地質(zhì)背景對(duì)傾倒變形體發(fā)育的貢獻(xiàn)率

張 明，王章瓊*，范 堯

1.武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430074；

2.山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250013

傾倒變形體一般是反傾邊坡巖體在自重彎矩及外力共同作用下向坡面方向發(fā)生彎曲-拉裂破壞而形成的不穩(wěn)定巖體［1-3］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)傾倒變形體主要分布于西南及西部地區(qū)，具有規(guī)模大、數(shù)量多且分布集中、易發(fā)性高等特點(diǎn)，尤其在西南流域水利水電工程中傾倒變形體發(fā)育最豐富［4-6］。傾倒變形體發(fā)育與多種因素有關(guān)，其中地質(zhì)背景是重要內(nèi)因，對(duì)其形成演化起控制性作用。目前，對(duì)傾倒變形體的研究主要集中在變形機(jī)理、穩(wěn)定性分析和發(fā)育特征等方面［7-12］。在地質(zhì)背景對(duì)傾倒變形體發(fā)育影響方面，也有學(xué)者開(kāi)展過(guò)研究，并取得了一些成果。如陸文博等［13］采用層次分析法和信息量研究了我國(guó)西部?jī)A倒變形體的區(qū)域地質(zhì)與地理位置易發(fā)性，發(fā)現(xiàn)西南各流域傾倒變形體易發(fā)性較高；邱俊等［14］根據(jù)所統(tǒng)計(jì)反傾邊坡傾倒變形體案例，得出傾倒變形體的分布面積和傾倒深度與坡高正相關(guān)的規(guī)律；程?hào)|幸等［15］通過(guò)對(duì)反傾邊坡的結(jié)構(gòu)因素、巖體和層面參數(shù)因素以及地應(yīng)力等進(jìn)行正交數(shù)值模擬，得到了優(yōu)勢(shì)巖層傾角的范圍。上述研究分析了區(qū)域地質(zhì)、地理位置、坡高、邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖體和層面參數(shù)等因素對(duì)傾倒變形體發(fā)育的影響。由于影響傾倒變形體發(fā)育的地質(zhì)背景因素多而復(fù)雜，綜合考慮多種影響因素，顯然更有利于揭示傾倒變形體發(fā)育規(guī)律與地質(zhì)背景條件的內(nèi)在聯(lián)系。

貢獻(xiàn)率［16］是分析經(jīng)濟(jì)效益的一種指標(biāo)。近年來(lái)，學(xué)者開(kāi)始采用貢獻(xiàn)率法來(lái)研究不同影響因子與不良地質(zhì)體發(fā)育的相關(guān)性。如王章瓊等［17］采用貢獻(xiàn)率法分析了滑坡地形坡度，得出了不同地形坡度對(duì)滑坡的貢獻(xiàn)程度；喬建平等［18］采用貢獻(xiàn)率法分析了滑坡與環(huán)境本底因子的區(qū)域相關(guān)關(guān)系，得到巖性、坡度、坡形、高差、坡向5個(gè)主要因子的貢獻(xiàn)量，并評(píng)價(jià)了各個(gè)因子對(duì)滑坡發(fā)育的貢獻(xiàn)程度；劉杰等［19］對(duì)不同巖層的變形模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角進(jìn)行整體和局部折減計(jì)算其安全系數(shù)，得出不同參數(shù)在不同位置下對(duì)特定邊坡穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)率；成永剛等［20］利用貢獻(xiàn)率法研究了我國(guó)各省滑坡貢獻(xiàn)率，得出了各省滑坡貢獻(xiàn)率并按貢獻(xiàn)率大小對(duì)各省份進(jìn)行分類(lèi)?；诖?，本文采用貢獻(xiàn)率法研究地質(zhì)背景條件對(duì)傾倒變形體發(fā)育的影響程度。研究結(jié)果可為傾倒變形體安全性評(píng)估及防護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 傾倒變形體數(shù)據(jù)庫(kù)資料

