反倾边坡是指岩层走向与坡面走向近一致、岩层倾向与坡面倾向相反的一类边坡,般认为此类边坡稳定性较好,不易发生失稳,因此对其变形特征及稳定性研究成果较少,然而随着人类工程活动的日益频繁及范围扩大,此类边坡的安全稳定性问题开始广泛存在于矿山、水利水电、公路与铁路边坡等方面。在工程实践中,由于对此类边坡的变形特征、演化机制认识不足,往往不能正确判别其变形发展趋势,进而对其稳定性做出错误的判断。基于此,系统地开展反倾边坡变形破坏特征与演化规律研究,揭示其演化机制、机理,将有助于推进反倾边坡防灾减灾理论研究,具有较大的工程应用价值。对反倾边坡的研究首先要认清其变形特征,倾倒变形特征包括地表变形与深部变形两部分,地表变形特征受深部变形控制,深部变形特征通过地表变形得以表征。地表变形受空间位置、地质环境条件差异而在空间上呈现不同变形破坏特征,深部变形特征主要包括倾倒变形深度及变形深度范围内岩层倾角变化规律两部分,因此系统综合分析地表变形与深部变形才能正确揭示倾倒变形特征。目前对反倾边坡变形演化特征的研究内容较少,以往研究成果主要基于单个工程实例进行简单的某一阶段变形特征描述分析,没有将其视为一个动态演化系统。对反倾边坡而言,倾倒变形随时间呈现不同变化特征,不同倾倒变形演化阶段对应不同变形特征,因此需要将倾倒变形视为动态演化过程,某一阶段变形特征不能反映其整体变形发展状况。通过多种特征值演化信息获取综合分析而划分倾倒变形演化阶段,并建立各演化阶段与变形特征的对应关系,才能对其变形发展趋势做出正确预测。论文针对反倾边坡,以工程地质学、岩石力学为指导,结合地质调查、室内外试验、三维激光扫描、ArcGIS、数值模拟等技术方法,主要进行了如下四方面的研究工作：一、倾倒变形影响因子敏感性及易倾倒几何模型研究(1)分别选取最大水平位移、变形面积、总位移三种评价指标,对比分析了基于三种指标所得倾倒变形影响因子敏感性计算结果差异,并得出基于总位移评价指标的分析结果能弥补另外两种评价指标的不足,且结果最符合实际；(2)倾倒变形敏感性计算结果表明一级影响因子中几何特征因素对倾倒变形影响最大,二级影响因子中坡角、岩层厚度、密度、泊松比为高敏感因子；岩层倾角、岩体内摩擦角、层理内摩擦角为次敏感因子；弹性模量、岩体粘聚力、抗拉强度、层理刚度比、层理粘聚力为低敏感因子；(3)几何特征因子作用下响应规律分析结果表明,倾倒变形随坡度、岩层倾角增加而增加,随岩层厚度增加,倾倒变形总位移先增大后减小,并在0.2m处变形最大；(4)利用支持向量机建立了倾倒变形总位移预测模型,得出反倾边坡易倾倒几何模型为以坡度80°、岩层倾角80°、岩层厚度0.19m为圆心的四分之一椭球体,椭球长赤道半径长31°(岩层倾角轴向)、短赤道半径长21°(坡度轴向)、极半径0.075m(岩层厚度轴向),该椭球体长赤道半径：短赤道半径：极半径为2.48：1.68：1。二、倾倒变形破坏与时空演化特征分析(1)硝洞槽-郑家大沟岸坡实质为一弯曲倾倒变形体岸坡,依据地表变形空间分布特征,将岸坡地表变形共分为七个变形区,岸坡地表变形明显区主要分布在岸坡前部与后部,宏观表现为地表拉裂缝、崩坡积体滑移以及岩层弯曲折断；(2)物探、波速、平硐、探井等勘测分析结果表明倾倒变形影响深度为50m-110m,岸坡前部倾倒变形深度较浅、后部倾倒变形深部较深；(3)岸坡前部三维激光扫描与岸坡后部钻孔成像解译分析结果表明,岸坡前部