赵 小 平， 张 世 殊， 冉 从 彦， 胡 金 山， 许 源

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

从20世纪70年代以来，倾倒变形体已得到了岩土工程界的高度重视，并取得了较为成熟的成果。 国外学者如Frietas和Watters[1]在1973年明确将倾倒变形作为一种特殊的边坡变形类型；Goodman和Bray[2-4](1976)将倾倒破坏形式分成了三大类，即弯曲式倾倒、岩块式倾倒、岩块弯曲复合式倾倒，并基于极限平衡理论最早提出了倾倒稳定分析方法(简称G-B法)；之后，由Caner Zanbak，Aydan，Bobet等[5-9]人建立了基于静力平衡方法的倾倒变形破坏问题的分析方法；Cruden和Hu[10]在Alberta(1994)发现了贯通性不连续面倾向与坡向一致，但倾角比坡脚陡的边坡存在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(Block flexure topple)、多重块体倾倒(Multiple block topple)和人字型倾倒(Chevron topple)三种基本类型。国内对倾倒变形的研究起步较晚，国内诸多学者在倾倒变形体变形机制及规律研究方面的成果大致从岩体结构的控制作用，地应力的作用与释放，或风化作用等不同因素探讨了反倾岩体变形破坏的机理。王兰生、张倬元等[11]详细讨论了倾倒变形发育的坡体结构条件及演化发展过程，阐述了其启动机制并建立了相应的失稳判据。韩贝传、王思敬[12](1999)把倾倒变形的影响因素归纳为：初始应力场、边坡初始坡型、边坡开挖深度与角度、岩体与层面力学参数、层面几何特性即层面间距与倾角、开挖后地下水位变化、岩体对历史上应力与变形的记忆功能等。但随着工程建设需求的增长，矿山开采、水电开发等工程活动日益频繁，倾倒变形现象在黄河小浪底、红水河龙滩、岷江紫坪铺、雅砻江锦屏、澜沧江小湾、大渡河金川、金沙江虎跳峡、白龙江苗家坝等水利水电工程中具有此类地质结构条件的边坡被大量发现和揭露，并引起了众多国内学者的关注，诸多学者充分运用倾倒变形体的主要研究方法，如物理模拟方法、运动学分析法、极限平衡分析法及数值模拟法，在倾倒变形体变形破坏特征及形成机理等方面取得了更加深刻的认识。如黄润秋[13](2004)在对中国高边坡的系统性总结中，明确将压缩—倾倒纳入倾倒变形的范畴，并依据边坡内部结构的不同及相应变形表现形式的差异，进一步将其划分为压缩-倾倒-拉裂型和压缩-倾倒-剪胀型两类；陈孝兵等[14]用底摩擦试验模拟分析澜沧江某水电站坝肩反倾边坡的倾倒变形岩体进一步发展演变过程及特征；蔡国军等[15]采用不同材料配比进行试验，在不同开挖坡比的条件下，研究分析锦屏一级水电站坝址左岸反倾边坡的变形破裂响应。

尽管目前针对倾倒变形体的分类、变形演化及稳定性分析评价等方面均有重要的研究成果，但对于倾倒变形体的系统性的分布规律及发育特征等尚未有报道。本文主要依托多年来水电工程实践过程中所遇到的倾倒变形问题，基于21个反向坡倾倒变形体及10个顺向坡倾倒变形体的发育特征及分布规律统计,对其发育位置、发育条件、空间分布及岩性组合等方面进行系统性的分析总结，为倾倒变形体的初步判识、勘察评价及危害防治等提供分析基础。

2 水电工程倾倒变形体的发育特征

与其他类型的斜坡变形破坏一样，倾倒变形体有其特定的发育环境，并非在各种条件下均能发生倾倒变形现象。一般来说，斜坡的变形破坏形式受控于其所处的地质环境特征。地质环境是地质体所处的环境，包括地形地貌特征、岩性特征等条件。本文通过搜集国内近几十年来较为典型的倾倒变形体，分析其坡体发育的空间分布特征、坡体地质结构、岩性组合、微地貌特征以及变形破坏特征等，进而得出倾倒变形体发育的地质环境条件，为分析倾倒变形体影响因素提供依据。

