孟 順，潘 飛

（1.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川成都，610000；2.湖北省核工業(yè)地質(zhì)局，湖北孝感，432000）

0 前言

邊坡穩(wěn)定性問題一直是公路、鐵路、水利水電工程建設(shè)中一個重要的工程地質(zhì)問題，由于巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)常會造成較大的災害和損失，故巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定研究受到越來越多的重視[1]。高陡邊坡開挖工程不斷出現(xiàn)，其安全問題日益突出[2]。

國內(nèi)外邊坡開挖施工技術(shù)研究已日趨成熟，但對于高陡坡的研究相對較少，因此，有必要對高陡坡的開挖過程進行系統(tǒng)性的分析研究[3]。對于巖質(zhì)高邊坡的工程病害，人們關(guān)注的核心問題是開挖后坡體的整體穩(wěn)定性以及根據(jù)坡體穩(wěn)定狀況采用的加固措施[4-5]。目前，巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析主要采用整體強度折減法，通過不斷降低邊坡巖體抗剪強度參數(shù)，將巖土體的真實抗剪強度（黏聚力和內(nèi)摩擦角）除以一個折減系數(shù)F，直到有限元計算不收斂為止，根據(jù)有限元計算結(jié)果可得到邊坡危險滑動面，此時的折減系數(shù)為邊坡的安全系數(shù)[6-7]。

1 工程概況

楊房溝水電站拱壩壩址兩岸主要為陡坡地形，左岸高程2 110 m以下坡度總體約45°～60°，高程2 110～2 300 m局部為懸崖，右岸坡度50°～70°。壩址河谷狹窄，為較對稱的“V”型深切河谷，壩址左右岸均為燕山期花崗閃長巖，巖體堅硬完整、風化卸荷較弱。兩岸壩肩巖體無較大規(guī)模的結(jié)構(gòu)面發(fā)育，僅發(fā)育以Ⅲ、Ⅳ級結(jié)構(gòu)面為主的小規(guī)模斷層及節(jié)理，除F2斷層外延伸均不長，兩岸平洞深部也未揭露到深大張裂縫。

目前左岸纜機平臺邊坡已開挖至2 220 m，右岸纜機平臺邊坡已開挖至2 215 m，根據(jù)現(xiàn)場邊坡開挖揭露的地質(zhì)情況，巖體完整性相對較好，以塊狀或次塊狀為主，巖性為花崗閃長巖，呈弱風化狀，巖體質(zhì)量類別為III類，現(xiàn)階段邊坡開挖整體成型相對較好。

考慮到左右岸壩肩邊坡開挖的安全性及穩(wěn)定性十分關(guān)鍵，非常有必要針對上述具體工程問題展開專門性分析評價工作。下面將采用三維數(shù)值分析方法，深入開展施工期邊坡開挖變形響應(yīng)特征及穩(wěn)定性分析評價工作，為該邊坡現(xiàn)階段的支護加固方案提供參考依據(jù)，同時希望對以后的工程有一定借鑒作用。

2 三維數(shù)值模型建立

2.1 計算方案及力學參數(shù)取值

考慮到左岸邊坡總體開挖高度接近400 m，不同高程開挖部位的開挖深度、具體工程條件及面臨的工程問題等均存在一定的差異，可將整個開挖過程分為四個區(qū)段分別進行研究，四個典型高程區(qū)段為：

（1）邊坡上部區(qū)域2 190 m高程以上的開挖，開挖至纜機平臺；

（2）邊坡中上部區(qū)域2 190～2 102 m高程梯段的開挖，開挖至壩頂平臺；

（3）邊坡中下部區(qū)域2 102～2 000 m高程梯段的開挖，拱肩槽開挖；

（4）邊坡下部區(qū)域2 000～1 947 m高程梯段的開挖，坡腳及河床壩段開挖。

此次研究主要對（1）和（2）兩個典型高程區(qū)段進行針對性研究。

根據(jù)現(xiàn)場邊坡開挖揭露的地質(zhì)情況，研究區(qū)巖體主要為花崗閃長巖，巖體分類主要參考可研階段相關(guān)地勘成果，并根據(jù)現(xiàn)階段開挖揭露情況同步更新，具體取值如表1所示。巖體本構(gòu)模型采用摩爾庫倫彈塑性本構(gòu)模型，該準則是傳統(tǒng)Mohr-Coulomb剪切屈服準則與拉伸屈服準則相結(jié)合的復合屈服準則。

