斜坡岩体变形的基本地质力学模式

*斜坡岩体变形的基本地质力学模式王兰生张倬元（成都地质学院）提要大量现场观测资料表明，斜坡变形按其地质特征和力学机制可划分为5种基本模式，即（1）滑移（或蠕滑）一拉裂；（2）滑移一压致拉裂；（3）弯曲一拉裂；（4）滑移一弯曲和（5）塑流一拉裂等。文中讨论了各变形模式的形成条件、演进图式和阶段划分依据，并讨论了各模式的空间结合和发展过程中的转化。这种模式有助于确定斜坡可能的变形形式、判断其发展阶段和预测它的发展趋势，也有助于设计合理可行的物理模拟和稳定性计算方案，并且还可期望应用于其它类型的岩体稳定性问题和区域构造稳定性分析评价中。六十年代初瓦依昂水库巨型崩滑事件预测失误一事，在国际工程地质、岩石力学界引起了极大震动。人们认识到把滑动体作为刚性体按极限平衡条件分析其稳定性的传统方法，由于未能考虑到斜坡破坏之前的变形全过程、割断了历史，因而难干对它的稳定性的现状和发展趋势作出符合实际的评价和预测。近年来，斜坡岩体的变形和蠕变已成为国际工程地质界主要关注的课题之一。斜坡在达到最终破坏前总要经历或长或短的变形阶段，其中包含有卸荷回弹和蠕变这两个过程。已有文献中讨论过多种蠕变形式，但尚无一套较完整的斜坡变形分类方案。根据大量现场观测资料，我们将斜坡变形归纳为六种基本类型。由于这种变形类型与斜坡岩体的物质组成和地质结构密切相关，并且反映了斜坡形成和演变的力学机制，所以称之为斜坡岩体变形的地质力学模式。这类模式有助于认识斜坡变形、破坏的机制和发展演变全过程，据此可以鉴别和判定斜坡所处演变阶段和发展趋势，并且是物理、数值模拟研究和定量评价斜坡稳定性的重要依据。一、变形地质力学模式的组成单元和形成条件地质观察和模拟试验表明，斜坡岩体变形过程中，必将出现一系列新的表生结构面和褶皱，它们可以由原有的结构发展而成，也可以是新产生的。这类表生结构随着变形的发展而进一步得到改造变得更加复杂。它们既是斜坡岩体变形的产物，也是斜坡变形的标志和佐证。因而可以把这类表生结构称之为斜坡变形的组成单元。研究表明，所有这些表生结构按其形成的力学机制，可概括为以下四类：（1）拉裂包括由拉应力造成的破裂，称简单拉裂；因压应力集中引起坡体向临空方向扩容所致的破裂，称压致拉裂等。这类破裂面表面常可见波纹状或半月形拉裂痕。（2）滑移沿某一带或某一面的剪切变形，包括沿剪切带的剪切蠕变；沿剪切面的岛状滑移，其中包括沿锁固段或不连续段的逐个剪断和沿剪切带和面的蠕动滑移（蠕滑）等。这类滑移面中常可于泥化夹层、表生夹泥、风化膜和钙华沉淀物中留下擦痕，其错动方向明显受斜坡结构特征及临空状况所控制。*本文最早于1979年参加第一届工程地质会议，以后编人“工程地质分析原理”教材，此篇根据：纳入加拿大滑坡文集稿适当修改补充而成。表1斜坡结构类型、变形地质力学模式和破坏方式对照表Ⅰ均质（或类均质）斜坡多为土质或半岩质斜坡︵A︶蠕滑|拉裂塑性较强的坡体发展为转动型滑坡；Ⅱ层状体斜坡1．倾向坡内的层状坡体，倾角=10—30︵A︶滑移|拉裂︵B︶滑移|压致拉裂︵C︶滑移|弯曲︵D︶弯曲|拉裂︵倾倒︶高陡脆性较强的坡体发展为崩滑-碎屑流坡体中单一的或一组原有的软弱面成为斜坡岩体强度的控制面。包括含有软面或与基岩接触面的土质坡体2．倾向坡外层状坡体，倾角≥r*=r，发展为缓滑型（块状）滑坡，又称迷宫式滑坡3．平缓层状坡体，倾角=0－104．较陡倾坡外的层状坡体r转动型滑坡、崩滑、平推式滑坡多发展为转动型滑坡或崩滑e.滑移面平直未临空f.滑移面呈勺状，平缓段临空5．陡立或陡倾坡内、外的层状坡体g.厚层状h.薄层状坠石崩落，崩塌滑坡或滑塌Ⅲ块状体斜坡坡体中两组或两组以上原有结构面成为斜坡岩体强度控制面各面组合成不同几何形状的变形体（A或D）滑移-拉裂或弯曲-拉裂滑坡或滑塌Ⅳ碎块状体斜坡坡体强度由密集的多组结构面所控制性能与类均质体坡近似︵A︶蠕滑|拉裂转动型滑坡，滑塌Ⅴ软弱基座体斜坡1．