反倾向岩质斜坡变形破坏特征研究_任光明

第22卷 增2

岩石力学与工程学报 22(增2)：2707～2710

2003年10月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Oct .，2003

2003年3月1日收到初稿，2003年6月1日收到修改稿。 * 国家自然科学基金(40072090)资助项目。

作者 任光明 简介：男，39岁，1995年于成都理工学院工程地质专业获硕士学位，现任副教授，主要从事工程地质与岩土工程方面的学与科研工作。E-mail ：gcr@163. com 。

反倾向岩质斜坡变形破坏特征研究

＊

任光明1 聂德新1 刘 高2

(1成都理工大学工程地质研究所 成都 610059) (2兰州大学 兰州 730000)

摘要 以黄河上游某电站库区一大型反倾层状岩质斜坡的变形破坏为例，通过地质分析及数值模拟分析，揭示了该类斜坡的变形破坏是岩层在自重应力作用下作悬臂梁弯曲，使岩层发生弯曲变形，导致坡体后缘开裂、根部折断，前缘发生剪切蠕变，当坡体内折断带的剪应力超过其抗剪强度时，坡体逐渐错动下滑形成倾倒塌滑体。 关键词 斜坡，反倾岩层，变形破坏，形成机制，数值模拟

分类号 P 642.22 文献标识码头 A 文章编号 1000-6915(2003)增2-2707-04

STUDIES ON DEFORMATION AND FAILURE PROPERTIES OF

ANTI-DIP ROCKMASS SLOPE

Ren Guangming 1，Nie Dexin 1，Liu Gao 2

(1Institute of Engineering Geology ，Chengdu University of Technology ，Chengdu 610059 China )

(2Lanzhou University ， Lanzhou 730000 China )

Abstract Based on the field investigation ，geology analysis and numerical simulation of a large-scale slope in reservoir area on the upstream of Yellow River ，the rules of deformation and failure of this kind of slopes are disclosed. The layered rock bends like cantilever under the effect of gravity. When rock mass in back of the slope bends to a certain extent ，its root will break off and create a continuous weak surface ，and shear creep will occur in the toe of the slope. When the shear stress excesses to the shear strength of the weak surface ，the topple-slumping will occur in the shear stress concentration zone of the slope.

Key words slope ，anti-dip layered rock mass ，deformation and failure ，mechanism ，numerical simulation

1 引 言

反倾向层状结构岩质斜坡是常见的斜坡结构类型[1～3]。从岩体的工程特性及岩体力学环境出发，一般认为顺层岩质斜坡的稳定性较差，反倾斜坡的稳定性相对较好。因此，导致以往研究中对具有结构面控制的顺层斜坡研究较详细和系统，而反倾向岩质斜坡由于一般不存在有利于坡体下滑的贯通性的结构面，其变形破坏是在其特有的坡体结构、岸坡形态、岩层倾角等因素的作用，认为该类斜坡稳定

性较好，研究中有所忽失，对其变形破坏机理、演变过程、评价方法研究相对较少。近年来，随着我国大量工程建设的开展，人们发现反倾岩质斜坡发生变形破坏的规模大，如锦屏二级水电站左岸的深部拉裂缝、龙滩水电站左岸的倾倒蠕变体等，而且变形破坏机理较复杂、演变过程较隐蔽，坡体一旦失稳，常具有突发性，造成的后果往往是灾难性的，有必要加强该类斜坡变形破坏机理、稳定性评价方法的研究。本文以黄河上游某电站库区一大型倾倒体塌滑为例，来对这类斜坡的变形破坏过程进行研究，为该类斜坡变形破坏的预测、稳定性评价参数

? 2708 ? 岩石力学与工程学报 2003年

的选取提供依据。

2 倾倒体的基本特征

2.1 地质条件概况

研究区出露的地层主要为前震旦系尕让群片麻岩、片岩夹少量下古生代加里东期的花岗岩及第四系砂壤土。其中片麻岩、片岩的片理产状40～60°SE ∠60～70°(图1)。由于本区遭受比较强烈的多期构造运动作用，规模较小的断裂及节理裂隙较发育，尤其是缓倾角裂隙在不同高程均有分布。通过裂隙统计，区内裂隙分组情况如表1，它们为该倾倒塌滑体的发育提供了充分的边界条件。