圖1 邊坡地質(zhì)圖Fig.1 Geological map of slope

表1 巖體物理力學參數(shù)取值表Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass

巖土工程數(shù)值分析中，對不連續(xù)結(jié)構(gòu)面的模擬基本上主要采用軟弱夾層（實體單元）和接觸分析（無厚度單元）兩種分析方法。兩種方法各有優(yōu)缺點，且存在“變形等效”的基礎(chǔ)，因此對變形計算結(jié)果的影響不大。其中考慮到無厚度節(jié)理單元方法反映的變形特征和破壞形態(tài)更為直觀，能夠較好地描述結(jié)構(gòu)面的張開、壓縮、剪切滑移等基本現(xiàn)象，在本次研究中，針對結(jié)構(gòu)面的模擬將選用接觸面模型，接觸面的破壞準則基于庫倫剪切強度準則。

基于可研階段地質(zhì)專業(yè)提供的巖體力學參數(shù)取值范圍，結(jié)合目前現(xiàn)場開挖揭露的實際地質(zhì)情況、同類工程經(jīng)驗，表2中為綜合擬定的結(jié)構(gòu)面力學參數(shù)建議值，并作為接下來數(shù)值模擬中采用的主要初始參數(shù)。隨著邊坡進一步開挖，可根據(jù)現(xiàn)場實際開挖揭露地質(zhì)情況、檢測數(shù)據(jù)等進一步調(diào)整相關(guān)參數(shù)指標和結(jié)構(gòu)面的分布或影響范圍。

表2 結(jié)構(gòu)面物理力學參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of interface

2.2 初始地應(yīng)力場

巖體地應(yīng)力場是地下工程最為重要的荷載之一，數(shù)值計算最基本的基礎(chǔ)是荷載-位移或應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，因此地應(yīng)力場的準確性直接影響到了計算成果的可靠性。研究區(qū)左右岸邊坡雖位處山體高位淺層區(qū)域，但坡體總的強卸荷松弛深度一般較淺，其水平開挖深度一般在10～40 m，開挖面巖體基本為弱風化、弱卸荷狀，巖體質(zhì)量相對較好。就該邊坡初始應(yīng)力分布而言，僅考慮自重應(yīng)力場作用并不合適，分析時應(yīng)考慮河谷演化導致的深切河谷岸坡應(yīng)力分布特征。

2.3 數(shù)值模型

圖2為左岸壩肩邊坡開挖數(shù)值計算模擬的三維模型，該計算模型中包含了纜機平臺以上和壩頂平臺以上等主要部位的開挖體及其影響區(qū)，主要研究區(qū)對應(yīng)的高程約2 102～2 350 m。根據(jù)設(shè)計院提供的由上至下分期開挖方案，確定了圖中所示的分序開挖計算方案，對應(yīng)于數(shù)值模擬開挖分析中的各典型開挖步。巖體結(jié)構(gòu)對巖質(zhì)邊坡的變形機理和穩(wěn)定性一般起到控制作用，圖2中給出了左岸壩肩邊坡三維模型中模擬的主要結(jié)構(gòu)面空間展布情況，3DEC可直接對這些結(jié)構(gòu)面進行模擬計算。

圖2 左岸壩肩邊坡開挖數(shù)值計算三維模型Fig.2 3D model of numerical calculation of slope excavation of left bank abutment