岩层倾角变化不明显,岸坡岩体以剪切变形为主；岸坡后部岩层倾角随深度整体逐渐变陡,其中0-40m深度内岩层倾角以20°左右缓倾角为主,变化平缓,40m-85m深度内岩层倾角逐渐变陡并趋于正常,倾倒变形主要发生在40-85m深度范围内；(4)地表位移监测结果表明岸坡前部以水平变形为主,岸坡后部以垂直变形为主；深部位移监测结果表明岸坡900m高程以上呈倾倒变形破坏模式,其变形速率较慢、变形强度较弱,岸坡900m高程以下区域呈剪切破坏模式,其变形速率较快、变形强度较强；(5)岸坡倾倒变形演化周期为12个月,前四个月岸坡中部变形优势明显,并从右侧向左侧扩展呈带状,后八个月岸坡中部变形优势逐渐减弱,并从左侧向右侧消退呈点状,岸坡中部条带区域变形控制着整个岸坡变形演化规律,岸坡整体变形滞后于岸坡中部变形,中部条带状变形区位移的增加会诱发后期岸坡整体位移的增加,推断该带状区为倾倒变形锁骨段；(6)岸坡水平强变形最大面积区为中等坡度、低高程、北坡向区,占该区总面积的79.24%,岸坡垂直强变形最大面积区为低坡度、高高程、西北坡向区,占该区总面积的87.9%,岸坡倾倒变形整体以水平变形为主、垂直变形为辅。三、倾倒变形稳定性及演化机制研究(1)单剪试验不需事先假定剪切破坏面,所需剪应力小、剪应变大,对试样剪切破坏更彻底,试样破坏裂纹沿对角线呈45°线性分布,试样裂纹贯加载侧对角线,直剪试验裂纹近似呈直线贯通指定剪切破坏面,并发育近45°絮状次级裂纹,数值试验模拟结果表明单剪、直剪试验粘聚力之比为1.0：1.66,摩擦角度之比为1.0：1.08,力学参数差异主要表现在粘聚力上,单剪、直剪试验差异原因主要为二者试验过程中伺服器做功所转换的应变能、摩擦能比值差异显著；(2) Sarma法、WGB法、刚体极限平衡法三种稳定性系数计算方法所得岸坡稳定性变化趋势一致,WGB法由于考虑了滑动面的连通率与条块侧面剪应力而使稳定性系数计算结果偏高；刚体极限平衡法由于未考虑滑面连通率、条块侧面剪应力,因此其稳定性系数计算结果偏低；Srama法考虑了条块侧面剪应力,但未考虑滑面连通率而使稳定性系数计算结果居中；层状反倾岩质边坡变形受岩体结构面控制,岩体沿层面发生剪切变形,因此考虑条块侧面剪应力的WGB法和Srama法较刚体极限平衡法更适合反倾边坡；此外,WGB法和Sarma法均按实际岩层面划分条块,比铅直划分条块的刚体极限平衡法更能真实反映层状反倾岩质边坡的实际破坏情况；(3)库水作用前,岸坡700m高程以下为稳定区,岸坡岩体受上部倾倒变形下滑力作用而发生剪切变形并提供抗滑力,岸坡700-900m高程区域为较稳定区,为岸坡滑移、倾倒两种破坏混合区,岩层条块存在两种不同破坏模式,岸坡900m高程以上为基本稳定区,岩体发生倾倒变形提供下滑力；库水作用后,岸坡700m高程以下区域由于受库水作用,岩体弱化、强度降低而发生局部剪切变形破坏,由稳定区变为不稳定区,坡表变形以水平滑移变形为主；岸坡700-900m高程区域受下部滑移变形牵引及上部倾倒变形推压共同作用,由较稳定区变为欠稳定区；岸坡900m高程以上区域受库水影响较小,但因受岸坡中前部变形牵引而稳定性发生微弱变化,因此仍为基本稳定区,变形以垂直向倾倒变形为主；(4)岸坡倾倒变形、剪切变形分界面高程随层理力学参数成正比,层理力学参数越好,变形分界面高程越高,岸坡倾倒变形区越小,分界面高程受层理内摩擦角影响大于内聚力；当内聚