层状结构岩质边坡倾倒变形机制与稳定性(精)

第1章绪论 1.1引言 1.1.1层状结构倾倒变形概况 斜坡的破坏通常存在滑动(sliding)、倾倒(toppling)、崩塌(falls)、楔形体破坏(wedge failure)和扩离(spreading)等五种类型 (张倬元等，2016；Hungr et al.，2014)。滑动是人们*熟悉，也是*为常见的斜坡破坏形式，通常受到倾向坡外的结构面或潜在滑动面控制；倾倒则主要发生在反倾向的层状结构斜坡中。人们通常认为反倾向斜坡较顺倾向斜坡更稳定，因为前者不易形成贯通性滑面，所以对反倾向斜坡的关注远不如对顺倾向斜坡多。 但随着人类活动范围的迅速扩大，近十几年来，尤其是西部山区的工程建设和灾害防治实践中，出现了越来越多的以“倾倒”为特征的岩质边坡变形破坏和稳定性问题，其频度和危害大有比肩“滑动”破坏这一边坡失稳的传统主题之势，成为困扰工程师的又一难题。实际调查还发现，大多数的大型或巨型滑坡往往发生在反倾向斜坡中，与之相伴的是反倾向斜坡的深层倾倒现象，其结构复杂、认识难度大。这样的深层倾倒现象和导致的深层滑坡在青藏高原东侧发育普遍，尤其是在岷江、大渡河、雅砻江、金沙江、澜沧江等深切河谷的上游地区，倾倒变形的深度可以达到200～300m，完全不同于之前学者（Goodman and Bray，1976;Hoek and Bray，1981;Adhikary et al.，1997;Evans and de Graff，2002;Brideau and Stead，2010;Huang，2012;Crosta et al.，2013;Lin et al.，2013）认为的发育深度数十米的浅层倾倒变形。 我国西南地区大量工程，特别是大型水电工程，多位于深切河谷地区，陡倾软硬互层的岩质边坡在长期重力作用下产生大规模深层倾倒变形，典型倾倒边坡变形破坏实例如表1.1所示（黄润秋等，2017）。这些变形触发机制复杂，其稳定性评价和变形控制对策成为制约重大工程建设的关键技术难题。 总体来看，已有的关于倾倒变形体研究主要集中在对浅层倾倒变形的认识和分析，相对于复杂地质结构的大规模深层倾倒变形，以往的研究工作，尤其是倾倒变形机制与稳定性研究还不够深入。面临的问题主要有以下几方面： （1）大规模深层倾倒变形的发生机理。中国西南，尤其是青藏高原东侧地区，为什么会有这么多的大规模倾倒变形？岩性及其组合、边坡结构等因素是如何控制倾倒发生的过程和倾倒发生的深度？如何早期识别这类变形及潜在灾害？ （2）边坡倾倒的工程地质模型和稳定性评价方法。这是*困难和*具挑战的问题，倾倒与一般的滑动有着本质区别，它没有预先存在的滑动面或通常意义的基于“剪切强度”的滑动面形成过程。而建立在“滑动面”基础上的、目前工程界*为广泛接受的“极限平衡法”不适合倾倒边坡。那如何评价倾倒边坡的稳定性呢？针对这类边坡实际，如何开展“变形稳定性”评价？ （3）如何有效控制倾倒边坡的稳定性。实际上就是如何有效控制倾倒的进一步发生，关键的问题是如何提出合理的变形控制指标。 1.1.2澜沧江苗尾水电站边坡工程概况 苗尾水电站（图1.1）是澜沧江上游河段一库七级开发方案中下游的一个梯级电站，上距大华桥水电站约61km，下距功果桥水电站约45km。坝址位于云龙县旧洲镇苗尾村附近的澜沧江干流上，控制流域面积为9.39万km2，多年平均流量为950m3/s，多年平均悬移质为2644万t/a，推移质为132万t/a，含沙量为0.868kg/m3。