3 邊坡開挖至2 190 m高程階段（纜機平臺以上）數(shù)值分析

3.1 邊坡開挖變形特征

圖3給出了左岸壩肩邊坡開挖至2 250 m高程的累計變形分布情況，圖4給出了開挖到2 250 m高程時變形分量（順河水平向、橫河水平向和垂向變形）分布，三個分量分別以順河向、水平向坡外、垂直向下為負。在此開挖階段中，邊坡以典型的鉛直向卸荷回彈變形為主，這與該位置坡體強卸荷深度較淺、未見十分不利的軟弱巖體結(jié)構(gòu)發(fā)育、巖體質(zhì)量整體較好等工程條件密切相關(guān)。其中開挖坡面的累計變形量值約為2～5 mm，以鉛直方向的變形為主。開挖平臺2 250 m高程的變形表現(xiàn)為向上的垂向變形較大、向坡外的水平分量相對較小的特點，總的累計變形在4～8 mm的水平。開挖過程中，在開挖面揭露多組斷層，但并未表現(xiàn)出巖體結(jié)構(gòu)面控制的明顯非連續(xù)變形特征或塊體失穩(wěn)問題。

從上述計算結(jié)果看，左岸壩肩邊坡高高程（2 250 m高程以上）開挖過程中，該部位坡體具有較好的整體穩(wěn)定特征，卸荷回彈變形是該邊坡此開挖期間最主要的響應(yīng)方式。

圖5和圖6分別給出了邊坡開挖至2 190 m高程開挖階段的累計變形及變形分量的分布情況，此階段邊坡仍以鉛直向卸荷回彈變形為主，整個開挖過程中坡體未表現(xiàn)出明顯非連續(xù)變形特征。其中新開挖面的累計變形在一般3～10 mm左右，在開口線附近的卸荷變形特征相對要明顯一些。纜機平臺上的變形累計可達到7～13 mm左右，以向上的卸荷回彈變形為主。在纜機平臺邊坡2 280～2 190 m開挖梯段，高程2 250 m以上坡體受下部開挖卸荷擾動影響很小，變形增長幅度基本在1 mm以內(nèi)，其中下游側(cè)開口線附近巖體受下部開挖存在一定變形增長，增長幅度在1～3 mm?？傮w上，此開挖階段表現(xiàn)出了較高的整體穩(wěn)定特征。

圖4 左岸壩肩邊坡開挖至2 250 m高程時不同方向的變形分布Fig.4 Deformation distribution in different directions during slope excavation of left bank abutment to elevation 2 250 m

圖5 左岸壩肩邊坡開挖至2 190 m高程的累計變形分布Fig.5 Cumulative deformation distribution during slope excavation of left bank abutment to elevation 2 190 m

圖6 左岸壩肩邊坡開挖至2 190 m高程時不同方向的變形分布Fig.6 Deformation distribution in different directions during slope excavation of left bank abutment to elevation 2 190 m

3.2 邊坡穩(wěn)定性分析

左岸壩肩纜機平臺以上邊坡（高程2 332～2 190 m）巖體整體完整性相對較好，強風化、強卸荷巖體發(fā)育深度較淺，開挖后邊坡巖體質(zhì)量高于自然坡體，開挖面巖體總體呈弱風化、弱卸荷狀，揭露主要斷層均充填巖塊巖屑，未見明顯不利結(jié)構(gòu)面組合導致的深層塊體變形及穩(wěn)定問題。從工程地質(zhì)角度進行宏觀分析，預計該邊坡開挖后的整體穩(wěn)定性較好。

結(jié)合數(shù)值計算方法對該邊坡穩(wěn)定性展開進一步分析，主要基于強度折減法分析邊坡的變形特征及穩(wěn)定性。通常，當巖體和結(jié)構(gòu)面參數(shù)折減到一定時候，此時不穩(wěn)定區(qū)域的變形將趨于不收斂，通過變形場分布或變形速率分布情況可以判斷出邊坡潛在失穩(wěn)區(qū)域的范圍。計算中通過對巖體和結(jié)構(gòu)面強度參數(shù)進行折減（即人為惡化邊坡條件）的方式導致邊坡變形、乃至出現(xiàn)失穩(wěn)征兆，以達到認識和評價邊坡穩(wěn)定特征的目的。