2.1 水电工程倾倒变形体发育特征统计

(1)反向坡倾倒变形发育特征统计。早期从事岩石力学与工程地质的学者和工程师认为反倾层状岩质边坡由于没有变形空间，一般是自稳边坡，通常不会发生大规模的变形破坏，而是一些小规模的崩塌落石。随着工程实践经验的丰富和认识的不断深入，人们逐渐认识到在各类反倾岩质边坡中可以发生变形破坏，甚至是大型深层的滑动破坏。野外调查发现，并非所有反倾岩质边坡均会发生倾倒变形现象，正如并非所有的坡体都会发生滑坡一样，发生该变形破坏事件在众多的反倾岩质斜坡中只是少数。因此，通过对倾倒体进行统计分析，得出发生倾倒变形的坡体发育的地质环境特征，有助于获取影响坡体发生倾倒变形的因素，有利于倾倒变形体的早期判识。近年来国内较为典型的反向坡倾倒变形体的变形破坏特征统计情况(表1)。

基于上述倾倒变形体的发育特征统计，笔者将从顺向坡及反向坡两种情况分别阐述倾倒变形体在发育地貌特征及岩性组合上的差异及规律。

2.2 水电工程倾倒变形发育地貌特征

(1)反向坡倾倒变形发育地貌特征。反向坡倾倒变形发育坡角一般大于30°，以40°～50°最为多。坡体相对高差以100～200 m和300～400 m居多，相对高差在500 m以上的坡体仅占1/4(图1)。

(2)顺向坡倾倒变形发育特征统计。作为一类近期才被认识的边坡变形失稳形式，顺向坡倾倒变形应当引起足够重视。在这类边坡中，由于岩层没有滑移边界和空间，故其变形失稳的边界需要一个较长的时间来形成。在这个时间段内，岩体可以发生充分的表生改造和时效变形，岩体质量充分劣化，容易形成大规模的滑坡。对部分典型的顺层岩质边坡倾倒变形体的变形发育特征统计(见表2)。

表1 反向坡倾倒变形体发育基本特征

编号位置变形破坏特征微地貌18糯扎渡水电站倾倒变形体开挖揭露坡面张裂裂隙,较陡的裂隙多张开,充填岩屑,剖面可见弯曲现象,坡脚有坠覆岩块。岩层间错动,岩块呈脆性折断,下部断层带压缩变形凸形坡,坡面总体较平顺19如美水电站倾倒变形体坡表拉裂,倾倒程度强烈,局部岩体架空,岩层弯折,层间错动形成反坡台坎。坡表松动架空,层内拉裂,根部张剪,切层破坏,呈脆性破坏微凸形坡,河流拐弯,坡表冲沟发育20狮子坪水电站二古溪倾倒变形体坡体中后部出现多处拉裂缝,坡体前缘公路隧道衬砌受挤压开裂掉块,洞壁内敛,路面隆起、开裂。边坡喷砼开裂,桥梁受推挤移位。前缘坡体发生局部垮塌。岩层发生弯曲变形,坡表岩体松弛、坠覆,近坡表岩体破碎,倾角较小,向坡内逐渐增加,岩体完整性逐渐变好凸形坡,中部呈脊状,坡体前缘较陡21黄河班多水电站1号倾倒体倾角随深度的增大有增大的趋势,由于岩层弯曲变形,导致岩层沿板理或层间软弱带产生拉张错动,形成楔形张裂缝,局部有岩体的折断现象。由于板岩为薄层～极薄层构造,岩质软弱,易风化,总体呈现连续变形现象坡面不平顺,完整性较差

表2 顺向坡倾倒变形体发育基本特征

斜坡在纵断面上多为凸起形，凸起部位多位于坡体中下部，其斜下方没有阻挡，临空条件相对较好，容易发生变形。多数斜坡坡表冲沟发育，坡面完整性较差，在平切面上呈弧形凸出，上下游侧约束作用较弱，应力释放充分，坡体松弛。部分坡体处于河流凸岸，或位于两河交汇的单薄山体处，处于三面临空状态，变形空间较充足。

