倾角变化条件下反倾层状斜坡倾倒变形演化研究

杜睿锡 郑 吴章雷 陶诗鑫 周鸿轲

摘要：倾倒变形是反倾层状岩质边坡的一种典型破坏模式，为了研究不同岩层倾角对反倾层状岩质边坡倾倒变形的影响，以澜沧江上游古水水电站坝前倾倒变形体为原型，从岩层倾角变化的角度出发，利用大型土工离心机试验分析了反倾层状岩质边坡的失稳破坏过程、变形演化特征与最终失稳模式等。结果表明：① 反倾层状斜坡的变形演化过程基本概括为岩层压密-坡脚压裂阶段、弯折面形成-部分失稳阶段和弯折面贯通-彻底失稳3个阶段，岩层倾角的改变并不会影响斜坡阶段性演化过程；② 岩层倾角越大的斜坡，斜坡形成弯折面所需时间越短，失稳破坏发生后坡体贯通性倾倒破坏深度更大，对应的变形范围越大，折断岩层的破坏程度越剧烈；③ 岩层倾角变化会导致斜坡的倾倒变形过程与最终失稳模式存在一定差异。倾角较小的55°和70°模型斜坡前部岩层在重力作用下发生明显弯曲倾倒变形，最终以“倾倒-弯曲-滑移”的失稳模式发生破坏；倾角最大的85°斜坡岩层发生的弯曲变形较小，最终以“倾倒-折断-崩塌”的模式发生破坏。研究结果对大型工程项目的顺利开展具有一定指导意义。

关键词：倾倒变形； 反倾层状岩质斜坡； 破坏模式； 弯折面； 离心机模型试验； 古水水电站

中图法分类号： TU413

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.04.020

0引 言

倾倒变形是反倾层状岩质斜坡重力变形的一种典型形式，是在长期重力弯矩作用下产生的弯曲蠕变，其变形演化往往具有时间长、深度大的特点。针对倾倒变形，国内外学者都进行了大量研究。早在1971年，Ashby便首次提出了“倾倒”的概念［1］。至1973年，Freitas等明确将倾倒变形破坏列为岩质斜坡失稳破坏的主要形式之一［2］。随着工程建设项目的开展，中国金川露天矿［3-4］、广西龙滩水电站［5］、碧口水电站［6］在建设与使用过程中相继发现了倾倒变形现象，研究人员对其稳定性、变形机理与变形力学机制进行了相关研究。近年来，针对倾倒变形的研究重心逐渐转移到其影响因素上，且由于科技发展带来的技术进步，研究人员充分运用了较为先进的研究手段，其中以大型物理模拟实验与数值模拟技术为代表。例如，Dong等利用离散元模拟软件对反倾层状岩质边坡变形的影响因素进行了综合分析，认为开挖卸荷是反倾岩质斜坡变形的主要因素，断层等地质构造和斜坡坡角则是影响倾倒变形的重要因素［7-9］。Adhikary［10］，Wang［11］等分别采用离心机模型试验研究证明，岩性条件和岩层几何条件例如岩层节理摩擦角与岩层厚度也会对斜坡的变形破坏机制和斜坡稳定性产生影响［10-11］。Liu，Ning，Yang等人用大型振动台试验研究了地震对反倾岩质边坡的动力响应和破坏特征的影响［12-14］。先进的物理模拟手段和数值计算方法的利用，使倾倒变形的研究有了新进展。

