水電工程傾倒變形體發育特征及分布規律研究

趙 小 平， 張 世 殊， 冉 從 彥， 胡 金 山， 許 源

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

從20世紀70年代以來，傾倒變形體已得到了巖土工程界的高度重視，并取得了較為成熟的成果。 國外學者如Frietas和Watters[1]在1973年明確將傾倒變形作為一種特殊的邊坡變形類型；Goodman和Bray[2-4](1976)將傾倒破壞形式分成了三大類，即彎曲式傾倒、巖塊式傾倒、巖塊彎曲復合式傾倒，并基于極限平衡理論最早提出了傾倒穩定分析方法(簡稱G-B法)；之后，由Caner Zanbak，Aydan，Bobet等[5-9]人建立了基于靜力平衡方法的傾倒變形破壞問題的分析方法；Cruden和Hu[10]在Alberta(1994)發現了貫通性不連續面傾向與坡向一致，但傾角比坡腳陡的邊坡存在大量的傾倒變形現象，即順層傾倒，并將其分為塊狀彎曲傾倒(Block flexure topple)、多重塊體傾倒(Multiple block topple)和人字型傾倒(Chevron topple)三種基本類型。國內對傾倒變形的研究起步較晚，國內諸多學者在傾倒變形體變形機制及規律研究方面的成果大致從巖體結構的控制作用，地應力的作用與釋放，或風化作用等不同因素探討了反傾巖體變形破壞的機理。王蘭生、張倬元等[11]詳細討論了傾倒變形發育的坡體結構條件及演化發展過程，闡述了其啟動機制并建立了相應的失穩判據。韓貝傳、王思敬[12](1999)把傾倒變形的影響因素歸納為：初始應力場、邊坡初始坡型、邊坡開挖深度與角度、巖體與層面力學參數、層面幾何特性即層面間距與傾角、開挖后地下水位變化、巖體對歷史上應力與變形的記憶功能等。但隨著工程建設需求的增長，礦山開采、水電開發等工程活動日益頻繁，傾倒變形現象在黃河小浪底、紅水河龍灘、岷江紫坪鋪、雅礱江錦屏、瀾滄江小灣、大渡河金川、金沙江虎跳峽、白龍江苗家壩等水利水電工程中具有此類地質結構條件的邊坡被大量發現和揭露，并引起了眾多國內學者的關注，諸多學者充分運用傾倒變形體的主要研究方法，如物理模擬方法、運動學分析法、極限平衡分析法及數值模擬法，在傾倒變形體變形破壞特征及形成機理等方面取得了更加深刻的認識。如黃潤秋[13](2004)在對中國高邊坡的系統性總結中，明確將壓縮—傾倒納入傾倒變形的范疇，并依據邊坡內部結構的不同及相應變形表現形式的差異，進一步將其劃分為壓縮-傾倒-拉裂型和壓縮-傾倒-剪脹型兩類；陳孝兵等[14]用底摩擦試驗模擬分析瀾滄江某水電站壩肩反傾邊坡的傾倒變形巖體進一步發展演變過程及特征；蔡國軍等[15]采用不同材料配比進行試驗，在不同開挖坡比的條件下，研究分析錦屏一級水電站壩址左岸反傾邊坡的變形破裂響應。

盡管目前針對傾倒變形體的分類、變形演化及穩定性分析評價等方面均有重要的研究成果，但對于傾倒變形體的系統性的分布規律及發育特征等尚未有報道。本文主要依托多年來水電工程實踐過程中所遇到的傾倒變形問題，基于21個反向坡傾倒變形體及10個順向坡傾倒變形體的發育特征及分布規律統計,對其發育位置、發育條件、空間分布及巖性組合等方面進行系統性的分析總結，為傾倒變形體的初步判識、勘察評價及危害防治等提供分析基礎。

2 水電工程傾倒變形體的發育特征

與其他類型的斜坡變形破壞一樣，傾倒變形體有其特定的發育環境，并非在各種條件下均能發生傾倒變形現象。一般來說，斜坡的變形破壞形式受控于其所處的地質環境特征。地質環境是地質體所處的環境，包括地形地貌特征、巖性特征等條件。本文通過搜集國內近幾十年來較為典型的傾倒變形體，分析其坡體發育的空間分布特征、坡體地質結構、巖性組合、微地貌特征以及變形破壞特征等，進而得出傾倒變形體發育的地質環境條件，為分析傾倒變形體影響因素提供依據。

