澜沧江上游河谷哑贡倾倒变形体形成机制及过程

李 明，涂国祥, ，罗新平，尚 琪

(1. 成都理工大学 环境与土木工程学院，四川 成都 610059；2. 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059)

倾倒破坏是天然岩质边坡中最常见的失稳模式之一。众多学者已在倾倒变形及细观岩体破坏方向取得了丰富的研究成果。黄润秋等以典型高边坡为例，分析了倾倒变形的力学机制和时效变形破坏机制，探讨了其稳定性[1-4]。物理试验与数值模拟相结合是研究边坡变形演化的常用手段。陈孝兵等基于相似理论分析原理，运用底摩擦重力试验模拟了重力场条件的岩体倾倒变形演化过程[5-6]；张御阳等通过不同裂隙倾角的设置，探究了反倾岩质斜坡倾倒变形影响效应[7-8]。石崇等从细观力学角度对岩土工程力学特性作了初步研究[9-10]；赵伟华等采用复合岩体技术模拟了岩质边坡的滑移破坏[11]。

澜沧江上游古水河段右岸发育一大型倾倒变形体，其倾倒岩体体积约 5 000 万立方米，深度达200 m。该倾倒变形体的存在严重影响距上游约800 m的古水水电站的安全建设。本文在详细现场调查的基础上，采用底摩擦和数值计算相结合的方法，对该倾倒变形的发育特征、形成机制和演化过程进行研究和探索。

1 研究区地质背景

哑贡倾倒变形体位于澜沧江上游河段右岸，青藏高原东南缘。该区两岸斜坡高陡，河谷深切，呈不对称“V”字型，岸坡坡度较陡并且相对高差较大，多级河流阶地发育，第四系地层发育相对良好。靠近木水河一侧，沟谷内基岩出露，表部岩体有强烈的倾倒变形迹象，岩体多破碎呈强风化状，不同程度地坍塌。斜坡的结构主要为岩层层理面，并在板岩砂岩互层的岩体中发育一组倾向坡外的节理面，边坡原始地层呈反倾陡立型，发育有强烈的倾倒变形。

研究区断层发育良好，其中红山-古水断裂，走向N10°～30°W，穿过岸坡前缘。研究区出露的地层主要为坡积层，下伏基岩主要有三叠系上统红坡组(T3hn )、二叠系下统吉东龙组(P1j)。红山-古水断裂北东侧以板岩为主，断层南西侧主要为板岩夹变质砂岩，空间组合上属于软硬相间的岩层结构，有明显的倾倒变形迹象。

图 1 研究区地质平面图Fig. 1 Geological planar graph of the study area

2 哑贡倾倒变形体发育特征

2.1 岩层产状特点

根据现场调查，该区地层原始产状为N15°～40°W、SW∠75°～85°。而木水河河谷两岸岩层倾角变化明显，右岸岩层倾角在70°～80°范围内变化，与地层初始产状基本一致；左岸河谷底部倾角范围大致为20°～50°，并随高程增加而减小，如图1所示。

根据平硐调查，统计分析了深层岩体中岩层倾向和倾角的变化。图2显示了A-A′剖面的3个平硐（PD221、PD222和PD223）的岩层产状变化。PD223位于斜坡底部，在整个100 m深范围内，地层倾向约240°。PD223平硐0～50 m段，倾角在40°～50°范围内变化，深度超过60 m，倾角增大到70°～80°；PD222、PD221平硐高程较高，倾向、倾角偏离初始条件，波动较大。当PD222和PD221埋深分别大于100 m和140 m时，倾向逐渐增大到初始状态，但倾角仍远小于初始值。

图 2 A-A′剖面平硐地层产状变化Fig. 2 Variations in dip angle and dip direction of the bedding planes in A-A ′ section

调查结果表明，倾倒变形引起的岩层产状变化特征为：岩层产状在地表和浅部岩体中波动剧烈、频繁；高海拔岩层的产状比低海拔岩层的产状波动更剧烈和频繁，岩体的倾倒深度更大；倾倒过程中，倾倒岩体，尤其是地表和浅部岩体的倾向和倾角都发生了变化。