目前相关研究多局限于发育在斜坡浅层的倾倒变形，但伴随近些年大型水利水电工程建设活动在中国西南地区相继开展，研究人员在该区域发现了许多大型深层的倾倒变形，如发生在中国西藏玉曲河扎拉水电站倾倒变形［15-16］、澜沧江苗尾水电站坝肩倾倒岩体［17-19］、澜沧江古水水电站坝前倾倒变形体［20-21］等。通过对多个深层倾倒变形斜坡案例的现场调查与分析，可知目前发现的大多数此类变形主要发生于青藏高原东侧的川滇南北构造带及藏东地区，流域上沿金沙江、雅砻江、澜沧江等深切河谷分布［22］。再针对这种分布特征进行进一步分析，发现该区域的深层倾倒变形在形成条件上具有如下共同点：① 这些区域在板块作用下发生了快速隆升并形成了高陡临空面，因此斜坡坡体向临空方向产生了大量回弹，进而产生了倾倒变形；② 这些倾倒变形均发育在陡倾薄层状软岩中，这类岩层往往可以长时间弯曲变形而不发生折断。由此可见，深层倾倒变形主要受临空条件、岩性条件与岩层几何条件这3项条件的控制。

基于前述分析，为了对西南地区深层倾倒变形的控制条件进行研究，笔者团队目前通过离心机模型试验的手段，首先利用分级开挖的方式模拟河谷下切的过程，研究了临空面的产生对深层倾倒破坏的影响［23］；随后通过更改斜坡坡角的方式，研究了临空面角度对深层倾倒变形的影响［20，24］。团队目前已有研究均围绕临空条件对深层倾倒变形的影响展开，为了进一步研究深层倾倒变形的其他影响因素，对以往案例进行了统计分析，发现深层倾倒变形的岩层倾角也存在一定特征，即这些倾角大多分布在50°～80°，有些区域岩层甚至近乎陡立［22］。如锦屏一级水电站左岸揭露倾倒变形的深部岩层倾角为85°～87°［25］，澜沧江小湾水电站饮水沟傾倒变形体的岩层倾角为70°～80°［22，26］，苗尾水电站右坝肩深部岩层倾角约80°、左坝肩深部岩层倾角约85°［27-28］。基于岩层倾角的这种特征，认为岩层倾角对反倾层状岩质斜坡的变形演化也会有很大影响［29-30］。因此，本文拟通过控制斜坡坡角不变、改变岩层倾角的方式，利用离心机模型试验的手段，模拟不同岩层倾角条件下斜坡深层倾倒变形的发生与演化过程，从中发现在岩性与临空条件一定的前提下，倾角不同导致的倾倒变形的差异，并尝试建立深层倾倒的变形特征、破坏模式与岩层倾角的联系。

1试验原型斜坡地质背景

本次研究的原型斜坡为位于云南省德钦县佛山乡古水村上游约2 km处的澜沧江古水水电站左岸坝前倾倒变形体。研究区河流下切作用强烈，两岸为高山峡谷地貌，具有山高谷深的特点。坝前倾倒变形体分布在海拔高程2 150～2 720 m之间，斜坡走向N30°～50°W，倾向SW，地形坡度为30°～70°。变形体前缘平硐17内可见产状直立、属压扭性断裂的红山-古水Ⅰ级断裂构造带（F1断层）。斜坡浅表部已倾倒岩体产状为N20°～30°W/NE∠25°～40°，斜坡深部基岩产状为N25°～35°W/SW（NE）∠70°～85°，研究区地质背景示意如图1所示。

2离心模型试验设计

2.1试验设备

本次试验采用成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室的TLJ-500土工离心试验机，该离心机最大容量500gt，有效旋转半径4.5 m，最大离心加速度250g。试验选用固定边壁式2号模型箱，箱体内侧净尺寸为1 000 mm（长）×600 mm（宽）×1 000 mm（高）。

2.2试验模型设计

2.2.1相似材料

为了使模型试验结果与原型相符，试验所用相似材料研制需要满足合理的材料选取原则［31］，根据已有相似材料配合比试验成果［23］，本次试验模型的岩层相似材料采用水泥、石英砂、石膏、硼砂水溶液混合构成；层间粘结混合材料采用石英砂、石膏、硼砂水溶液构成。通过控制材料配比，制得与原型巖体具有相近物理力学性质的实验材料，使试验中模型的应力应变和坡体破坏过程均与古水水电站上坝址左岸倾倒变形体保持一致。斜坡模型材料相应基本物理力学参数如表1所列。