力小于50kPa,且内摩擦角小于30°时,岸坡大部分区域会发生倾倒变形,剪切变形区仅分布于530m-546m高程段；当内摩擦角大于35°时,岸坡大部分区域以剪切变形为主,倾倒变形仅分布于1000m高程以上区域；(5)岸坡前期变形方式主要以倾倒变形条块数增加为主,岸坡倾倒偏转角度较小,偏转范围在8°以内；岸坡后续倾倒变形将表现为倾倒变形条块、倾倒变形角度同步陡增,在无外界因素影响下,岸坡将向倾倒条块数140块、倾倒角度30°附近区域演化；(6)库水作用后岸坡稳定性下降明显,新演化路径较原演化路径向倾倒条块坐标轴轻微偏移,库水作用对岸坡倾倒演化路径无明显影响,只是通过降低坡脚岩土体力学参数,使得岸坡前部抗剪强度降低,进而降低岸坡整体稳定性系数。四、倾倒变形特征值及其岸坡演化机理研究(1)在岸坡岩块微观参数校核的基础上,综合Hoek-Brown准则与数值试验确定了岸坡岩体力学强度参数；采用PFC软件模拟了岸坡倾倒变形演化过程,获取了岸坡倾倒变形过程中应力场、位移场、能量场多种特征值演化特征,岸坡前部在水平应力作用下发生剪切变形,岸坡中后部在垂直应力作用下发生倾倒变形；(2)应力场演化特征分析结果表明,岸坡在坡脚沟谷处呈高应力状态,岸坡浅层应力场以垂直应力为主,水平应力、垂直应力、剪应力沿深度整体上逐渐增加,演化过程中不同区域、不同演化时期应力场差异显著；(3)位移场演化特征分析结果表明,地表以水平变形为主,水平位移在高程900-1050m区段位移数值及增速最大,并以此为中心向坡脚、坡顶方向逐渐递减,坡顶水平位移值大于坡脚,地表垂直位移随岸坡空间分布规律与水平位移相似,岸坡前部由于剪切变形而隆起；岸坡中部深部位移随深度递增,呈典型倾倒变形特征；(4)能量场演化特征分析结果表明,倾倒变形演化过程中应变能最大、摩擦能其次、动能最小,各能量均随时步逐渐增加,能量陡升区间位于10万-30万时步；依据能量场演化特征曲线,将岸坡倾倒变形演化过程划分为剪切变形阶段、主倾倒折断面贯通阶段、次级倾倒折断面发育阶段等三阶段；(5)剪切变形阶段岸坡坡脚深部水平应力陡增,且越靠近坡脚谷底,水平应力值越大,高水平应力状态造成岸坡剪切裂纹从坡脚谷底处向坡体深部逐渐扩展贯通形成剪切折断面；受岸坡前部水平变形牵引,岸坡中部在自重作用下垂直应力增大并造成岩层倾角偏转沿深部发生倾倒折断,倾倒折断面沿岸坡中部向坡顶延伸并贯通形成主折断面；次折断面发育阶段,岸坡体变形主要受控于垂直应力,其中岸坡中部垂直应力波动大、前部次之、后部垂直应力变化平稳,岸坡前部次级折断面近似平行主折断面呈离散状分布于岸坡体剪切变形区,岩层倾角无偏转；岸坡中部次级折断面与主折断面呈弧形向坡外发育,且愈靠近坡面次级折断面倾角愈陡、岩层倾角愈平缓；岸坡后部次级折断面发育规模小,且与主折断面近似平行,岩层倾角偏转较小。本文研究的创新点主要有：(1)对比基于最大水平位移、变形面积、总位移三种评价指标下倾倒变形影响因子敏感性分析结果差异,综合确定倾倒变形影响因子敏感性大小,并通过对高敏感因子作用下倾倒变形响应规律研究得出倾倒变形易倾倒几何模型；(2)基于三维激光扫描、钻孔摄像等多种测量技术综合分析了倾倒变形空间变化特征,并利用ArcGIS分析了倾倒变形时空演化特征,确定了倾倒变形剪切变形区与倾倒变形区分布范围；(3)综合位移场、应力场、能量场演化特征进行了倾倒变形演化阶段划分,并分析了倾倒变形演化机理。