2.2 倾倒折断带发育特征

图 3 岩体内倾倒折断特征Fig. 3 Characteristics of the toppling fracture zones

在倾倒变形过程中，岩体中发育大量不同程度的倾倒折断带，图3为PD222中2个典型的倾倒折断带，其中一个（图3（a））位于距硐口50 m处，其产状为N10°W、NE∠65°，厚度为5～8 cm，带内由碎块石及岩屑充填，相对松弛，呈“V”字型。靠硐口一侧岩层产状为N70°E、NW∠25°，另一侧产状则为N20°W、SW∠15°，两侧岩层倾向倾角差异明显。另一个折断带（图3（b））位于距硐口10 m处，产状为S30°W、SE∠58°，厚度为10～15 cm，靠硐口一侧岩层产状为N20°E、NW∠18°，另一侧产状为S60°E、NW∠24°，岩层的倾向变化明显，倾角大小也发生变化，呈倒“V”字型，该带内具有明显的剪切错动迹象，错动距离约为20～25 cm。

调查表明，该区倾倒折断带两侧岩层产状明显不同，甚至有明显的剪切错动变形出现，错距约为5～50 cm。通常，这些倾倒折断带的厚度为5～100 cm，倾角为50°～80°，主要由块碎石、角砾及岩屑组成。这些倾倒折断带通常穿过多个岩层，长度超过2 m，有的长达数十米。尤其在高高程的浅表岩体中倾倒折断现象发育程度与密集度相对较高，且折断带附近岩层产状波动相对较大，岩体完整程度相对较低，大量折断带的形成加剧了斜坡深层倾倒折断的产生。

3 哑贡倾倒变形体形成机制

3.1 底摩擦重力试验

累进性倾倒变形破坏是反倾层状斜坡的一种主要方式，本次试验分3个阶段开挖模拟河谷下切，通过底摩擦试验分析该斜坡在木水河下切等作用下发生倾倒变形的基本特征及影响因素。

3.1.1 底摩擦试验设计 本文通过底摩擦试验来研究河谷下切过程中，反倾岩质边坡的倾倒变形响应特征。以哑贡深层倾倒变形体A-A′剖面为原型设计试验，试验采用摩擦重力试验仪。该仪器可以变频控制转速，当模型材料足够薄时，认为材料与橡皮带之间的摩擦力近似等于重力。

该研究区岩体主要为板裂化严重的砂质板岩。参考以往模型试验经验[12-15]，应力相似比取1∶1 500，相似材料采用石英砂、重晶石粉、液体石蜡油，按照质量比为60∶30∶10调配。根据研究区河段阶地发育情况，设计如图4所示的模型，模拟河谷下切。模型坡高65 cm，宽80 cm，设置1.5 cm的层间距与70°的岩层倾角。材料参数见表1。

图 4 底摩擦模型Fig. 4 Model design diagram of the base friction

表 1 模型材料力学参数Tab. 1 Model material mechanical parameters

图 5 第一阶段底摩擦试验现象Fig. 5 Base friction test phenomenon in the first stage

3.1.2 试验模拟结果分析 根据试验现象，河谷下切可以分为3个阶段。第一阶段，随着模拟重力（摩擦力）作用，如图5（a）斜坡岩体发生初始变形，图5（b）坡体前缘浅表部岩体向临空方向发生弯曲变形，由于失去前缘岩体的支撑，后缘出现较大的拉裂缝，此阶段，倾倒变形程度相对较弱，发育深度相对较浅。岩体结构相对完整，未见明显的折断现象，边坡自稳能力较好。图5（b）标记线2对比虚线可见，后缘发生拉裂下陷，上覆层状岩体倾向坡外并产生时效变形，该层逐渐产生反向弯曲。标记线1为应力增高区，该区倾倒现象较为明显。

第二阶段，河谷下切模拟，该阶段河谷由宽谷期过渡到峡谷期，木水河下切迅速，岸坡变得高陡，为斜坡变形提供了有利的变形条件和卸荷边界。图6（a）到（b）过程中随着边坡侧向应力的释放，斜坡层状岩体前缘向临空方向倒伏，由图中标记线对比，坡肩附近变形程度较大，累积变形区约为坡高的1/3，规模较大。在倾倒变形加剧的过程中，河谷谷底由于应力集中，出现层间隆挤现象。

第三阶段，随着河谷不断下切，斜坡深层岩体连续弯曲变形，其倾倒变形的程度逐渐加剧。如图7（a）所示，在河谷谷坡部位形成微张裂隙，随着变形的加剧，大量张开度较大的裂隙产生，与斜坡层面大致垂直并逐级向上发育，进而发育形成破裂面（图7（b））。斜坡上部岩体向临空方向倾倒破坏，斜坡前缘浅表层岩体局部出现倾倒坠覆现象。