2.1 水電工程傾倒變形體發育特征統計

(1)反向坡傾倒變形發育特征統計。早期從事巖石力學與工程地質的學者和工程師認為反傾層狀巖質邊坡由于沒有變形空間，一般是自穩邊坡，通常不會發生大規模的變形破壞，而是一些小規模的崩塌落石。隨著工程實踐經驗的豐富和認識的不斷深入，人們逐漸認識到在各類反傾巖質邊坡中可以發生變形破壞，甚至是大型深層的滑動破壞。野外調查發現，并非所有反傾巖質邊坡均會發生傾倒變形現象，正如并非所有的坡體都會發生滑坡一樣，發生該變形破壞事件在眾多的反傾巖質斜坡中只是少數。因此，通過對傾倒體進行統計分析，得出發生傾倒變形的坡體發育的地質環境特征，有助于獲取影響坡體發生傾倒變形的因素，有利于傾倒變形體的早期判識。近年來國內較為典型的反向坡傾倒變形體的變形破壞特征統計情況(表1)。

基于上述傾倒變形體的發育特征統計，筆者將從順向坡及反向坡兩種情況分別闡述傾倒變形體在發育地貌特征及巖性組合上的差異及規律。

2.2 水電工程傾倒變形發育地貌特征

(1)反向坡傾倒變形發育地貌特征。反向坡傾倒變形發育坡角一般大于30°，以40°～50°最為多。坡體相對高差以100～200 m和300～400 m居多，相對高差在500 m以上的坡體僅占1/4(圖1)。

(2)順向坡傾倒變形發育特征統計。作為一類近期才被認識的邊坡變形失穩形式，順向坡傾倒變形應當引起足夠重視。在這類邊坡中，由于巖層沒有滑移邊界和空間，故其變形失穩的邊界需要一個較長的時間來形成。在這個時間段內，巖體可以發生充分的表生改造和時效變形，巖體質量充分劣化，容易形成大規模的滑坡。對部分典型的順層巖質邊坡傾倒變形體的變形發育特征統計(見表2)。

表1 反向坡傾倒變形體發育基本特征

編號位置變形破壞特征微地貌18糯扎渡水電站傾倒變形體開挖揭露坡面張裂裂隙,較陡的裂隙多張開,充填巖屑,剖面可見彎曲現象,坡腳有墜覆巖塊。巖層間錯動,巖塊呈脆性折斷,下部斷層帶壓縮變形凸形坡,坡面總體較平順19如美水電站傾倒變形體坡表拉裂,傾倒程度強烈,局部巖體架空,巖層彎折,層間錯動形成反坡臺坎。坡表松動架空,層內拉裂,根部張剪,切層破壞,呈脆性破壞微凸形坡,河流拐彎,坡表沖溝發育20獅子坪水電站二古溪傾倒變形體坡體中后部出現多處拉裂縫,坡體前緣公路隧道襯砌受擠壓開裂掉塊,洞壁內斂,路面隆起、開裂。邊坡噴砼開裂,橋梁受推擠移位。前緣坡體發生局部垮塌。巖層發生彎曲變形,坡表巖體松弛、墜覆,近坡表巖體破碎,傾角較小,向坡內逐漸增加,巖體完整性逐漸變好凸形坡,中部呈脊狀,坡體前緣較陡21黃河班多水電站1號傾倒體傾角隨深度的增大有增大的趨勢,由于巖層彎曲變形,導致巖層沿板理或層間軟弱帶產生拉張錯動,形成楔形張裂縫,局部有巖體的折斷現象。由于板巖為薄層～極薄層構造,巖質軟弱,易風化,總體呈現連續變形現象坡面不平順,完整性較差

表2 順向坡傾倒變形體發育基本特征

斜坡在縱斷面上多為凸起形，凸起部位多位于坡體中下部，其斜下方沒有阻擋，臨空條件相對較好，容易發生變形。多數斜坡坡表沖溝發育，坡面完整性較差，在平切面上呈弧形凸出，上下游側約束作用較弱，應力釋放充分，坡體松弛。部分坡體處于河流凸岸，或位于兩河交匯的單薄山體處，處于三面臨空狀態，變形空間較充足。