2.2.2模型设计

本次试验模型在还原斜坡实际地质条件时进行适当概化。已知原型斜坡未倾倒的正常岩体产状为N25°～35°W/SW（NE）∠70°～85°，同时查询相关资料可知，反倾层状岩质斜坡倾倒变形破坏常发生于坡角60°～80°、倾角50°～80°的情况下。因此，利用现场制作的石膏水泥混合材质的单元板，以错缝堆砌的形式制作斜坡坡角为75°，岩层层厚1cm，岩层倾角分别为55°，70°和85°的3组离心试验模型，对模型分别命名为模型A（倾角55°）、模型B（倾角70°）和模型C（倾角85°）。每组模型剖面尺寸均为77 cm（底长）×40 cm（顶长）×50 cm（宽）×56 cm（高），如图2所示。

2.2.3监测手段

此次试验的监测系统由岩石应变片、LVDT差动式位移传感器与PIV高速摄像机3部分构成，布置方式见图2。LVDT差动式位移传感器布置于模型顶面，监测记录实验过程中坡顶发生的竖向累计位移。其中，模型B由于传感器故障未布置LVDT2。岩石应变片布置在岩层表面，监测岩层的切向变形情况。位于离心机吊篮前端的正摄PIV高速摄像机，全程实时监测斜坡变形演化情况。

2.3试验相似关系设计

本次斜坡原型宏观尺寸较大、结构较复杂，以变形相似和应力应变相等等相似理论为原则，将试验斜坡模型概化后进行相似换算，选取几何长度、密度、加速度等为基本控制量，达到试验研究目的。本次试验选用几何相似比Cl=1/120、材料密度相似比Cρ=1/1、重力相似比Cα=120、弹性模量相似比CE=1/1，离心模型试验主要相似常数见表2。

2.4试验加载方案

本次试验采用三级加载方案。① 离心加速度从0开始匀速加速至40g，再定速旋转5 min左右；② 离心加速度从40g匀速加速至80g，再定速旋转5 min左右；③ 离心加速度从80g匀速加速至120g，再定速旋转10 min，当边坡产生完全倾倒破坏或达到120g设定的最大离心加速度时停止加载。

3试验现象分析

3.1模型斜坡变形演化共同特征分析

3组模型均发生了显著的倾倒变形现象，其变形破坏特征和失稳过程明显具有共同的阶段性特征，根据试验中PIV高速摄像机记录的实时图片与试验结束时拍摄的模型斜坡照片，对模型斜坡的倾倒变形演化过程中的共同特征分析具体如下。

3.1.1岩层压密-坡脚压裂阶段

随离心加速度从零开始增大，坡体内岩层在重力荷载作用下逐渐密实，坡体前部岩层逐渐向临空面倾倒，坡顶后缘位置出现沉降变形。由于前部岩层前倾带来的位移累积，后缘岩层出现微小的张拉裂缝。受上部岩层的重力挤压，坡脚处发育微小裂隙（图3）。此时岩层的弯曲现象较弱，但可看出，岩层倾角越大，岩层压密和层间错动现象越明显，坡体前部倾倒和后缘沉降现象也就越明显。

3.1.2弯折面形成-部分失稳阶段

随离心加速度的进一步增大，斜坡向临空面方向倾倒幅度加大，岩层层间错动与斜坡后缘岩层拉张效应加剧。斜坡前部岩层在前倾后发生弯曲变形，当弯曲程度增大至岩层所能承受的最大弯矩时，岩层发生折断破坏。模型斜坡坡脚裂隙在该过程中发育为两级弯折面，其中弯折面W1位于弯折面W2下方，且弯折面W1形成时间早于弯折面W2。弯折面W1以下岩体在该阶段离心力作用下压密，出现轻微反弯现象（图4）。