圖7和圖8是左岸壩肩邊坡在不同強度折減系數(shù)下的位移云圖（強度折減系數(shù)范圍為1.0～2.0），其中顯示了該邊坡不同折減系數(shù)下的變形發(fā)展過程，其絕對值大小不能直接反映邊坡的穩(wěn)定性，但相對值可較明確指示邊坡不同部位穩(wěn)定性差異。其中在強度折減系數(shù)為2.0的情況下，計算結(jié)果沒有顯示出任何潛在滑動破壞的位移場特征，該邊坡仍處于整體穩(wěn)定狀態(tài)。

對左岸壩肩纜機平臺以上邊坡（高程2 332～2 190 m）的穩(wěn)定特征可以總結(jié)如下：

（1）左岸壩肩纜機平臺以上邊坡開挖后，整體安全性較高（Fos＞2.0）。邊坡潛在變形或失穩(wěn)區(qū)域主要分布于開口線鄰近部位，與開挖揭露的斷層組合后存在一定的局部失穩(wěn)風險。

（2）開挖主要改變開挖范圍及其附近邊坡巖體的穩(wěn)定性，基本不對開挖影響區(qū)以外巖體的穩(wěn)定性造成明顯影響。該邊坡開挖影響范圍相對有限，約在開口線外10～20 m范圍內(nèi)。

圖7 左岸壩肩邊坡開挖至2 190 m高程不同強度折減系數(shù)下位移分布情況Fig.7 Displacement distribution with different strength reduction factors during slope excavation of left bank abutment to elevation 2 190 m

圖8 左岸壩肩邊坡開挖至2 190 m高程不同強度折減系數(shù)下位移分布情況（典型剖面）Fig.8 Displacement distribution on typical profile with different strength reduction factors during slope excavation of left bank abutment to elevation 2 190 m

（3）開挖改變了邊坡巖體的臨空條件，在開挖爆破擾動損傷影響下，次級結(jié)構(gòu)面（如優(yōu)勢節(jié)理裂隙）組合后，會造成淺層巖體松弛或局部小規(guī)模塊體的變形和破壞問題。實際開挖過程中需對此類工程問題有針對性地加強支護、及時支護。

4 邊坡2 190～2 102 m高程開挖階段（壩頂平臺以上）數(shù)值分析

4.1 邊坡開挖變形特征

圖9和圖10分別給出了左岸壩肩邊坡開挖至2 102 m高程的累計變形及變形分量的分布情況，此階段邊坡開挖仍以鉛直向卸荷回彈變形為主，其中新開挖面的累計變形一般在6～12 mm左右，在開口線附近的卸荷變形特征相對要明顯一些。壩頂平臺上的變形累計可達到8～16 mm左右，以向上的卸荷回彈變形為主。此階段邊坡開挖，邊坡中上部（2 190 m高程以上）巖體受影響很小，變形未見明顯增長。邊坡變形增長主要發(fā)生在中下部的開挖部位（2 190～2 102 m高程），此階段坡體整體側(cè)向開挖卸荷作用相對前一階段強烈一些?？傮w上，此開挖階段的開挖卸荷變形量值仍相對較小，巖體變形仍以回彈為主，顯示了邊坡具備較好的穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2 邊坡穩(wěn)定性分析

圖11和圖12是左岸壩肩邊坡在不同強度折減系數(shù)下的位移云圖（強度折減系數(shù)范圍為1.0～2.0），顯示了該邊坡在巖體條件不斷惡化時的變形發(fā)展過程。在強度折減系數(shù)為2.0的情況下，計算結(jié)果沒有顯示出任何潛在滑動破壞的位移場特征，整體變形仍趨于收斂，且變形量值偏低，可以認為該邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。綜上所述，左岸壩肩纜機平臺以上邊坡（2 190～2 102 m高程）開挖后，邊坡整體安全性仍相對較高（Fos＞2.0）。

5 左岸開挖變形響應(yīng)規(guī)律

為進一步分析上述開挖過程中，左岸壩肩邊坡變形響應(yīng)規(guī)律及具體的變形量值，在坡面典型高程布置了多個監(jiān)測點，見圖13所示。圖13中顯示了左岸壩肩邊坡開挖完成后，壩基邊坡典型高程部位的累計變形情況，顯然邊坡開挖過程中均以垂直向上的卸荷回彈變形為主，這種變形狀態(tài)同時也表征了左岸壩肩邊坡在開挖過程中良好的整體穩(wěn)定狀態(tài)。邊坡纜機平臺以上（2 190 m高程以上）的開挖相比壩頂平臺以上（2 190～2 102 m高程梯段）的開挖，因開挖部位的開挖深度、具體工程條件等的差異，其整體變形量值偏小，兩個區(qū)段的變形特征表現(xiàn)出了較明顯的差異。

