破坏模式

鲍杰等［13］将岩体倾倒变形的形成与演变归纳为4个阶段，依次为：① 卸荷回弹-倾倒蠕变发展阶段；② 层内拉张、切层张剪破裂发展阶段；③ 弯曲-折断变形破裂发展阶段；④ 底部滑移-后缘深部折断面贯通破坏阶段。从西藏扎拉水电站工程区边坡的变形破坏特征来看，除了浅部的坠覆和松弛外，大部分倾倒岩体呈层状结构，倾倒岩体与正常岩体界面主要为弯曲变形，仅断续折断，处于第三阶段的弯曲变形期。弯曲型倾倒变形边坡的破坏模式主要有边坡表层剥落与崩塌、浅层滑移。

3.1  表层剥落与崩塌

西藏扎拉水电站工程区弯曲型倾倒变形边坡表层属强倾倒变形区，岩体呈散体-碎裂结构，破坏模式主要为表层剥落与崩塌，其特征见图2。

在边坡倾倒变形过程中，由于卸荷回弹在坡体出现张裂隙，即卸荷裂隙。长期的风化作用一方面使岩体中原有的裂隙面扩大、加宽，另一方面产生新的裂隙。卸荷、倾倒、风化这3种作用是共同作用、相互影响的。也就是说，在倾倒变形发育过程中，表层岩体发生松弛、破裂，伴随着卸荷、风化，坡表岩体破碎，呈散体-碎裂结构，在降雨产生的坡面水流作用下易发生剥落，岩块与母岩分离剥落，并形成凹腔，使得部分岩块临空，进而发生局部崩塌，稳定性评价依据包括底面悬空程度、后缘结构面特征、高厚比［15］。

剥落与崩塌发生在坡表强倾倒变形区，倾倒及卸荷、风化是主要影响因素，降雨是主要诱发因素。表层剥落与崩塌分布范围广，随着时间的推移不断产生破坏，但单次破坏规模一般较小。

3.2  浅层滑移

3.2.1  路堑边坡开挖造成的浅层滑移

西藏扎拉水电站场内公路路堑边坡开挖过程中发生滑塌，滑塌体横向宽约48 m，纵向长约71 m，厚约5～7 m，体积约2.1万m3（图3）。该段公路自然边坡坡度45°～55°，边坡岩性为板岩，板理面倾向约72°，倾角约23°，呈逆向坡。边坡浅表层属强倾倒变形区，岩体呈强风化状，倾向坡外长大裂隙发育，裂隙面倾向230°～270°，倾角40°～65°，迹长10～30 m。该段公路边坡浅表层岩体因倾倒及卸荷、风化等作用，岩体破碎，倾倒变形过程中产生倾向坡外的层内拉张-切层的张剪破裂。路堑边坡开挖切脚，边坡应力调整，导致倾向坡外的破裂面贯通，进而沿倾向坡外的结构面发生滑移而形成滑坡（图4）。倾倒变形产生的倾向坡外的结构面是产生浅层滑移破坏的控制因素，路堑边坡开挖切脚是诱发因素。

岩体卸荷、倾倒变形、风化等为边坡的滑移破坏提供了物质基础，倾向坡外的长大裂隙是控制性因素，路堑边坡开挖切脚是诱发因素。

3.2.2  河流冲刷掏脚造成的浅层滑移

西藏扎拉水电站上游约12 km处河流左岸属倾倒变形边坡。2014年8月右岸冲沟发生泥石流阻塞河道形成堰塞湖，后来河水沿左岸坡脚冲刷形成下泄通道。因河水冲刷掏脚自坡表向坡内渐次发生垮塌［16］，坡面可见倾向坡外的结构面（图5）。倾倒变形产生的倾向坡外的结构面是产生浅层滑移破坏的控制因素，河水冲刷掏脚是诱发因素。

