西藏玉曲河下游岸坡倾倒变形机制及稳定性分析

张丙先

长江岩土工程总公司(武汉)，武汉 430010

0 引言

西藏玉曲河是怒江中游一级支流，其下游河段坡高谷深、岸坡陡峻，由板岩组成的岸坡普遍发生倾倒变形，这种变形特征在怒江、澜沧江、金沙江等流域普遍发育。怒江、澜沧江、金沙江流域分布有在建或拟建的巨型﹑大型水利水电工程，其中边坡倾倒变形问题是大型水利水电工程建设中的工程技术难题之一。随着该地区城镇化建设和公路、铁路等的修建，不可避免地遇到边坡倾倒变形问题。但边坡的倾倒变形是一类与滑动完全不同的变形破坏模式，传统的极限平衡方法与强度稳定性评价思路难以适应。前人多在对倾倒现象观测的基础上，采用定性分析、极限平衡计算、物理模拟、数值分析的方法，对倾倒变形的特征[1]、形成机理[2-3]、变形模式[4-5]和倾倒边坡的稳定性计算与评价[6-7]等方面进行了相关的研究，而对边坡变形特征与岩体力学特性的相关性研究开展得较少。因此，本文在现场调查、勘探的基础上，采用现场试验的方法，重点对岸坡变形特征与板岩变形特性的相关性进行了研究，试图从本质上揭示岸坡发生倾倒变形的内在原因，从而探寻倾倒变形岸坡稳定性分析的依据。

1 倾倒变形岸坡基本特征

1.1 基本地质条件

研究区位于青藏高原东南部的“三江”地区。玉曲河下游河段河道狭窄，谷底宽度仅20～50 m，水流湍急，两岸山体走向近南北向，分水岭高程3 000～5 000 m，相对河床高差500～2 000 m，谷坡坡度一般为30°～50°。河谷总体呈纵向谷，沿岸发育Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级阶地，均为基座阶地。其中：Ⅱ级阶地分布较连续，阶地台面宽度20～200 m，高出河水位45～75 m；前缘陡坎坡度45°～70°，后缘陡坎坡度30°～50°；Ⅰ、Ⅲ级阶地仅断续分布，Ⅰ级阶地台面高出河水面25～40 m，Ⅲ级阶地台面高出河水面80～115 m。

玉曲河下游河谷岸坡分布地层主要为二叠系、三叠系，岩性以板岩类为主，包括砂质板岩、绢云母板岩、钙质板岩、碳质板岩，局部夹有变质砂岩、大理岩、灰岩等；其次为石炭系大理岩；局部有花岗闪长岩侵入。其中：板岩呈板裂薄层状结构，而变质砂岩、大理岩、灰岩呈厚层—巨厚层结构，花岗闪长岩呈块状结构。

1.2 岸坡倾倒变形特征

玉曲河下游河谷岸坡大部分由板岩组成，河谷走向与岩层走向基本一致，两岸岸坡为层状同向结构或层状反向结构，倾倒变形现象普遍发育，正常产状岩体仅见于河谷岸坡下部或冲沟沟壁，正常板理面倾角70°～85°。由板岩组成的岸坡倾倒变形特征主要有以下3种类型。

倾倒折断型主要分布于阶地前缘陡坎，坡高一般为50～100 m，地形坡度45°～70°。倾倒岩体见于岸坡中上部，厚度一般为5～20 m，岩层多倾倒折断，倾倒后的岩体(以下简称倾倒岩体)板理面倾角20°～40°，与正常产状岩体相差40°～50°；发育垂直于板理面的裂隙，裂隙张开宽度10～30 cm，充填岩屑、泥质或架空，呈碎裂-散体结构(图1a)。倾倒折断型岩体内部性状变化不大。倾倒岩体与正常产状岩体界面沿强卸荷带下限、大致与坡面平行。岸坡下部倾倒岩体多受河水冲蚀而剥落，出露正常产状岩体，表面可见倾倒岩体剥落后留下的明显倾倒折断面，折断面呈锯齿状或阶梯状。