图1 反向坡倾倒变形发育地貌特征

(2)顺向坡倾倒变形发育地貌特征。顺向坡倾倒变形发育坡度一般在30°以上，多发育在30°～60°的斜坡中(图2)，坡体前缘陡立，临空条件好。平面位置上多发生在河流凸岸或山脊部位，其两侧冲沟发育，侧面约束条件较差，临空条件好，坡体松弛卸荷强烈。如碧口水电站青崖岭顺向倾倒变形体位于白龙江左侧凸岸的山嘴上，且两侧有冲沟发育；孟家干沟顺向倾倒变形体两侧冲沟切割较深，坡体呈脊状，前缘较陡；怒江俄米电站1号倾倒变形体位于“Z”字形河段，上游侧被F7断裂及冲沟切割，下游侧为河流拐弯处，坡体位于孤立的山体上，三面临空。倾倒斜坡坡高常大于100 m，多发育在坡高400 m及以上的坡体中。

图1、2的地貌特征统计反向坡及顺向坡的倾倒变形发育地貌特征。对于反向坡体，其坡度相对较大，以40°～50°最为发育；而对于顺向坡，由于岩层倾向坡外，坡面陡立时容易发生顺层滑移使坡度减小，故其坡度一般较小，以30°～50°较为发育。此外，由于发育倾倒变形的顺向坡岩性较软弱，容易遭受风化剥蚀，也难以形成陡立斜坡。倾倒变形体坡高数百米，在纵剖面上多为凸形坡，坡面完整性差。倾倒变形受微地貌影响显著，两侧冲沟发育的孤立脊状山体、河流凸岸和两河流交汇的单薄山脊处均容易发生倾倒变形(图3)。

图2 顺向坡倾倒变形发育地貌特征

图3 倾倒变形体发育的微地貌特征

另外，在斜坡坡度上，顺向坡的坡度主要分布于41°～50°，反向坡的坡度主要分布于31°～40°；在坡体高度上，两者在100～700 m及以上都有发育，但顺向坡发育最多的坡体高度主要在300～400 m，反向坡则主要集中于400～500 m。

2.3 水电工程倾倒变形岩性组合特征

(1)反向坡倾倒变形岩性组合特征。反向坡倾倒变形多发育在变质岩或板裂化的坚硬岩石中，倾倒体中常见岩性为板岩、千枚岩、片岩、变质(粉)砂岩、泥岩、泥灰岩等，在构造作用或浅表生改造作用下形成的板裂化花岗岩、英安岩、片麻岩、凝灰岩等坡体中也可见倾倒变形，且通常规模较大。倾倒变形体在软岩、似层状脆性岩、软硬互层状或上硬下软的坡体中均有发育，以软硬岩夹层或互层最为常见，这是由其岩性和组合决定的。单一的软弱变质岩容易遭受剥蚀而难以形成高陡坡体，而坚硬的砂岩通常横切结构面发育，难以形成长柱。常见规模较小的倾倒式崩塌，当软硬岩组合时，硬岩可以抵抗风化剥蚀作用而保持坡体高陡，软岩可以防止坡体中快速形成贯通结构面，从而容易形成大型倾倒变形体。

(2)顺向坡倾倒变形岩性组合特征。顺向坡倾倒变形多发育在力学性质较差的变质岩体中，以板岩、千枚状板岩、炭质板岩、变质砂岩及粉砂岩、砂板岩互层、片岩、千枚岩等居多。这类坡体几乎全部由软质岩或软硬互层组成，硬岩占比较小，岩体风化卸荷严重，岩体质量较差。

综上所述，倾倒变形可发育在层状软质岩系或板裂化的坚硬岩石中，常见岩性为各类板岩、片岩、千枚岩、变质砂岩(粉砂岩)、泥岩等，在风化卸荷和长期时效变形条件下的板裂化花岗岩、英安岩、片麻岩等坡体中也可见大规模倾倒变形现象。倾倒变形体在软岩、似层状硬岩、软硬互层或上硬下软的层状坡体中均有发育，且都可发展为较大规模的变形体。反向坡与顺向坡倾倒变形体的岩性组成有一些区别，反向坡体可包含的岩性较为广泛，常以变质软岩夹较坚硬岩的组合出现，也能够发育在节理发育的脆性岩体中；顺向坡倾倒变形坡体的岩性主要是容易发生变形破坏的板岩、千枚岩、片岩、泥岩等软质岩，且坡表风化卸荷较强烈。