本文以 47 處大型傾倒變形體案例［3-4，14，21-50］建立數(shù)據(jù)庫(kù)，如表1所示。地質(zhì)背景影響因子在傾倒變形體發(fā)育的過(guò)程中起至關(guān)重要作用，其中常見(jiàn)地質(zhì)背景影響因子有巖層傾角、坡角、坡高、地貌類(lèi)型、邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖層厚度、地震峰值加速度、巖性、巖層面與坡面夾角等。根據(jù)目前所掌握的相關(guān)資料，本文選取地貌類(lèi)型、邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖層傾角、坡角、坡高、巖層厚度及地震峰值加速度等7個(gè)影響因子，將各因子劃分為不同區(qū)間（類(lèi)），劃分情況如表2～表6所示。

2 地質(zhì)背景影響因子數(shù)量貢獻(xiàn)率

2.1 貢獻(xiàn)率

通過(guò)貢獻(xiàn)率可計(jì)算出傾倒變形體地質(zhì)背景影響因子的數(shù)量貢獻(xiàn)率，進(jìn)而可得出各地質(zhì)背景影響因子與其數(shù)量貢獻(xiàn)率之間的關(guān)系曲線。各地質(zhì)背景影響因子區(qū)間（類(lèi)）的數(shù)量貢獻(xiàn)率計(jì)算公式為：

式（1）中 m為地質(zhì)背景影響因子集，m∈(aj，bj，cj，dj，ej，fj，gj)，aj為不同巖層傾角區(qū)間，bj為不同坡角區(qū)間，cj為不同坡高區(qū)間，dj為不同地貌類(lèi)型，ej為不同邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)，fj為不同巖層厚度，gj為不同地震峰值加速度；Oi(m)為各地質(zhì)背景影響因子區(qū)間（類(lèi)）的傾倒變形體數(shù)量，Qi(m)為各地質(zhì)背景影響因子區(qū)間（類(lèi)）的傾倒變形體數(shù)量貢獻(xiàn)率；Nk為傾倒變形體總數(shù)。利用式（1）可得各地質(zhì)背景影響因子與其數(shù)量貢獻(xiàn)率之間的關(guān)系曲線，如圖1所示。

2.2 地質(zhì)背景影響因子數(shù)量貢獻(xiàn)率分析

由圖1（a）可知，巖層傾角為［70～90°］時(shí)，巖層傾角的傾倒變形體數(shù)量貢獻(xiàn)率最大；巖層傾角為［50～70°）時(shí)，巖層傾角的傾倒變形體數(shù)量貢獻(xiàn)率中等；巖層傾角＜50°時(shí)，巖層傾角的傾倒變形體數(shù)量貢獻(xiàn)率最小。本文所選取傾倒變形體均由反傾邊坡發(fā)育而來(lái)，斜坡坡肩處巖層在重力作用下呈現(xiàn)拉裂狀態(tài)，巖層易沿節(jié)理面開(kāi)裂，同時(shí)地表水沿裂隙進(jìn)入巖層形成靜水壓力。在這兩種地質(zhì)作用下，巖層彎曲折斷，巖層傾角為［70～90°］的斜坡由于早期破壞已趨于穩(wěn)定，而目前巖層傾角為［50～70°）斜坡更容易發(fā)生傾倒變形。

由圖1（b）可知，當(dāng)坡角為［40°～50°）時(shí)，坡角的傾倒變形體數(shù)量貢獻(xiàn)率最大；當(dāng)坡角為［50～60°）或＜40°時(shí)，坡角的傾倒變形體數(shù)量貢獻(xiàn)率偏低；當(dāng)坡角≥70°時(shí)，坡角的傾倒變形體數(shù)量貢獻(xiàn)率最低。坡角的大小可以改變斜坡內(nèi)的應(yīng)力分布，坡角處的剪力集中帶和坡肩附近的張力帶的大小及范圍均會(huì)隨著坡角的增大而增大?，F(xiàn)階段，由于坡角 ≥ 70°和［50～60°）的斜坡經(jīng)過(guò)多次地質(zhì)作用已經(jīng)趨于穩(wěn)定，坡角＜40°的斜坡由于較緩而不易發(fā)生破壞，坡角處于［40～50°）的斜坡經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期地質(zhì)作用，巖質(zhì)松散，節(jié)理發(fā)育豐富，在降雨或地震等條件下極易發(fā)生破壞。

表1 傾倒變形體數(shù)據(jù)庫(kù)Tab.1 Database of toppling deformation of rock mass

表2 巖層傾角、坡角區(qū)間劃分Tab.2 Classification of dip angle of rock stratum and slope angle