倾倒弯曲型主要分布于Ⅱ级阶地以上斜坡，自Ⅱ级阶地台面至坡顶，坡高600～1 000 m，地形坡度30°～50°，平洞揭露倾倒岩体厚度40～50 m，倾倒岩体与正常产状岩体界面沿弱卸荷带下限、大致与坡面平行，主要呈倾倒弯曲(图1b)。倾倒岩体岩层层序保持较好，板理面倾角20°～45°，与正常产状岩体倾角相差30°～55°，自坡内向坡外岩体性状逐渐变差，依次呈层状结构、碎裂结构、散体结构。

倾倒揉皱弯曲型在区内分布较少，岸坡上部分布冰川堆积体，倾倒体横跨Ⅱ、Ⅲ阶地，平洞揭露倾倒岩体厚度40～50 m。与倾倒弯曲型类似，倾倒岩体与正常产状岩体界面呈倾倒弯曲，自坡内向坡外岩体性状逐渐变差。不同之处：一方面Ⅱ、Ⅲ阶地下伏倾倒岩体内部顺坡向见多期次级倾倒弯曲、断续折断面，表明随着河流的不断下切倾倒岩体不断变形，发生多期倾倒；另一方面，冰川堆积体下伏岩层发生揉皱变形。

a.阶地前缘岩体倾倒折断；b. 倾倒岩体底部弯曲面。图1 研究区岸坡倾倒变形特征Fig.1 Toppling deformation characteristics of slopes in the study area

2 岸坡倾倒变形成因机制分析

2.1 岸坡岩体力学特性

玉曲河下游河谷岸坡分布的板岩类岩石中，砂质板岩属中硬岩，而绢云母板岩、钙质板岩、碳质板岩等属较软岩，变质砂岩、大理岩、灰岩、花岗闪长岩均属坚硬岩(表1)。

现场调查发现，板岩类岩石普遍发生倾倒变形，而变质砂岩、大理岩、灰岩、花岗闪长岩等坚硬岩未见明显倾倒变形迹象。为了研究岸坡倾倒变形与岩体变形特性的相关性，现场对砂质板岩和灰岩进行了岩体变形试验，采用刚性承压板法，荷载方向铅直。正常产状砂质板岩的变形与压力关系曲线呈下凹型(图2a)，变形随着压力的增大而不断增长，卸荷后大部分变形不能恢复，以塑性变形为主，反映了岩体沿板理面及黏土矿物聚片体之间的滑移[8]；灰岩的变形与压力关系近似直线(图2b)，斜率较陡，主要为弹性变形[8]。

2.2 岸坡倾倒变形的成因机制

现场调查研究发现，岸坡倾倒变形的发生是地质内因和外部诱因综合作用的结果。其中：内因主要有地层岩性、岩体结构、岩体的力学性质，其对岸坡倾倒变形起到控制性的作用；而外因是改变岩体应力的作用，主要包括河流冲刷下切、冰川的推覆作用以及人类工程活动开挖边坡等，其对倾倒变形起到诱发作用。

倾倒折断型的成因机制随着青藏高原的隆升，玉曲河河谷快速下切，阶地前缘形成陡坎，这为板岩的倾倒变形创造了临空条件。同时，在成坡过程中，岸坡发生卸荷回弹而松动，本来就弱胶结的板理面裂开，形成类似薄层板梁结构。在自身重力作用下，薄层板梁向外侧倾斜，根部产生拉张裂缝(图3a)。然后，薄层板梁向坡外转动、根部折断而倾覆在原状基岩上，形成类似“干砌石”的结构(图3b)。由于每块薄层板梁折断的位置、高度不同，折断面呈锯齿状或阶梯状。在折断过程中，岩体发生碎裂，后期受风化作用，折断岩体进一步松动、破碎，形成目前见到的散体-碎裂结构。从力学机理分析，虽然板岩属非弹性岩石，但因地形较陡、岩层较薄且临空，薄层板梁侧向约束薄弱，围岩压力很小，岩体呈脆性状态。由于岩体的抗拉强度很小，薄层板梁向外转动产生的拉应力使薄层板梁发生折断，表现为“折而立断”的脆性破坏特征。