图1 倾倒塌滑体剖面图 Fig.1 Sketch of the the topple-slumping

表1 裂隙发育特征

Table 1 Statistics properties of joints

产状

组别

走向/(°)

倾向 倾角/(°) SE 6～40 SE ∠20～60 NW 36～58 NW ∠30～60 NE 295～320 NE ∠5～85 SW

305～325

SW

∠70～85

2.2 倾倒塌滑体的基本特征

该倾倒塌滑体位于平面上似扇形。沿顺河岸宽度约300 m ，顺坡长度190 m ，最大铅直厚度50 m ，平均厚度35 m ，倾倒塌滑体面积约5.56×104 m 2，

体积195×104 m 3。前缘高程1 930～1 950 m ，高

出河水面(平水期 1 906 m)24～44 m ；后缘高程 2 160 m ，高出河水面254 m 。倾倒塌滑体边界较为

清楚，两侧发育有深约5～9 m 的冲沟，前缘倾倒塌

滑体与基岩边界清楚，近河床部位为完整基岩构成

的陡坎、高度30～40 m 。

倾倒塌滑体结构上总体属碎裂散体结构。勘探平洞揭示，该倾倒塌滑体中上部底滑面的物质组成主要为岩屑、岩粉及泥质条带。如在PD9#平洞上游支洞可见厚约5 cm 泥质条带，压实紧密，其上为碎裂岩块，其下为较完整基岩。滑面产状310～340°SW ∠35～50°；在该主洞55 m 处可见滑面，其成分以岩屑岩粉为主，以此面为界，往山外岩块呈碎裂散体状结构，岩体架空明显，往山内岩体变好，分界明显。

3 斜坡变形破坏过程分析

3.1 斜坡变形破坏的机制分析

从上面的分析可见，倾倒塌滑体的形成主要受平行于岸坡走向的岩层结构与地形因素所控制。由于岸坡主要岩体为片麻岩，片理走向NE 40～60°，倾向SE ，倾角60～75°，走向与岸坡近平行并倾岸里，构成陡倾山内的逆向坡；坡体前缘不仅有倾向岸里的缓倾角裂隙组发育，而且岩体中断裂、节理发育，坡体后缘有成组的缓～中倾角的倾向谷坡外部的断裂集中发育(图2)。此外，岸坡地形高陡，两侧受断层、裂隙等的发育影响形成冲沟，加上黄河的深切侵蚀，形成了梁状三面临空地形，为倾倒塌滑体提供了变形的边界条件。结合斜坡所处的环境条件、岩体结构特征，该斜坡的演变过程可分为如下阶段：

1—黄河；2—缓倾岸内结构面；3—倾岸外的结构面；4—片理

图2 倾倒体未形成前岸坡结构示意图

Fig.2 Structure sketch of the slope before topple-slumping

(1) 斜坡岩体在应力作用下沿结构面初始变形阶段

当河流下切，河谷不断加深，伴随大面积的卸荷作用，斜坡岩体应力状态出现明显地分异：坡体后缘为拉应力分布区，坡脚地带为剪应力集中区。坡积碎石 土

冲积砂卵 砾石 片麻岩

石英岩 片岩

实测及推 测倾倒体 剪切裂隙 及编号 逆断层编 号及上盘 2 100

2 000

1 900

2 005 m

1 906 m

z /m

第22卷 增2 任光明等. 反倾向岩质斜坡变形破坏特征研究 ? 2709 ?