圖1 反向坡傾倒變形發育地貌特征

(2)順向坡傾倒變形發育地貌特征。順向坡傾倒變形發育坡度一般在30°以上，多發育在30°～60°的斜坡中(圖2)，坡體前緣陡立，臨空條件好。平面位置上多發生在河流凸岸或山脊部位，其兩側沖溝發育，側面約束條件較差，臨空條件好，坡體松弛卸荷強烈。如碧口水電站青崖嶺順向傾倒變形體位于白龍江左側凸岸的山嘴上，且兩側有沖溝發育；孟家干溝順向傾倒變形體兩側沖溝切割較深，坡體呈脊狀，前緣較陡；怒江俄米電站1號傾倒變形體位于“Z”字形河段，上游側被F7斷裂及沖溝切割，下游側為河流拐彎處，坡體位于孤立的山體上，三面臨空。傾倒斜坡坡高常大于100 m，多發育在坡高400 m及以上的坡體中。

圖1、2的地貌特征統計反向坡及順向坡的傾倒變形發育地貌特征。對于反向坡體，其坡度相對較大，以40°～50°最為發育；而對于順向坡，由于巖層傾向坡外，坡面陡立時容易發生順層滑移使坡度減小，故其坡度一般較小，以30°～50°較為發育。此外，由于發育傾倒變形的順向坡巖性較軟弱，容易遭受風化剝蝕，也難以形成陡立斜坡。傾倒變形體坡高數百米，在縱剖面上多為凸形坡，坡面完整性差。傾倒變形受微地貌影響顯著，兩側沖溝發育的孤立脊狀山體、河流凸岸和兩河流交匯的單薄山脊處均容易發生傾倒變形(圖3)。

圖2 順向坡傾倒變形發育地貌特征

圖3 傾倒變形體發育的微地貌特征

另外，在斜坡坡度上，順向坡的坡度主要分布于41°～50°，反向坡的坡度主要分布于31°～40°；在坡體高度上，兩者在100～700 m及以上都有發育，但順向坡發育最多的坡體高度主要在300～400 m，反向坡則主要集中于400～500 m。

2.3 水電工程傾倒變形巖性組合特征

(1)反向坡傾倒變形巖性組合特征。反向坡傾倒變形多發育在變質巖或板裂化的堅硬巖石中，傾倒體中常見巖性為板巖、千枚巖、片巖、變質(粉)砂巖、泥巖、泥灰巖等，在構造作用或淺表生改造作用下形成的板裂化花崗巖、英安巖、片麻巖、凝灰巖等坡體中也可見傾倒變形，且通常規模較大。傾倒變形體在軟巖、似層狀脆性巖、軟硬互層狀或上硬下軟的坡體中均有發育，以軟硬巖夾層或互層最為常見，這是由其巖性和組合決定的。單一的軟弱變質巖容易遭受剝蝕而難以形成高陡坡體，而堅硬的砂巖通常橫切結構面發育，難以形成長柱。常見規模較小的傾倒式崩塌，當軟硬巖組合時，硬巖可以抵抗風化剝蝕作用而保持坡體高陡，軟巖可以防止坡體中快速形成貫通結構面，從而容易形成大型傾倒變形體。

(2)順向坡傾倒變形巖性組合特征。順向坡傾倒變形多發育在力學性質較差的變質巖體中，以板巖、千枚狀板巖、炭質板巖、變質砂巖及粉砂巖、砂板巖互層、片巖、千枚巖等居多。這類坡體幾乎全部由軟質巖或軟硬互層組成，硬巖占比較小，巖體風化卸荷嚴重，巖體質量較差。

綜上所述，傾倒變形可發育在層狀軟質巖系或板裂化的堅硬巖石中，常見巖性為各類板巖、片巖、千枚巖、變質砂巖(粉砂巖)、泥巖等，在風化卸荷和長期時效變形條件下的板裂化花崗巖、英安巖、片麻巖等坡體中也可見大規模傾倒變形現象。傾倒變形體在軟巖、似層狀硬巖、軟硬互層或上硬下軟的層狀坡體中均有發育，且都可發展為較大規模的變形體。反向坡與順向坡傾倒變形體的巖性組成有一些區別，反向坡體可包含的巖性較為廣泛，常以變質軟巖夾較堅硬巖的組合出現，也能夠發育在節理發育的脆性巖體中；順向坡傾倒變形坡體的巖性主要是容易發生變形破壞的板巖、千枚巖、片巖、泥巖等軟質巖，且坡表風化卸荷較強烈。