苗尾水电站是以发电为主，兼有旅游和库区航运等综合利用效益的大型水电工程，水库总库容为7.48亿m3，正常蓄水位为1408.0m，相应库容为6.86亿m3；死水位为1398m，相应库容为5.21亿m3。枢纽工程由砾质土心墙堆石坝、左岸溢洪道、冲沙兼放空洞、引水系统及地面发电厂房等主要建筑物组成，*大坝高为131.30m，装机容量为1400MW。苗尾水电站枢纽布置见图1.2。 苗尾水电站地处云南省西部横断山脉纵谷区，地层分布特征受区域构造的控制，多呈NNW向条带状展布。坝址区及工程区基岩主要由侏罗系组成，岩性主要有板岩和砂岩。正常岩层总体产状为N5°～20°W/NEE∠75°～90°（走向/倾向∠倾角）。近坝库岸属纵向谷，两岸倾倒变形十分发育。 （1）右（岸）坝肩边坡：自然坡度上陡下缓，上部局部形成陡崖，下部有一定厚度的堆积物发育。开挖高程为1285～1425m，边界处按实际基岩与覆盖层边界开挖。右坝肩边坡于2012年8月4日开挖至1312m高程，2013年4月16日发现开口线及坡面出现大量张开裂缝；于2013年5月14日开挖至设计高程1285m，2013年5月27日在1384～1340m高程发生浅层滑动，滑塌体厚度为1～3m，长度约为45m，方量为250～300m3。因此，分析右坝肩边坡的变形破坏机制、评价现有支护措施在开挖、填筑、蓄水等各种工况下的有效性，成为制约苗尾水电站工程建设的关键技术问题。 （2）右（岸）坝前边坡：苗尾水电站右坝前边坡在地质历史上发生了严重的倾倒变形，水库蓄水后倾倒岩体下部位于库水位以下，在库水长期作用下，下部倾倒岩体物理力学性能降低，同时库水位变动也可能引起边坡整体变形。 （3）左岸溢洪道进水渠边坡：自然坡度较陡，在上部局部形成陡崖，边坡发育向上游的倾倒变形，上游侧发育约10m厚的黏土覆盖层。溢洪道边坡开挖高程为1370～1575m，分19级开挖，1535～1575m高程开挖坡比为1∶1.2、1535m高程以下开挖坡比为1∶0.75，开挖面走向与倾倒方向大角度相交。边坡上游侧发育破碎岩体且上覆厚层堆积体，蓄水后上游侧软弱岩体、堆积体软化可能引起倾倒变形继续发展。 苗尾水电站倾倒变形体形成经过了较为漫长的时期，两岸倾倒变形后缘已扩展至分水岭。倾倒变形的前缘受地形（阶地）、冲沟、边坡走向等因素的影响，不同地段出露高程有一定差异。大坝基槽开挖过程中，由于工程扰动坝肩左岸、右岸边坡均产生了明显的变形，在边坡中上部地表和平硐硐中均产生多条具有反坡台坎特征的拉裂缝，说明新产生的变形具有倾倒变形特征，是前期倾倒变形的继续发展。倾倒变形是苗尾水电站的主要工程地质问题之一（图1.3）。 由于倾倒变形岩体结构十分复杂，控制变形发展的因素较多。工程建设中导流洞进口边坡以及左、右（岸）坝基边坡均发生了不同程度变形，通过工程措施，目前已处理的边坡基本稳定。工程建设完成后近坝库岸的倾倒变形边坡在库水作用下，其稳定性是否会发生变化，其变形破坏的形式和规模如何进行相应处理以保证工程长期运行安全，是目前亟须解决的工程地质问题。 1.2倾倒变形机制研究现状 对倾倒变形形成机理和变形模式的研究，国内外都有较长的历史。Frietas和Watters在1973年明确将倾倒变形归为一种特殊的边坡变形类型，并指出倾倒变形能在多种岩体类型中大范围发生。Goodman和Bray（1976）将层状边坡弯曲倾倒变形归纳为三种基本类型，即弯曲倾倒（flexural toppling）、块体倾倒（block toppling）和块状弯曲倾倒（block flexural toppling）。Hoek和Bray（1981）将次生倾倒进一步划分为滑移-坡顶倾倒、滑移-基底倾倒、滑移-坡脚倾倒、拉张-倾倒与塑流-倾倒五种类型。