3.1.3弯折面贯通-彻底失稳阶段

随着斜坡倾倒进一步发育，两级弯折面W1与W2随之逐渐发育贯通至坡顶表面，弯折面W1上方岩层均发生大范围彻底失稳。在该阶段的离心加速度作用下，弯折面以下的稳定岩体继续压密，反弯现象加剧，坡体表面受压破碎（见图5）。

3.1.4变形停止阶段

按照试验方案，当离心加速度达到120g后定速旋转10 min，随后试验结束。在模型箱正面拍摄到模型斜坡最终破坏特征图片如图6所示，除模型C斜坡的部分崩落岩块进一步破碎外，最后阶段的斜坡形态较前一阶段相比并无明显变化，3组斜坡的变形均趋于收敛。因此分析认为，在无其他因素（地震、降雨、人类工程活动等）影响下，发生大范围折断破坏后的坡体在自身重力荷载作用下相对稳定，不会进一步演化形成更大规模的失稳破坏。

根据上述斜坡变形演化现象可知，在离心力作用下，模型斜坡坡顶后部发生沉降，坡脚部位形成微小裂隙，随后裂隙发育形成弯折面W1和弯折面W2，两条弯折面贯通至坡顶。以弯折面为界，斜坡弯折面上方的岩层发生了大范围彻底失稳。弯折面下方的岩层在坡体失稳后均处于稳定状态，除局部崩落和少数裂隙发育外，无明显变形迹象。

3.2模型斜坡变形演化差异特征分析

基于前述倾倒变形破坏现象的认识，3个模型均经历了共同的倾倒变形演化阶段，但因岩层倾角不同，3个斜坡的破坏程度与发生破坏所需时间存在明显差异，具体分析如下。

3.2.1变形现象的差异

在变形演化的初期，3组模型斜坡的变形特征并无明显不同。但在弯折面形成-部分失稳阶段，模型A、B斜坡岩层在折断前产生了明显弯曲，而模型C岩层在轻微弯曲后便发生了突然折断崩落（见图4）。斜坡发生失稳破坏后，模型A、B已折断的岩层仍保持一定的似层状结构覆盖在坡表（见图4（a）～（b））；而模型C已折断岩体以破碎状态崩塌堆积于坡脚远端（见图4（c））。试验过程中出现的这种差异现象显示，岩层倾角越大的斜坡发生的破坏越剧烈。与此同时，模型C在弯折面W1下方发育有次级切层裂隙（见图4（c）），分析认为岩层倾角增大会使斜坡在破坏过程中发育多级弯折面。

在弯折面贯通-彻底失稳阶段，模型A、B已倾倒的岩层沿弯折面W1向坡脚方向下挫滑移（见图5（a）～（b））。模型C坡顶处因前部岩层倾倒而出现张拉裂缝的岩层，自前向后相继发生折断破坏（見图5（c））。随岩层倾角的增大，斜坡的最终失稳破坏模式产生变化，模型A、B的岩层发生倾倒-弯曲-滑移破坏，折断岩体以似层状结构滑移下挫，基本保持原有形态；模型C岩层发生倾倒-折断-崩塌破坏，折断岩体崩落至坡脚前方，呈现堆积形态。

3.2.2倾倒破坏发育深度的差异

3组模型斜坡内部，均发育形成了弯折面W1，以弯折面W1顶部最后一块倾倒折断岩层的折断点为弯折面W1的尾端，将W1尾端与变形后斜坡坡肩的水平距离定义为斜坡贯通性倾倒破坏深度，如图7中虚线所示。分析发现，模型斜坡在岩层倾角分别为55°，70°和85°时，对应坡体的贯通性倾倒破坏深度为260，293，319 mm。由此可知，斜坡内部贯通性倾倒破坏深度的增长与岩层倾角的增长呈正相关，岩层倾角越大，贯通倾倒破坏深度越大，坡体发生变形的岩层越多。