3 水電工程傾倒變形體的分布規律

筆者對大量傾倒變形坡體特征進行總結與分析，傾倒變形體發育的地質環境基本特征主要有以下幾點：

(1)傾倒變形體主要沿西部高山峽谷發育。

通過對傾倒變形體分布特征的研究，發現大型傾倒變形體多沿西部地區江河流域分布，主要發育于黃河中上游河段、雅礱江流域、瀾滄江以及白龍江等具有高山峽谷地貌景觀的部位(圖4)。傾倒變形體沿河流岸坡分布的一個重要原因是這些部位斜坡高陡，卸荷強烈，為傾倒變形提供了良好的臨空條件和變形動力。據統計，大型傾倒變形體常發育在西部地區具有高山峽谷地貌景觀的各江河流域，以黃河、瀾滄江、雅礱江等河流的岸坡最為發育。大型傾倒變形體沿這些江河流域，以瀾滄江最為發育。對于其他遠離水系的傾倒變形體，其規模一般較小。

圖4 傾倒變形體沿水系分布

(2)傾倒變形體主要分布在大陸坡度陡降帶。

坡體變形需要一定的應力條件和臨空條件，傾倒變形體廣泛發育的大陸坡度陡降帶主要分布于環青藏高原東側附近(圖5)，該區域斜坡高陡，為巖體的傾倒變形創造了很好的臨空條件。此外，受印度板塊和歐亞板塊的擠壓，區域地應力量級高，地質構造復雜，區域地殼抬升導致河流疾速下切，岸坡強烈卸荷松弛，為傾倒變形創造了良好條件。

圖5 傾倒變形體沿大陸坡降帶分布

(3)傾倒變形體主要發育在高程1 500～3 000 m的中山地貌中。傾倒變形體多發育在中山地貌中，前緣高程一般在1 500～2 000 m以上，其發育范圍一般在1 500～3 000 m(圖6)。該山體經歷了構造剝蝕作用，巖體完整性遭到破壞，容易發生變形失穩。

圖6 傾倒變形體高程分布

基于已有工程實例及參考文獻，對各大型傾倒變形體的前后緣高程進行了統計，由于各流域分布高程不同，沿岸的傾倒變形體前緣高程也各不相同。但總體來說，反傾坡傾倒變形體都發育在1 500 m以上，高程范圍一般以1 500～3 000 m居多，屬構造剝蝕中山地貌。順傾斜坡傾倒變形體實例統計顯示，變形體前緣高程位置主要集中在2 000 m及以上，變形體高差從一百米到數百米均有發育，其地貌類型屬構造剝蝕中山。

4 結 語

筆者主要基于21個反向坡傾倒變形體及10個順向坡傾倒變形體的發育特征及分布規律統計，從傾倒變形體的發育特征、巖性組合及分布規律等方面開展了研究，其主要研究結論如下：

(1)對于反向坡體，以40°～50°最為發育；而對于順向坡，以30°～50°較為發育。在斜坡坡度上，順向坡的坡度主要分布于41°～50°，反向坡的坡度主要分布于31°～40°；在坡體高度上，兩者在100～700 m及以上都有發育，但順向坡發育最多的坡體高度主要在300～400 m，反向坡則主要集中于400～500 m。

(2)傾倒變形可發育在層狀軟質巖系或板裂化的堅硬巖石中，常見巖性為各類板巖、片巖、千枚巖、變質砂巖(粉砂巖)、泥巖等。但對反向坡體可包含的巖性較為廣泛，常以變質軟巖夾較堅硬巖的組合出現；順向坡傾倒變形坡體的巖性主要是容易發生變形破壞的板巖、千枚巖、片巖、泥巖等軟質巖，且坡表風化卸荷較強烈。

(3)大型傾倒變形體常發育在西部地區具有高山峽谷地貌景觀的各江河流域，以黃河、瀾滄江、雅礱江等河流的岸坡最為發育。大型傾倒變形體沿這些江河流域，以瀾滄江最為發育。對于其他遠離水系的傾倒變形體，其規模一般較小。

(4)坡體變形需要一定的應力條件和臨空條件，傾倒變形體廣泛發育的大陸坡度陡降帶主要分布于環青藏高原東側附近。

(5)傾倒變形體多發育在中山地貌中，前緣高程一般在1 500～2 000 m以上，其發育范圍一般在1 500～3 000 m。對反向坡，高程范圍一般以1 500～3 000 m居多；對順向坡，變形體前緣高程位置主要集中在2 000 m及以上。