平缓软弱基座体︵E︶塑流|拉缓滑型（块状）滑坡，平推式滑坡坡体下部基座处软弱层（带）控制斜坡岩体强度2．倾坡内软弱基座体裂岩崩、崩滑，滑塌等*r：软弱面抗剪残余摩擦角（3）弯曲斜坡岩体在自重应力作用下发生的“褶皱”变形。包括横弯曲、纵弯曲和悬臂梁弯曲等。可根据“层间错动”方向、弯曲轴面倾斜方向、弯曲层的破裂特征等与构造形迹加以区别。（4）塑流斜坡基座软弱层（带）在上覆层压缩下的压缩变形和软岩或压碎物质向临空或减压方向的塑性流动（挤出）。上述四种变形基本单元中拉裂属脆性破裂，后三者属弹塑性、塑性或粘弹性变形，时间效应可表征为弹一塑性介质或粘一弹性介质模型等。斜坡岩体变形的时间效应特征通常主要由后三者所确定。研究还表明，某一类型的变形体中尽管包含有多种变形单元，但往往可从中确定一对互为因果、相互制约和对变形进程起主导作用的变形单元。它们反映了斜坡变形的力学机制，据此可将斜坡变形划分为五种基本地质力学模式，即滑移（或蠕滑）一拉裂、滑移一压致拉裂、滑移一弯曲、弯曲一拉裂和塑流一拉裂等。各模式的形成条件、结构特征及可能的最终破坏方式见表1。二、变形地质力学模式的主要特征1.滑移（或蠕滑）一拉裂蠕滑一拉裂变形多见于均质或类均质体斜坡中。如表l图a所示，潜在滑移面受坡体最大剪应力面的位置所控制，该面以上坡体实际为一自地表向下递减的剪切蠕变带。随蠕滑进展，坡面下沉，后缘张力带发育拉裂面并向深部逐渐扩展与潜在滑移面相连，造成沿潜在滑移面剪应力集中并有利于地表水渗入。最后潜在滑移面被剪断而发展为滑坡。在高陡的斜坡中，尤其当坡体具脆性特征时，常常发展成剧冲性崩滑，甚至演变为高速碎屑流。薄层状岩层如倾向坡内，倾角中等，则层理有利于坡体发生上述蠕变（表l图b）。层理的挠动情况可将斜坡演变过程清晰地记录下来。观察表明，可划分如图l所示三个阶段。初期由于表层剪切蠕变，后缘造成轻微拉裂（图1a）；中期剪切蠕变向深部发展，后缘拉裂扩展加深（图1b）；到后期由于应力重分布沿最大剪应力带产生剪切变形，造成这一带内岩层剪切挠曲，使变形体沿潜在滑移面发生转动，后缘拉裂面逐渐闭合。此时变形进入累进性破坏阶段，最后发展为滑坡。图l倾向坡内的薄层状体斜坡蠕滑一拉裂演进图式坡体中的软弱面或复合软弱面倾向坡外，且倾角不小于软弱面的实际可能残余摩擦角r时，则以滑移一拉裂为其变形的主要形式（表1图c和i）。这种变形的进程取决于作为滑移面的软面的产状与特征。当滑移面向临空方向的倾角已足以使上覆坡体的下滑力超过该面的实际抗剪强度时，则在成坡过程中该面一经揭露即迅速导致破坏，发展为崩滑型滑坡，变形过程短暂；而当滑移面倾角接近该面残余摩擦角，且其抗剪强度接近残余值时，变形可向滑动逐渐过渡，发展为使坡体逐渐解体的缓滑。滑体内不同方向裂隙被拉开成网状巷道，形成所谓“迷宫式”（块状）滑坡。2.滑移一压致拉裂这是发育在具有平缓软弱面坡体中的一种变形形式（表1II—3，图d）。坡体在自重应力作用下向临空方向缓慢滑移。滑移面上的锁固点或错列点附近，因拉应力集中生成与滑移面近于垂直的拉裂，向上（个别情况向下）扩展且其方向渐转成与最大主应力方向趋于一致（大体平行坡面）。这种拉裂面的形成机制与压应力作用下格里菲斯裂纹形成扩展规律近似，所以它应属压致拉裂。这类变形与前者的最大区别在于拉裂变形从总体而言是由坡体内滑移面处自下而上发展起来的。滑移面附近拉裂面的扩展使这一带常常成为地下水的活跃带，它是促进这类变形发展的主要因素。变形演变可分为三个阶段（图2）：（1）卸荷回弹滑移阶段（图2a）坡体向临空方向回弹滑移。人工开挖边坡中可直接观测到。在高地应力区，当水平最大主应力与斜坡走向近于正交时，变形尤为显著。这类变形完成所经历的时间可由数日（美国波特兰露天采矿边坡资料），至数月或数年（葛洲坝基坑开挖边坡资料）。（2）压裂面自下而上扩展阶段（图2b，c）随着变形的发展，裂面可扩展至地表。坡体结构随变形发展而松动，并伴有轻微的转动，但仍处于稳定破裂阶段。图3所示为一典型实例。如图所示花岗岩体中一组十分发育的席状裂隙，产状近于水平。