圖9 左岸壩肩邊坡開挖至2 102 m高程的累計變形分布Fig.9 Cumulative deformation distribution during slope excavation of left bank abutment to elevation 2 102 m

圖10 左岸壩肩邊坡開挖至2 102 m高程的不同方向的變形分布Fig.10 Deformation distribution in different directions during slope excavation of left bank abutment to elevation 2102 m

圖11 左岸壩肩邊坡開挖至2 102 m高程不同強度折減系數(shù)下位移分布情況Fig.11 Displacement distribution with different strength reduction factors during slope excavation of left bank abutment to elevation 2 102 m

圖12 左岸壩肩邊坡開挖至2 102 m高程不同強度折減系數(shù)下位移分布情況（典型剖面）Fig.12 Displacement distribution on typical profile with different strength reduction factors during slope excavation of left bank abutment to elevation 2 102 m

另外，圖14顯示了左岸壩肩邊坡2 190～2 102 m高程開挖梯段的變形增量分布情況。圖中顯示左岸壩肩邊坡2 190 m高程以上的變形增量幾乎為零，可見，后續(xù)開挖卸荷擾動對上部邊坡的影響較小。

圖13 左岸壩肩邊坡開挖至2 102 m高程坡表典型監(jiān)測布置及監(jiān)測點累計變形情況Fig.13 Typical monitoring layout on slope surface and cumulative deformation of monitoring points when during slope excavation of left bank abutment to elevation 2 102 m

圖14 左岸壩肩邊坡2 190～2 102 m高程開挖梯段的變形增量分布情況Fig.14 Incremental deformation distribution of excavation ladder on the left bank abutment slope(elevation 2 190～2 102 m)

上述分析表明，左岸壩肩邊坡開挖中上部坡體的穩(wěn)定性具有如下特點：（1）邊坡開挖以垂直向的卸荷回彈變形為主，邊坡開挖整體變形量值處于相對較低的水平（普遍小于10 mm）；（2）整體安全系數(shù)較高（Fos＞2.0）；（3）后續(xù)邊坡下挖對該部位影響較小。

6 結(jié)論與展望

文章采用三維數(shù)值分析方法，針對左岸壩肩邊坡，深入開展施工期邊坡開挖變形響應(yīng)特征及穩(wěn)定性分析評價工作，現(xiàn)總結(jié)如下：

（1）楊房溝水電站左岸壩肩纜機平臺以上邊坡開挖后，整體安全性較高（Fos＞2.0）。邊坡潛在變形或失穩(wěn)區(qū)域主要分布于開口線鄰近部位，與開挖揭露的斷層組合后存在一定的局部失穩(wěn)風險。

（2）楊房溝水電站左岸壩肩纜機平臺以上邊坡開挖主要改變開挖范圍及其附近邊坡巖體的穩(wěn)定性，基本不對開挖影響區(qū)以外巖體的穩(wěn)定性造成明顯影響。該邊坡開挖影響范圍相對有限，約在開口線外10～20 m范圍內(nèi)。

（3）楊房溝水電站拱壩左岸邊坡2 190～2 102 m高程開挖梯段以垂直向的卸荷回彈變形為主，邊坡開挖整體變形量值處于相對較低的水平（普遍小于10 mm）。工程目前正在施工階段，結(jié)合現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，邊坡開挖能夠穩(wěn)定順利推進。

根據(jù)左岸壩肩邊坡開挖過程中整體穩(wěn)定性較好這一特點，后續(xù)將進一步從工程經(jīng)驗和數(shù)值分析角度對該部位的系統(tǒng)支護方案展開分析評價工作，為該邊坡現(xiàn)階段的支護加固方案提供參考依據(jù)。

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