在这种岩体力学环境条件下，坡体中后部不仅片麻岩、片岩因卸荷回弹，结构松弛，沿片理面拉裂、错动，而且坡体内发育的陡倾结构面也同样发生拉裂、甚至错动，表面出现微小台阶或在坡肩形成拉裂缝；前缘平缓弱面在斜坡应力作用下发生剪切蠕滑为岩体的进一步变形奠定了基础(图3)。

1—黄河；2—陡倾结构面；3—倾坡外结构面；4—片理

Fig.3 Sketch of initial deformation of rock under the effect of

gravity

(2) 岩层弯曲(倾倒)、前缘剪切蠕变、后缘拉裂缝变形阶段

早期已经开启的陡倾山内的层状结构岩层，在平行斜坡表部的单向最大主应力作用下，产生弯矩作用，岩层由外开始向下作悬臂梁弯曲，岩层发生弯曲、开裂，并逐渐向谷坡深部发展。当岩层弯曲到一定程度，可导致岩层根部折断，形成断续分布的折断面，而在该部位若发育有倾向坡外的小规模断层时，易在断裂处折断、拉裂；前缘缓倾断裂的

1—黄河；2—缓倾结构面；3图4 (3) 破坏阶段

随着上述变形的进一步发展，坡体内折断带的剪应力超过其抗剪强度时，坡体错动下滑形成塌滑体。

由于坡体后缘及前缘发育的结构面规模较小，且主要发育在下游区范围，加上下游区边界冲沟的临空条件，因此下游区下滑错动位移较大，而上游区下滑错动较小，且具有一定的牵制作用，因而倾倒体仅有大的错落而未全部滑入河谷。

当一部分坡体下错滑落后，滑体上部的重量减小，重心降低，下滑力减小，倾倒体停止下滑；另一方面由于倾倒体滑面中段为岩块被剪断构成的呈台阶状，当继续向下沿台阶状剪切时(追踪倾倒拉裂缝剪切)，可能遇有大的台阶而停止下来。这种情况

可能更能说明倾倒塌滑体的变形破坏过程和特征。 3.2 斜坡变形破坏的数值模拟分析

为了验证上述分析，以图1剖面为依据，按照周围岸坡地形并结合该剖面的地形及坡体结构，对坡体滑动前的地形进行了恢复。恢复剖面的范围，前缘至河谷中心线，后缘至山脊分水岭，且剖面中仅考虑片理面的作用。片理面的倾角取60°，采取左、右及底边三边固定，建立的计算模型如图5。数值分析采用UDEC(Universal Distinct Element Code)程序仅考虑自重场作用下按摩尔-库伦力学模

型[4～

5]进行，计算选取的介质参数如表2。

表2 主要介质参数取值 Table 2 Parameters of rockmass

介质 类型 密度

/kg·m －3

体积 模量 剪切 模量 内聚

力 内摩

擦角 法向刚度 系数 切向刚度

系数 图3 岸坡岩层在应力作用下发生初始变形示意图

? 2710 ?岩石力学与工程学报 2003年

计算结果表明，坡体首先是在自重作用下发生垂向位移，随着迭代时步的增加，坡体前缘地带块体的位移逐渐向河谷临空方向偏转，而坡体后部的块体仍以垂向方向的位移为主，但此时的位移场的分异表现为整个浅表部坡体的位移大，而下部坡体的位移量小。图6是迭代50000时步的位移矢量特征，反映了此时整个坡体的位移是以浅表部坡体向河谷临空面位移为主。当计算迭代时步的进一步增加，前缘一带块体发生明显向河谷方向的弯曲，而且弯曲变形也逐渐向坡体后部发展。图7是计算迭代18×104时步块

带，在坡体内部从前缘至后缘形成一连续的弯曲折断带，且弯曲折断带在中前部一带较缓，而中后部较陡。这种变形特征还未考虑坡体中的陡缓结构面的影响。因此，在上述变形及坡体应力条件下，坡体后缘陡倾结构面、浅缘缓倾结构面的存在更有利于坡体内折断带的形成。

随着上述变形的进一步发展，坡体折断带内的剪应力超过岩体的抗剪强度，则坡体表现为受折断带控制的逐步错动下滑。

通过数值模拟获得的坡体变形破坏特征、变形破坏范围与现场调查的坡体变形破坏特征基本一

边)坡的变形破坏的预测、

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