3.3  深层或大规模失稳

边坡的整体稳定性或深层、大规模失稳通常是最为关注的问题。苗勇勤等［17］对抚顺西露天矿北帮西区W200～W600区段边坡变形破坏研究得出，深大断裂为边坡变形、破坏提供了边界条件，而软弱夹层是产生变形、滑移破坏的控制因素。白永健等［18］对川藏公路茶树山滑坡研究得出，自重推力及断层活动是发生滑动的主要影响因素，地震活动、降雨是诱发因素。铁永波等［19］研究了川藏铁路卡子拉山滑坡，滑坡的影响因素主要有区域断层活动、岩层结构、高寒冻融循环、地震。综上所述，倾倒变形边坡发生深层、大规模失稳的控制因素主要有大断裂或活断裂、软弱夹层等软弱结构面。

滑坡是倾倒变形发展到极致的产物［20］，在坡体演化末期，主要以断裂岩层的位置重分布为主要变形特征，次级折断面形成，破碎岩层之间进一步被压缩，坡体进一步发生失稳破坏［21］。西藏扎拉水电站工程区弯曲型倾倒变形边坡是岩层在长期的自重荷载作用下发生的蠕变，是地质历史过程中的产物。目前该边坡处于弯曲变形期，倾倒岩体与正常岩体的弯曲界面类似褶皱轴面的弯曲变形，没有形成贯通性失稳界面，弱倾倒变形区也未发现大断裂或长大软弱结构面。倾倒变形边坡前缘发育阶地，河流下切对该边坡已无直接影响。因此，天然条件下产生沿弯曲界面整体失稳或深层、大规模失稳的可能性不大；工程建设应尽量减小对倾倒变形边坡的扰动，避免大开挖。

4  弯曲型倾倒变形边坡防治对策

西藏扎拉水电站弯曲型倾倒变形边坡的现状破坏主要发生在强倾倒变形区，破坏模式主要是表层剥落与崩塌、浅层滑移。

表层剥落与崩塌分布范围广，但单次破坏规模一般较小，建议根据防护对象采取主动防护网或被动防护网。浅层滑移的控制性因素是倾向坡外的长大结构面，其分布深度不大，建议采取锚固措施，限制倾倒变形岩体沿结构面的变形，从而达到治理目的。

根据相关案例，倾倒变形边坡发生深层、大规模失稳的控制因素主要有大断裂或活断裂、软弱夹层等软弱结构面。西藏扎拉水电站弯曲型倾倒变形边坡弯曲界面及深部弱倾倒变形区没有形成贯通性失稳界面，产生沿弯曲界面整体失稳或深层、大规模失稳的可能性不大。建议对于重要的工程边坡进行变形监测，如果边坡变形趋于稳定，在避免扰动的前提下，可不采取处理措施；如果变形进一步发展，则可能导致破坏，需考虑倾倒变形的防治措施。

5  结  论

（1）  表层剥落与崩塌是弯曲型倾倒变形边坡的常见破坏模式，倾倒及卸荷、风化是主要影响因素，降雨是主要诱发因素。此类破坏分布范围广，但单次破坏规模一般较小，建议根据防护对象采取主动防护网或被动防护网。

（2）  浅层滑移发育在强倾倒变形区，岩体倾倒变形、卸荷、风化等为边坡的滑移破坏提供了物质基础，倾倒变形过程中产生的倾向坡外的裂隙面是控制性因素，切脚是诱发因素。浅层滑移分布深度不大，建议采取锚固措施。

（3）  西藏扎拉水电站弯曲型倾倒变形边坡弯曲界面及深部弱倾倒变形区没有形成贯通性失稳界面，产生沿弯曲界面整体失稳或深层、大规模失稳的可能性不大。

参考文献：

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［21］  杨豪，魏玉峰，张御阳，等.基于离心试验的反倾层状岩质边坡内非贯通性裂缝变形特性分析［J］.水文地质工程地质，2022，49（6）：152-161.

（编辑：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