3 水电工程倾倒变形体的分布规律

笔者对大量倾倒变形坡体特征进行总结与分析，倾倒变形体发育的地质环境基本特征主要有以下几点：

(1)倾倒变形体主要沿西部高山峡谷发育。

通过对倾倒变形体分布特征的研究，发现大型倾倒变形体多沿西部地区江河流域分布，主要发育于黄河中上游河段、雅砻江流域、澜沧江以及白龙江等具有高山峡谷地貌景观的部位(图4)。倾倒变形体沿河流岸坡分布的一个重要原因是这些部位斜坡高陡，卸荷强烈，为倾倒变形提供了良好的临空条件和变形动力。据统计，大型倾倒变形体常发育在西部地区具有高山峡谷地貌景观的各江河流域，以黄河、澜沧江、雅砻江等河流的岸坡最为发育。大型倾倒变形体沿这些江河流域，以澜沧江最为发育。对于其他远离水系的倾倒变形体，其规模一般较小。

图4 倾倒变形体沿水系分布

(2)倾倒变形体主要分布在大陆坡度陡降带。

坡体变形需要一定的应力条件和临空条件，倾倒变形体广泛发育的大陆坡度陡降带主要分布于环青藏高原东侧附近(图5)，该区域斜坡高陡，为岩体的倾倒变形创造了很好的临空条件。此外，受印度板块和欧亚板块的挤压，区域地应力量级高，地质构造复杂，区域地壳抬升导致河流疾速下切，岸坡强烈卸荷松弛，为倾倒变形创造了良好条件。

图5 倾倒变形体沿大陆坡降带分布

(3)倾倒变形体主要发育在高程1 500～3 000 m的中山地貌中。倾倒变形体多发育在中山地貌中，前缘高程一般在1 500～2 000 m以上，其发育范围一般在1 500～3 000 m(图6)。该山体经历了构造剥蚀作用，岩体完整性遭到破坏，容易发生变形失稳。

图6 倾倒变形体高程分布

基于已有工程实例及参考文献，对各大型倾倒变形体的前后缘高程进行了统计，由于各流域分布高程不同，沿岸的倾倒变形体前缘高程也各不相同。但总体来说，反倾坡倾倒变形体都发育在1 500 m以上，高程范围一般以1 500～3 000 m居多，属构造剥蚀中山地貌。顺倾斜坡倾倒变形体实例统计显示，变形体前缘高程位置主要集中在2 000 m及以上，变形体高差从一百米到数百米均有发育，其地貌类型属构造剥蚀中山。

4 结 语

笔者主要基于21个反向坡倾倒变形体及10个顺向坡倾倒变形体的发育特征及分布规律统计，从倾倒变形体的发育特征、岩性组合及分布规律等方面开展了研究，其主要研究结论如下：

(1)对于反向坡体，以40°～50°最为发育；而对于顺向坡，以30°～50°较为发育。在斜坡坡度上，顺向坡的坡度主要分布于41°～50°，反向坡的坡度主要分布于31°～40°；在坡体高度上，两者在100～700 m及以上都有发育，但顺向坡发育最多的坡体高度主要在300～400 m，反向坡则主要集中于400～500 m。

(2)倾倒变形可发育在层状软质岩系或板裂化的坚硬岩石中，常见岩性为各类板岩、片岩、千枚岩、变质砂岩(粉砂岩)、泥岩等。但对反向坡体可包含的岩性较为广泛，常以变质软岩夹较坚硬岩的组合出现；顺向坡倾倒变形坡体的岩性主要是容易发生变形破坏的板岩、千枚岩、片岩、泥岩等软质岩，且坡表风化卸荷较强烈。

(3)大型倾倒变形体常发育在西部地区具有高山峡谷地貌景观的各江河流域，以黄河、澜沧江、雅砻江等河流的岸坡最为发育。大型倾倒变形体沿这些江河流域，以澜沧江最为发育。对于其他远离水系的倾倒变形体，其规模一般较小。

(4)坡体变形需要一定的应力条件和临空条件，倾倒变形体广泛发育的大陆坡度陡降带主要分布于环青藏高原东侧附近。

(5)倾倒变形体多发育在中山地貌中，前缘高程一般在1 500～2 000 m以上，其发育范围一般在1 500～3 000 m。对反向坡，高程范围一般以1 500～3 000 m居多；对顺向坡，变形体前缘高程位置主要集中在2 000 m及以上。