3.2.3弯折面发育的差异

对试验结束后斜坡的破坏形态分析可见（见图7中红色实线所示），模型A、B的深部弯折面W1整体的延伸贯通形态近似直线型；模型C深部弯折面W1下半段更贴近斜坡底部，上半段则相对陡立，整体呈现折线型。3组模型斜坡的弯折面W2整体贯穿延伸形态均呈直线型。对弯折面的倾角进行统计（见表3），3组模型中，浅部弯折面W2角度受岩层倾角影响不大，均在56°～65°范围内。但深部弯折面W1倾角随岩层倾角的增大而减小，倾角小的弯折面更加贴近斜坡底部，其上方倾倒变形岩层也更多、变形范围更广。

3.2.4倾倒变形破坏经历时间的差异

对试验过程中3组模型在离心荷载作用下发育变形破坏所需的时间进行统计分析（见表4），岩层倾角越大，斜坡出现变形迹象越早，坡内弯折面发育贯通所需时间越少。由于3组模型所采用的加载方案是一致的，因此可以认为，离心机作用时间相同时模型坡体内积累的能量相同。由此得知，岩层倾角越大，斜坡发育至破坏所需积攒的能量越少。

4试验数据分析

4.1坡顶竖向位移分析

由于斜坡岩层的折断破坏均集中发生于斜坡前部，因此坡顶前缘位置测点监测的位移突变最为明显。对3组试验中竖向位移最大的测点结果进行分析（见图8），模型A在离心加速度达40.2g（时间500 s）时，发生了31.4 mm的位移突增，与试验现象对照可知，此时岩层发生倾倒弯曲折断破坏；模型B在离心加速度达33.1g（450 s）时发生了第1次位移突变，此时坡顶前部的LVDT3测得16 mm的位移突增，斜坡内形成深部弯折面W1使坡顶前部岩层折断；离心加速度加载至50.82g（890 s）时，坡顶位移发生第2次位移突变，LVDT3测得6 mm的位移突增，斜坡内形成了弯折面W2，坡顶前部岩层发生了进一步的倾倒；模型C斜坡LVDT3在离心加速度达19.88 g（340 s）时测得了高达102.18 mm的位移突变，与试验过程结合分析可知，此次位移突变是模型斜坡发生大范围倾倒折断破坏导致的。

对比3组试验测得的数据，随岩层倾角增大，斜坡发生失稳破坏所需的能量累积时间缩短，坡肩处的最终竖向位移增加。

4.2坡体位移矢量分析

对于在试验过程中用PIV高速摄像机实时监测获得的高帧别图像，本文采用数值处理软件对其进行处理，得到3组模型斜坡在倾倒前与倾倒后的位移矢量图。对位移矢量图进行分析得到结论如下。

4.2.1斜坡失稳前的位移矢量特征

在试验开始至发生大范围失稳破坏前（见图9），模型A位移矢量总体竖直向下，斜坡前部岩层中有少量位移矢量指向坡脚，说明在重力荷载作用下，模型A的位移以竖向压密沉降为主，斜坡向临空方向的变形相对较小。模型B大部分位移矢量都指向坡表，且指向坡表的位移矢量相对较大，说明斜坡向临空方向发生的倾倒变形较为明显。模型C后缘岩层中少量位移矢量方向指向斜下方，此外绝大部分位移矢量均以近水平角度指向临空面。这说明在该阶段，模型C主要发生倾向临空方向的倾倒变形。对比分析3组模型的位移矢量发现，在大范围倾倒折断发生前，随着岩层倾角的增大，斜坡位移矢量由坡顶沉降为主转变为向临空方向倾倒为主。

4.2.2斜坡失稳后的位移矢量特征

在斜坡发生大范围失稳变形破坏后（见图10），3个模型斜坡中，模型C位移矢量变化范围最大，模型B次之，模型A最小。这说明岩层倾角越大，斜坡变形破

坏范围越深、越广。随折断破坏的发生，模型A、B破坏岩体位移矢量方向均指向坡脚，模型C破坏岩体位移矢量则指向坡脚前方空地。位移矢量的变化同斜坡的具体变形过程相映照，表现出岩层倾角越大，破坏岩体的水平位移越大的特点。在失稳发生后，3组斜坡弯折面下方岩体中的位移矢量均较小，说明斜坡底部基岩仍处于稳定状态，斜坡在折断破坏后发生复活失稳的可能性较小。

