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(zāi)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(jìn)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(qiáng)度折減法，通過不斷降低邊坡巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)，將巖土體的真實(shí)抗剪強(qiáng)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(fēng)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(jī)平臺邊坡已開挖至2 220 m，右岸纜機(jī)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(fēng)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(hù)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(xué)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(jìn)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(jī)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(jìn)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(zhǔn)則是傳統(tǒng)Mohr-Coulomb剪切屈服準(zhǔn)則與拉伸屈服準(zhǔn)則相結(jié)合的復(fù)合屈服準(zhǔn)則。

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

表1 巖體物理力學(xué)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(shí)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(diǎn)，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(zhǔn)則基于庫倫剪切強(qiáng)度準(zhǔn)則。

基于可研階段地質(zhì)專業(yè)提供的巖體力學(xué)參數(shù)取值范圍，結(jié)合目前現(xiàn)場開挖揭露的實(shí)際地質(zhì)情況、同類工程經(jīng)驗(yàn)，表2中為綜合擬定的結(jié)構(gòu)面力學(xué)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(jìn)一步開挖，可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際開挖揭露地質(zhì)情況、檢測數(shù)據(jù)等進(jìn)一步調(diào)整相關(guān)參數(shù)指標(biāo)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(xué)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(zhǔn)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(qiáng)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(fēng)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(dǎo)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)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(fù)。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(qiáng)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(diǎn)，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(jī)平臺上的變形累計可達(dá)到7～13 mm左右，以向上的卸荷回彈變形為主。在纜機(jī)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(jī)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(qiáng)風(fēng)化、強(qiáng)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(fēng)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(dǎo)致的深層塊體變形及穩(wěn)定問題。從工程地質(zhì)角度進(jìn)行宏觀分析，預(yù)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(jìn)一步分析，主要基于強(qiáng)度折減法分析邊坡的變形特征及穩(wěn)定性。通常，當(dāng)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(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減（即人為惡化邊坡條件）的方式導(dǎo)致邊坡變形、乃至出現(xiàn)失穩(wěn)征兆，以達(dá)到認(rèn)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(qiáng)度折減系數(shù)下的位移云圖（強(qiáng)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(qiáng)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(jī)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(jī)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(fēng)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(qiáng)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(qiáng)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(shí)際開挖過程中需對此類工程問題有針對性地加強(qiáng)支護(hù)、及時支護(hù)。

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(dá)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(qiáng)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(qiáng)度折減系數(shù)下的位移云圖（強(qiáng)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(qiáng)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(rèn)為該邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。綜上所述，左岸壩肩纜機(jī)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(jìn)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(diǎn)，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(jī)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(qiáng)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(qiáng)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(diǎn)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(diǎn)：（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(jī)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(fēng)險。

（2）楊房溝水電站左岸壩肩纜機(jī)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(jìn)。

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(diǎn)，后續(xù)將進(jìn)一步從工程經(jīng)驗(yàn)和數(shù)值分析角度對該部位的系統(tǒng)支護(hù)方案展開分析評價工作，為該邊坡現(xiàn)階段的支護(hù)加固方案提供參考依據(jù)。

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