图 6 第二阶段底摩擦试验现象Fig. 6 Base friction test phenomenon in the second stage

图 7 第三阶段底摩擦试验现象Fig. 7 Base friction test phenomenon in the third stage

倾倒变形过程中岩层倾角由70°转为20°～30°，变形加剧，层状岩体由弯曲变形过渡到倾倒折断。裂隙成锥形从层间岩体产生，并与层面大致垂直，张开度、贯通性较好。随着倾倒变形进一步加剧，裂隙向深部扩展，贯通形成破裂面。

研究区的深层倾倒变形是由内部因素与外部因素共同作用的结果。斜坡岩体主要为软硬相间板岩夹变质砂岩，岩体呈反倾陡立状，并且坡形相对较陡，为岩体倾倒变形提供了基本条件；影响该斜坡倾倒变形的主要因素为河谷下切，在河谷不断的下切过程中，岸坡增高增陡，侧向应力释放（卸荷），斜坡内应力重新分布，主应力与坡表平行，在其作用下层状岩体发生弯曲变形、倾倒折断。

3.2 数值分析

数值模型进行3次开挖模拟河谷下切，每次开挖后运行3万时步，共模拟3个阶段，详细分析倾倒变形体的形成机制和演化过程。

3.2.1 反倾岩质边坡模型的构建 根据A-A′剖面图建立DXF格式轮廓线，通过 P FC2D内部设置判断颗粒位置完成分组，删除模型以外的颗粒及上部墙体，生成包含6.5万个颗粒的剖面模型（图8）。以断层为分界线上部为板岩夹变质砂岩，下部为板岩。

图 8 P FC2D计算模型Fig. 8 P FC2D calculation model diagram

根据平硐调查获取的相关数据，统计分析节理的倾角、间距等分布规律，设置倾角70°的节理模型；同时展现其空间形态，将节理间距增大，并认定节理在空间均匀分布。采用线性接触黏结模型模拟颗粒，可同时传递力与力矩，能够模拟完整岩石的力学行为；节理接触为平滑节理模型，该本构模型不考虑沿节理局部颗粒接触的方向。

岩体材料微观参数采用低围压双轴试验测试，高4 m，宽 2 m，粒径为1～2 cm的颗粒随机分布，利用1 MPa伺服围压得到模型后不断调整细观参数，使模拟应力应变曲线与室内试验吻合，裂隙发育规律符合实际。在试验中调整微观参数减小不同宏观力学参数间的尺寸效应，表2为岩石材料的颗粒微观参数，表3为通过直剪试验获取结构面的颗粒微观参数，岩性及接触模型符合模拟要求[16-17]。

表 2 PFC模拟岩石材料颗粒微观参数Tab. 2 PFC-simulated particle microscopic parameters of rock material

表 3 不同类型结构面的颗粒微观参数Tab. 3 Microscopic parameters of particles with different structural planes

3.2.2 颗粒流模拟结果分析 如图9所示，随着河谷的不断下切，致使岸坡愈加陡立，为斜坡变形创造了有利的临空条件和卸荷边界。图9（b）、（c）为两次侧向的岩体卸荷造成坡体内应力变迁，图9（d）岸坡岩体中的各类裂隙由低高程向高高程扩展，并产生大量拉张、剪切裂隙，岩体完整性及稳定性呈渐进性衰退，从而促进斜坡在重力作用下向临空方向发生倾倒变形，最终发育形成新的拉裂-剪切破坏面。

图 9 倾倒演化示意图Fig. 9 Evolution diagram of toppling fracture

PFC2D中规定水平x轴正方向顺时针旋转为倾角方向，图10玫瑰图统计分析了微裂缝倾角变化。模型初始岩层节理倾角为（a）110°，（b）、（c）分别对应运行3万时步、9万时步剪切裂隙倾角统计，剪切裂隙倾角近与岩层倾角平行；（d）、（e）、（f）分别对应运行3万时步、6万时步、9万时步张拉裂隙倾角统计，初始变形张拉裂隙倾角为60°，平行坡表且垂直于岩层层面，随着倾倒变形微裂隙倾角60°转为40°，可见拉张裂隙变形初期为卸荷裂隙，后期主要为折断破坏裂隙。