表3 坡高區(qū)間、地貌類(lèi)型劃分Tab.3 Classification of slope height and geomorphic type

表4 傾倒變形體地質(zhì)結(jié)構(gòu)分類(lèi)Tab.4 Classification of geological structure of slope

表5 邊坡巖層厚度分類(lèi)Tab.5 Classification of thickness of rock stratum

表6 傾倒變形體地震峰值加速度分類(lèi)Tab.6 Classification of peak seismic acceleration

由圖1（c）可知，當(dāng)坡高為［100～200 m）或≥400 m時(shí)，坡高的傾倒變形體數(shù)量貢獻(xiàn)率最高；當(dāng)坡高＜100 m時(shí)，坡高的傾倒變形體數(shù)量貢獻(xiàn)率中等；當(dāng)坡高為［200～400 m）時(shí)，坡高的傾倒變形體數(shù)量貢獻(xiàn)率最低。隨著坡高的增大，應(yīng)力值隨之增大，當(dāng)應(yīng)力值超過(guò)坡體介質(zhì)極限強(qiáng)度時(shí)，坡體發(fā)生破壞。坡高為［100～200 m）的斜坡多為受人類(lèi)工程活動(dòng)影響而發(fā)生傾倒破壞，而坡高≥400 m的斜坡由于其應(yīng)力值過(guò)大容易發(fā)生變形破壞。

由圖1（d）可知，地貌類(lèi)型為高原和山地的傾倒變形體數(shù)量貢獻(xiàn)率最高，地貌類(lèi)型為盆地的傾倒變形體數(shù)量貢獻(xiàn)率偏低，地貌類(lèi)型為丘陵和平原的傾倒變形體數(shù)量貢獻(xiàn)率最低。我國(guó)的高原和山地地區(qū)普遍分布于西南及西部山區(qū)，該地區(qū)較其他地區(qū)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：風(fēng)化作用較其他地區(qū)強(qiáng)烈；斜坡陡傾；是我國(guó)地震帶主要的分布地區(qū)。綜合以上因素可知，高原與山區(qū)容易發(fā)生斜坡的傾倒變形破壞。

由圖1（e）可知，邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)為軟硬互層時(shí)，反傾邊坡發(fā)生傾倒變形的概率最大；邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)為結(jié)構(gòu)均一時(shí)，對(duì)反傾邊坡發(fā)生傾倒變形的概率中等；邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)為上硬下軟和上軟下硬時(shí)，反傾邊坡發(fā)生傾倒變形的概率最低，邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)為軟硬互層的斜坡：由于軟巖與硬巖之間存在節(jié)理面而未能形成高度統(tǒng)一的整體，因此整個(gè)斜坡的穩(wěn)定性較弱。

由圖1（f）可知，當(dāng)巖層厚度組合為薄、薄～極薄、薄～中厚時(shí)，巖層厚度的傾倒變形體數(shù)量貢獻(xiàn)率最高；當(dāng)巖層厚度為中厚時(shí)，巖層厚度的傾倒變形體數(shù)量貢獻(xiàn)率中等；當(dāng)巖層厚度組合為厚、薄～厚、中厚～厚時(shí)，巖層厚度的傾倒變形體數(shù)量貢獻(xiàn)率最低。薄巖層在重力作用下壓碎形成軟弱夾層，故巖層組合為薄、薄～極薄、薄～中厚的斜坡巖質(zhì)松散，裂隙高度發(fā)育，斜坡穩(wěn)定性低，易在降雨地震等條件下發(fā)生變形破壞。

由圖1（g）可知，地震峰值加速度≥0.15g時(shí)，地震峰值加速度的傾倒變形體數(shù)量貢獻(xiàn)率最大；地震峰值加速度＜0.05g時(shí)，地震峰值加速度的傾倒變形體數(shù)量貢獻(xiàn)率中等；地震峰值加速度為0.10g和0.05g時(shí)，地震峰值加速度的傾倒變形體數(shù)量貢獻(xiàn)率最低。地震峰值加速度越大，表明該地區(qū)地質(zhì)活動(dòng)越強(qiáng)裂。在長(zhǎng)期的地質(zhì)演化過(guò)程中，地震峰值加速度≥0.15g的地區(qū)，大多數(shù)不穩(wěn)定斜坡受地震作用早已發(fā)生破壞，而地震峰值加速度為0.10g和0.05g的地區(qū)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期地質(zhì)營(yíng)力作用，坡體遭到嚴(yán)重侵蝕，現(xiàn)階段在作用影響下極易發(fā)生變形破壞。