另有两组陡倾裂隙，其中一组走向与坡面近于平行。平硐内岩体蠕变松动迹象明显，平行坡面陡倾裂隙普遍被拉开，并出现多条滑移面与陡倾拉裂面交替的阶状裂隙。在平硐约60米深处见有一条阶状裂面（图3a①），陡面张开达2.5厘米，由其中涌出大量黄泥浆水，与此同时邻近钻孔水位普遍降落，说明与滑移相伴的压致拉裂面已与地表贯通。在陡缓面的交界处见有如图3b所示羽状裂面，说明变形体已有轻微转动。.（3）阶状滑移面贯通阶段（图2d）变形体开始明显转动，陡倾的阶状裂面成为应力集中带。陡缓转角处的嵌合体逐个被剪断、压碎并伴有扩容，致使坡面隆起，后缘拉裂转向闭合。此时变形进入不稳定破裂阶段，一旦阶状滑移面被贯通，则导致滑坡。图2滑移一压致拉裂变形演进图式图3某前震旦纪花岗岩斜坡中的滑移一压致拉裂变形迹象（b为①处放大图）类似的变形在某些土质斜坡中亦可见到（如黄土斜坡、龙羊峡超固结粘土质斜坡等）。图4所示为渭河黄土塬边斜坡中所见变形迹象，平缓滑移面沿黄土与砂砾石土接触面发育，陡倾压致拉裂面受黄土中的垂直裂隙所牵制，转角处可见羽状裂隙或压碎带。3.弯曲一拉裂（倾倒）这类变形主要发育在由直立或陡倾坡内的层状岩体组成的陡坡中，且结构面走向与坡面走向夹角应小于30，变形多半发生在斜坡前缘部分。陡倾的板状岩体在自重弯矩作用下，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，弯曲体后缘出现拉裂缝，形成平行于走向的反坡台阶和槽沟。板梁弯曲剧烈部位往往产生横切板梁的折裂。渗入裂隙中水的空隙水压力作用、水的楔入作用、高寒地区渗水反复冻融产生的膨胀力和震动等，是促进这类变形的主要因素。硬而厚的板梁，其演变可划分如图5所示各阶段，即：（1）卸荷回弹陡倾面拉裂阶段（图5，a）；（2）板梁弯曲，拉裂面深向扩展、后向推移阶段（b）。如坡度陡，常伴有坡缘、坡面局部崩落；（3）板梁根部折裂、压碎阶段。一旦失去平衡，岩块转动、倾倒导致崩塌。由于随板梁弯曲发展，作用于板梁的力矩也随之增大。所以一旦板梁发生了明显弯曲，变形实际已进入累进性破坏阶段。图4黄土塬边斜坡中所见滑移一压致拉裂变形迹象图5弯曲一拉裂（厚层板梁）变形演进围式薄而软的“板梁”，由于变形的角度可以很大，在最大弯折带通常形成倾向坡外的断断续续的拉裂面（表1图h），或使原来垂直层面的近于水平的裂隙转为向坡外倾斜（图6）。在这种情况下继续的变形将主要受倾向坡外的裂隙面所控制，实际上已转化为滑移一拉裂最终发展为滑坡。4.滑移一弯曲这类变形主要发育在较陡倾坡外层状体坡体中，尤以薄层状及柔性较强的碳酸盐类层状岩体中最常见。层状坡体沿滑移面下滑，由于下部受阻，在顺滑移方向的压应力作用下发生纵弯曲（“褶皱”）变形。下部受阻的原因多因滑移面并未临空（如表1图e），或滑移面下端虽已临空，但滑移面呈“靠椅”状(勺状)，上部陡倾，下部转为近于水平而显著增大了滑移阻力(表1图f)。调查统计表明，许多巨型滑坡常与这类变形相连系。瓦伊昂水库灾难性滑坡就是由勺状滑移面构成的滑移一弯曲变形发展而成的。滑移面平直的这类变形可划分为如图7所示三个阶段：(1)轻微弯曲阶段(图7a)弯曲部位仅出现顺层拉裂面、局部压碎；坡面轻微隆起，岩体松动。野外观测表明，弯曲隆起通常发生在近坡脚而又略高于坡脚的部位，这可能是由于该处顺层压应力与垂直层面方向的压应力之压力差较大所致；(2)强烈弯曲、隆起阶段(图7b)弯曲显著增强，并出现剖面x错动，其中一组逐渐发展为滑移切出面。由于弯曲部位显著扩容，致使坡面明显隆起。有的斜坡上还可观察到纵向甚至放射状隆褶。坡体松动解体进一步加剧，可发生局部的崩落或滑落，这种坡脚附近的“自动卸载”更加促进了深部变形的发展。此时变形已进入累进性破坏阶段；(3)切出面贯通阶段(图7c)滑移面贯通并发展为滑坡，多为崩滑。在岩层倾角明显大于斜坡坡角的斜坡中，也可发现这类变形。图8所示为一十分典型的实例，沿层面下滑的岩体挤压下部岩层发生隆褶