图 10 裂隙倾角玫瑰图及裂隙数量（倾角单位：°）Fig. 10 Rosette diagram of fracture dip angle and fracture numbers （fracture unit: °）

河谷下切过程中倾倒演化阶段根据颗粒流模拟结果可总结为卸荷（回弹拉裂）、变形（裂隙发育）、折断（裂隙贯通）3个阶段。

（1）卸荷（回弹拉裂）阶段。图11（b）为模拟6万时步的DFN裂隙图，微裂缝没有明显发展，河谷下切初始临空面形成，斜坡内原始应力较高，受反倾节理及砂板岩互层坡体结构影响，卸荷条件下坡内表现出不同的响应机制，坡体表部形成张拉裂隙带。图12裂隙统计图中（3～6）万时步中剪切裂隙较多，拉张裂隙增速明显，坡体裂隙发育为倾倒变形提供先决条件。

图 11 DFN裂隙分布Fig. 11 DFN fracture distribution map

（2）变形（裂隙发育）阶段。随着下切作用加剧，河谷形态明显变窄，坡脚处剪应力集中，裂缝逐渐延伸扩展，产生部分塑性变形。图11（c）显示坡脚颗粒在剪应力作用下发生剪切滑动，为后部岩体变形提供了变形空间。图12模拟（6～9）万时步拉张裂隙，可见数量明显增加，反映了自重力作用下岩体连续的弯曲变形，弯曲过程中受拉面颗粒间产生大量拉张裂隙。该阶段中可以明显观测到裂隙由谷坡向顶部缓慢发育，为典型的弯曲倾倒变形现象。

（3）折断（裂隙贯通）阶段。如图11（d）所示，由模型图中断层的变形现象可以判定该斜坡的变形主要为累进性破坏。图中岩体节理裂隙发育，在倾倒变形过程中岩体保持较好的成层性，倾倒岩体沿节理面明显错动。如图12所示，随着计算时步的增大，张拉裂隙数量显著增加，逐渐接近剪切裂隙数量，最终相互贯通形成剪切滑动面，剪切面倾向坡外，剪应力集中，容易形成整体滑移。

4 讨 论

通过以上底摩擦试验揭露的倾倒变形岩体基本特征，颗粒流数值模拟再现岩体变形、裂隙发育的演化过程，得到以下基本认识：

（1）在快速连续的河谷下切过程中，河谷两岸岩体集中卸荷，岸坡表面产生卸荷回弹。当产生的拉应力超过岩体的抗拉强度，坡体内就会逐渐形成大量卸荷裂隙。

（2）在模拟河谷的下切过程中，发现坡体内的裂隙发育具有一定的规律性。在数值分析中，张拉裂隙倾角大小主要集中在40°～60°（图10），与底摩擦中发育的裂隙倾角大小大致吻合；同时如图11（d）标记所示，在坡体内产生明显的裂隙集中带，此裂隙集中带的展布迹线形态与图6的折断带的贯通破裂面相对应。

（3）河谷的多次下切，致使斜坡发生深层倾倒变形，并在坡体内不同部位形成不同程度的倾倒折断带。折断破裂面在坡脚处与坡体斜交向上逐渐发展为与坡表平行（图6），最终可能成为边坡发生剪切滑移破坏的底界。

5 结 语

本文对反倾层状岩质边坡进行倾倒变形破坏模拟试验，分析该边坡倾倒变形破坏特征及破裂面孕育演化过程，得到以下结论:

（1）随着河谷不断下切，岩体卸荷及边坡应力场的重新分布，岩体中形成了较深的应力松弛区。然后，在应力松弛区主应力方向调整为重力方向，该区中陡倾的层状岩体在重力作用下会向河谷方向发生倾倒变形。

（2）底摩擦试验模拟倾倒变形破坏过程中，河谷下切，斜坡浅表岩体最先出现弯曲倾倒现象。随着变形加剧，大规模倾倒变形体形成，岩层间裂隙呈倒锥状张开，随着时间推移岩体折断，在裂隙与层面共同影响下，倾倒破坏继续进行，逐渐向深部扩展。

（3）通过颗粒流数值模拟，可将倾倒变形体演化过程划分为卸荷（回弹拉裂）、变形（裂隙发育）和折断（裂隙贯通）3个阶段。随着河谷下切，裂隙首先由谷底以上坡表岩体形成，剪切张拉应力集中，裂缝开始向内部延伸发展，最后贯通形成破裂面，倾倒变形岩体在时空上呈阶段性特征。