表1 岩石主要力学性质参数

实线为加载过程，虚线为御载过程。图2 研究区岩体变形试验压力与变形关系曲线Fig.2 Curve of pressure and deformation in the rock mass test in the study area

倾倒弯曲型的成因机制Ⅱ级阶地以上岸坡经历了较长地质历史时期，坡高较大(600～1 000 m)，地形坡度中等(30°～50°)，岸坡的改造已处于基本稳定状态。与阶地前缘倾倒折断型不同，倾倒弯曲型的倾倒岩体厚度较大(40～50 m)，平洞揭露倾倒弯曲面与岸坡表面水平距离60～85 m(图4)，岩体的侧向约束较强，且具有一定的围岩压力。有围压作用时，岩石的变形性质与倾倒折断型的薄层板梁不同，随着围压增大，岩石的塑性也随着增大，且由脆性逐渐转化为延性[9]。而板岩本属非弹性岩石，在一定围压、一定的自重(一般不会超过岩石的长期

图3 研究区岩体倾倒折断发展过程Fig.3 Development process-toppling of broken of rock mass in the study area

1.碎块石土；2.卵漂石；3.板岩；4.地层界线；5.第四系与基岩界线；6.倾倒岩体结构分界线；7.倾倒弯曲面；8.平洞及编号；9.板理产状。图4 研究区倾倒弯曲型的典型地质模型Fig.4 Geological model of typical toppling-bending in the study area

强度)条件长期作用下，应变率是很低的，岩体发生蠕变或流变，表现为类似悬臂梁的弯曲变形，并产生层间滑移。

倾倒揉皱弯曲型的成因机制倾倒揉皱弯曲型的形成过程与倾倒弯曲型类似，但岩体变形持续的时间更长，从其横跨Ⅱ、Ⅲ阶地以及平洞揭露的次级弯曲面来看，其形成过程至少经历了两期作用。同时，倾倒变形岸坡的上部覆盖冰川堆积体，显示岩层倾倒弯曲的过程中叠加了冰川的推覆作用，岩层因而发生褶曲。

3 倾倒变形岸坡稳定性分析

3.1 倾倒变形岸坡的现状破坏模式

根据现场调查及勘探揭示，各种类型倾倒变形岸坡目前整体均处于稳定状态，岸坡的破坏模式主要为前缘松散倾倒岩体的剥落、掉块和局部崩塌。

区内由自然因素导致岸坡倾倒岩体失稳的案例发生于2014年8月，玉曲河右岸一山沟内爆发泥石流堵塞玉曲河河道，后河水沿左岸坡脚冲刷形成下泄通道。因河水冲刷切脚导致左岸倾倒岩体发生破坏，首先坡表发生裂缝，进而倾倒岩体由坡表向坡内渐次发生垮塌，破坏过程历时5个月，但没有发生整体性的大规模失稳。

目前，区内倾倒变形岸坡的工程建设活动主要为公路路堑边坡的开挖，开挖形成的路堑边坡坡高5～10 m，开挖坡比1∶0.75。根据现场调查，公路路堑边坡整体稳定性较好，仅雨季局部发生垮塌、掉块。

3.2 倾倒变形岸坡稳定性分析方法

3.2.1 倾倒折断型岸坡稳定性分析方法

对于已经发生倾倒折断的岸坡，可将根部折断面作为滑动面，采用极限平衡方法进行稳定性分析。但由于根部折断面呈锯齿状或阶梯状，一般不会发生整体滑动破坏。

Goodman和Ray[10]最早提出了分析倾倒边坡稳定性的极限平衡法。这一方法的基本原理是将滑坡体用反倾向的结构面切割成n个宽度为ΔL的矩形条块，对于任一条块，作用其上的力将使该条块处于稳定、倾倒破坏和滑动3种状态。相邻两个滑块在侧面和各自的底面满足摩尔-库伦准则。已知条块上侧作用力的合力，可根据力的平衡求得下侧的合力，对倾倒块体，将各作用力对条块下端点取矩。倾倒折断型的破坏模式是岩层呈薄层板梁式折断，属脆性破坏。对于发生倾倒折断型的边坡，Goodman-Ray法是合适的。