Cruden和Hu（1994）发现了斜坡中存在倾向与坡向一致、倾角比坡角陡的结构面等大量的倾倒变形现象，即顺层倾倒，并将其分为块状弯曲倾倒、多重块体倾倒和“人”字形倾倒三种基本类型。此外，国外一些学者也将自然边坡中的大规模倾倒认为是深层的蠕变变形，这类大范围的重力变形并未形成贯通性的破坏面。 国内早期有学者把反倾岩体的变形现象描述为“点头哈腰”“山腰迁移”“地表膝状褶皱”“岩体的蠕动变形”“挠曲风化层”等。在反倾岩体变形机制研究方面中国科学院地质与地球物理研究所取得了突出成就，如杜永廉（1979）、许兵、王思敬（1982）、孙玉科、黄建安等就此问题展开了一系列研究（孙玉科和牟会宠，1984；黄建安和王思敬，1986；许兵和李毓瑞，1996）。此外，庆祖荫（1979）、王耕夫（1988）、许强等（1993）也相继展开了该类问题研究。研究成果大致可分为从岩体结构控制作用、地应力作用与释放或风化作用等不同因素方面探讨反倾岩体变形破坏的机理。在“八五”国家科技攻关计划期间，王思敬、黄润秋等对反倾层状岩体的变形破坏规律及失稳机制进行了系统研究，指出岩层倾角、坡角以及岩性结构控制了反倾层状岩体边坡破坏的类型和规模，阐述了弯曲倾倒变形破坏的主要特征和充分必要条件，并提出了反倾岩体变形破坏的时效性观点。黄润秋在其多篇关于中国大型滑坡的发生机制的论著中对反倾向层状岩体边坡中大型倾倒变形及滑坡发生的基本规律进行了总结，他在大量地质调查分析的基础上将倾倒变形分为两种类型：发生在脆性坚硬岩层中的脆性折断型倾倒变形与发生在软弱地层中的延性弯曲型倾倒变形。他认为大规模倾倒变形破坏都有一个很长的孕育演化过程，这类边坡滑动面的形成完全是自身演化的结果，不存在一些先决条件的潜在滑动面，而一旦演化到滑坡阶段，由于其长期的地质历史积累，必然是深层的、大规模的。因此，对于此类深层倾倒变形斜坡的稳定性研究采用极限平衡方法是有待商榷的。这一研究成果有大量的实例支撑，地质分析深入透彻。 1.2.1反倾层状（似层状）岩体边坡倾倒典型变形现象 倾倒变形常见于反倾层状结构岩体中，尤其是在边坡前缘较易发生，其形成机制是陡倾的板状岩体在自重产生的弯矩作用下，于前缘开始向临空方向作悬臂梁弯曲，并逐渐向内发展。弯曲的板梁之间互相错动并伴有拉裂，弯曲岩体后缘出现拉裂缝。反倾岩体边坡的倾倒变形可进一步细分为弯曲倾倒、块体倾倒与块体弯曲三种类型（图1.4）。 弯曲倾倒发生在具有“柔性”特点的近直立薄层状、中厚层状地层中，尤以薄层状的变质板岩、片岩、千枚岩、岩性组合的斜坡中，软硬互层的斜坡中为甚，一般发育深度比较大，为深层倾倒。此类大规模的倾倒变形破坏都有一个很长的孕育演化过程，在这个过程中，岩层可以发生很大的柔性弯曲而不折断，而其破坏是变形发展到极致的产物。 块体倾倒常常发生在陡倾坚硬岩质边坡中，其变形深度总体较浅，倾倒折断后产生剪切滑移，其失稳方式常常为崩塌或者局部滑塌，一般发生在坡体表部，属于浅层倾倒。 在小湾水电站，大型倾倒变形体发生于饮水沟堆积体的上部，岩性条件为花岗片麻岩，通常情况下这类变质岩表现为块状或整体块状结构。但是，在小湾水电站坝区，由于近EW 向的陡倾构造发育，花岗片麻岩被切割成了横河陡倾的层状;而在倾倒发生的饮水沟坡体部位，EW 向构造多表现为云母片岩夹层或片岩挤压带，加之该部位EW向的F7断层通过，因此整个饮水沟坡体部位岩体结构实际上已发生了根本性变化，即原始状态的块状结构花岗片麻岩经构造改造已经成为含软弱片岩的层状结构岩体。正是这种变化，构成