4.3岩体应变数据分析

应变片监测到的数值是对应岩层在层面切向方向上拉伸变形的量化指标，试验过程中应变片监测得到的数据存在陡增突变后数据消失和随离心加速度同步阶梯式增加这两种变化特征。以模型A为例进行分析（见图11），位于深部弯折面W1附近及上方的S0、S1、S4、S5、S6、S8与S9应变片测得的应变在试验开始时变化缓慢，随着离心加速度的增加，该部分应变量值快速增长，直至加速度增加至 40.2g时，这些应变量值在陡增后消失。这种应变数据变化特征说明，在离心荷载的持续作用下，深部弯折面W1附近及上方的岩体发生了相对明显的弯曲变形，因此应变片检测到较大的应变增长。随后岩层达到承载极限发生折断，这部分应变片失去读数。

其余應变片均位于深部弯折面W1下方，并随离心加速度的增加而同步阶梯式变化。这反映岩层的变形是长时间地质作用累积的结果，当离心加速度呈阶梯式增加时，弯折面以下的岩体在离心荷载作用下发生相应弯曲变形但未发生破坏，对应岩体的应变数据随之发生阶梯式增长变化。

5成灾模式分析

基于3组模型的试验现象，本文将反倾层状岩质斜坡在自重荷载作用下的失稳模式进行了概括。由于岩层倾角大小不同，不同斜坡的倾倒变形过程和最终失稳模式存在一定差异。

（1） 倾角较缓的模型A、B发生倾倒破坏的历时相对较长。在重力作用下，倾角较缓的斜坡向临空方向产生了显著的倾倒弯曲变形。岩层弯曲达到承载极限后，坡内形成两级弯折面，折断后强倾倒岩体保持相对连续完整。在重力作用下，弯折面进一步发育贯通，岩体彻底折断失稳，斜坡上已倾倒折断的岩体沿弯折面斜向下滑移，倾倒破坏岩体将呈现两级倾倒滑移特征，最终形成如图12所示的“倾倒-弯曲-滑移”失稳模式。

（2） 倾角最陡的模型C发生失稳破坏历时较短，倾角较陡斜坡整体向坡前临空方向产生的水平倾倒程度更严重。变形过程中发育形成两级弯折面，深部弯折面W1与浅部弯折面W2之间岩体在折断后仍旧保持相对完整。浅部弯折面W2上方的破坏岩体则在达到最大倾倒极限时，瞬间发生脆性倾倒，并崩塌至坡脚前方，形成剧烈的“倾倒-折断-崩塌”失稳模式，如图13所示。

6结 论

本文以大型土工离心机模型试验为手段，进行了3组岩层倾角不同的反倾层状岩质斜坡模型试验，并对试验的失稳过程、变形演化特征与坡体位移、应变等数据进行了分析，具体结论如下：

（1） 倾角不同的斜坡，倾倒变形过程均会经历岩层压密-坡脚压裂、弯折面形成-部分失稳和弯折面贯通-彻底失稳3个阶段。

（2） 岩层倾角不同会使斜坡倾倒变形特征产生一定差异，倾角越大，发生倾倒变形所需时间越短，变形范围越大。

（3） 倾倒变形使斜坡中发育两级弯折面，浅部弯折面W2受岩层倾角影响不大。但深部弯折面W1倾角随岩层倾角的增大而减小，其发育形态也出现变化。当岩层倾角较小时，W1的发育形态呈直线型；岩层倾角较大时，W1呈折线。

（4） 岩层倾角变化会导致斜坡的最终失稳模式存在差异。倾角较缓的斜坡，失稳模式为“倾倒-弯曲-滑移”；倾角最陡的斜坡，失稳模式为“倾倒-折断-崩塌”。

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（编辑：刘 媛）