3.2.2 倾倒弯曲型岸坡稳定性分析方法

对于倾倒弯曲型，倾倒岩体能承受较大塑性变形而仍保持其完整性和强度，具有延性破坏的特征，岩层发生的是塑性弯曲变形而不是岩块转动，因此Goodman-Ray法是不合适的。

极限平衡分析方法的缺点是不能反映岩体内部真实的应力-应变关系，所求稳定性系数是滑动面上的平均值，带有一定的假定性。因此，无法分析岩体从变形到破坏的发生、发展过程，也无法考虑累进性破坏对岩体稳定性的具体影响[8]。而且，倾倒弯曲型岸坡底弯面仅仅是发生弯曲而没有形成贯通的结构面，所以将底弯面作为滑动面，采用极限平衡法来计算岸坡稳定性是不合适的。建立在非连续介质模型基础上的应力应变分析方法，可能是分析倾倒边坡更为有效的手段[10]。

倾倒揉皱弯曲型是在倾倒弯曲的基础上叠加了冰川的推覆作用而发生褶曲，其稳定性分析方法与倾倒弯曲型类似。

3.3 倾倒变形岸坡的发展趋势

3.3.1 倾倒折断型岸坡的发展趋势

这种类型的倾倒是刚性的结构变形，通常表现为“折而立断”，形成明显的根部折断面。由于折断面形态较为复杂，呈锯齿状或阶梯状，一般不会产生沿该面的整体滑动，而多表现为前部开挖失去“支撑”后，由前部向后部逐级后退式破坏。

3.3.2 倾倒弯曲型、倾倒揉皱弯曲型岸坡的发展趋势

鲍杰等[3]将岸坡岩体倾倒破裂的形成与演变归纳为4个阶段，依次为：卸荷回弹—倾倒蠕变发展阶段；层内拉张、切层张剪破裂发展阶段；弯曲—折断变形破裂发展阶段；底部滑移—后缘深部折断面贯通破坏阶段等。从区内岸坡的变形特征来看，倾倒岩体与正常产状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。倾倒弯曲型岸坡随着河流的不断下切，岩层在长期的自重作用下发生的蠕变或流变，是地质历史过程中的产物。通常倾倒变形岩体厚度较大，但由于岩体具有延性弯曲的特点，表现为“折而不断”，除了倾倒岩体浅部的坠覆和松驰外，短期内产生深层失稳的可能性不大。

4 结论

玉曲河下游河谷由板岩组成的岸坡倾倒变形主要有倾倒折断型、倾倒弯曲型和倾倒揉皱弯曲型3种类型。

1)倾倒折断型发生在阶地前缘陡坎表层，岩层侧向约束和围压很小，岩体呈脆性状态，在自身重力作用下，呈薄层板梁状向坡外转动、根部折断而倾覆在原状基岩上。可采用极限平衡方法进行稳定性分析，但根部折断面呈锯齿状或阶梯状，一般不会发生整体滑动破坏，岸坡失稳多表现为由前部向后部逐级后退式破坏。

2)倾倒弯曲型是地质历史过程中长期作用的产物，发生在Ⅱ级阶地以上坡度中等的斜坡，倾倒岩体厚度较大，岩体的侧向约束力和围压较大，岩体呈延性状态，在自重长期作用下，发生类似悬臂梁的弯曲变形。稳定性分析方法以建立在非连续介质模型基础上的应力应变分析方法为好。由于岩体具有延性弯曲的特点，表现为“折而不断”，除了倾倒岩体浅部的坠覆和松驰外，短期内产生深层失稳的可能性不大。

3)倾倒揉皱弯曲型的形成机理、稳定性分析方法、发展趋势与倾倒弯曲型类似，仅是在倾倒弯曲的基础上叠加了冰川的推覆作用而发生褶曲。