圖1 地質(zhì)背景影響因子與其數(shù)量貢獻(xiàn)率之間的關(guān)系曲線：（a）傾角，（b）坡角，（c）坡高，（d）地貌類(lèi)型，（e）邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)，（f）巖層厚度，（g）地震峰值加速度Fig.1 Relationships between geological background factors and their quantitative contribution rates：（a）dip angle of rock stratum，（b）slope angle，（c）slope height，（d）geomorphic type，（e）geological structure of slope，（f）thickness of rock stratum，（g）peak seismic acceleration

3 傾倒變形體影響因子貢獻(xiàn)程度評(píng)價(jià)

由式（1）計(jì)算各影響因子不同區(qū)間（類(lèi)）的貢獻(xiàn)率，然后根據(jù)貢獻(xiàn)率大小將不同影響因子按區(qū)間（類(lèi)）劃分為高、中、低3個(gè)等級(jí)（見(jiàn)表7）。本文通過(guò)研究?jī)A倒變形體發(fā)育影響因子貢獻(xiàn)率，得出了影響因子各區(qū)間對(duì)傾倒變形體發(fā)育的貢獻(xiàn)程度大小。結(jié)果表明：

表7 地質(zhì)背景因子的貢獻(xiàn)率分類(lèi)Tab.7 Classification of contribution rates for geological background factors

1）地貌類(lèi)型為高原或山地、邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)類(lèi)型為軟硬互層、巖層傾角為［70～90°］、坡角為［40～50°）、坡高為［100～200 m）或≥400 m、巖層厚度以薄層為主、地震峰值加速度≥0.15g的一類(lèi)地質(zhì)背景條件，對(duì)傾倒變形體發(fā)育的貢獻(xiàn)率最高。

2）地貌類(lèi)型為盆地、邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)類(lèi)型為結(jié)構(gòu)均一、巖層傾角為［50～70°）、坡角為［50～60°）或＜40°、坡高＜100 m、巖層厚度以中厚層為主、地震峰值加速度＜0.05g的一類(lèi)地質(zhì)背景，對(duì)傾倒變形體發(fā)育的貢獻(xiàn)率中等。

3）地貌類(lèi)型為平原或丘陵、邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)類(lèi)型為上硬下軟或上軟下硬、巖層傾角＜50°、坡角為［60～90°］、坡高為［200～400 m）、巖層厚度以厚層為主、地震峰值加速度＜0.05g的一類(lèi)地質(zhì)背景，對(duì)傾倒變形體發(fā)育的貢獻(xiàn)率最低。貢獻(xiàn)率法分析傾倒變形體發(fā)育影響因子的貢獻(xiàn)程度可為我國(guó)反傾邊坡安全性評(píng)估和工程防護(hù)提供參考。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)傾倒變形體案例，并采用貢獻(xiàn)率分析法對(duì)傾倒變形體地質(zhì)背景影響因子進(jìn)行貢獻(xiàn)率研究，得出結(jié)論如下：

1）地貌類(lèi)型為高原或山地、邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)類(lèi)型為軟硬互層、巖層傾角為［70～90°］、坡角為［40～50°）、坡高為［100～200 m）或≥400 m、巖層厚度以薄層為主、地震峰值加速度≥0.15g的一類(lèi)地質(zhì)背景條件，對(duì)傾倒變形體發(fā)育的貢獻(xiàn)率最高。

2）本文通過(guò)貢獻(xiàn)率法分別得出了巖層傾角、坡角、坡高、地貌類(lèi)型、邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖層厚度、地震峰值加速度的貢獻(xiàn)率曲線，可知地質(zhì)背景影響因子不同區(qū)間（類(lèi)）對(duì)傾倒變形發(fā)育的貢獻(xiàn)程度有著明顯差異。

3）分析結(jié)果表明我國(guó)傾倒變形體主要發(fā)育于地震峰值加速度≥0.15g的高原地區(qū)。該區(qū)域位于地中海-喜馬拉雅地震帶，地殼運(yùn)動(dòng)活躍，因此在該區(qū)域地震峰值加速度對(duì)傾倒變形體的發(fā)育起著極其重要的作用。