莊冬梅，鄒 浩，陳金國，毛 帥，張 攀

(湖北省地質局第三地質大隊， 湖北 黃岡 438000)

我國水力資源分布不均，西部更為豐富[1-2]。隨著人類工程活動的日益擴大，傾倒變形在巖質邊坡發(fā)生的次數(shù)日益增多，成為水電工程中日益凸顯的重大工程地質問題之一。傾倒破壞是一種典型的巖質邊坡破壞模式，廣泛發(fā)育于各類工程如水利水電工程邊坡、公路邊坡及采礦邊坡等[3]。近幾年，國內不同行業(yè)的研究者針對不同類型的巖質邊坡傾倒變形做了大量的探索性研究工作。劉海軍等[4]在層狀巖質邊坡傾倒變形破壞地質現(xiàn)象調查分析和模擬試驗的基礎上，借用物理學概念定義了邊坡傾倒變形角位移。趙華等[5]基于地質認識及相似理論建立邊坡物理模型，研究反傾巖質邊坡傾倒變形的演化過程。楊建成等[6]通過在DDA方法中引入虛擬節(jié)理和真實節(jié)理的概念，用真實節(jié)理表征巖體中已經(jīng)存在的天然節(jié)理。曾海艷等[7]根據(jù)格里菲斯斷裂理論，對多種節(jié)理組合塊體開展了靜動力算例驗證工作。其他眾多研究者針對反傾巖質邊坡變形影響因素、破壞機理等[8-18]進行了相關研究。本文旨在通過選取一處典型傾倒變形邊坡借助多種手段進行變形破壞特征分析，為今后該類型的邊坡防治提供一定參考。

1 導流明渠邊坡工程地質條件與變形破壞特征

1.1 工程地質條件

(1) 壩址區(qū)基本工程地質條件。壩址區(qū)所在河段兩岸，河谷為“U”型谷，切割較深。兩岸斜坡地貌特征呈上緩下陡，整體坡度約40°。巖性為T3j1的硅質板巖、石英片巖，層面傾角約55°且與岸坡小角度相交。

(2) 壩址區(qū)地質平面圖。圖1表示壩址區(qū)相關地質要素，河流右岸為發(fā)生傾倒變形現(xiàn)象的導流明渠邊坡，邊坡范圍為圖中黑色線圈范圍部分。

圖1壩址區(qū)地質平面圖

(3) 導流明渠邊坡全景圖與典型局部特征圖。導流明渠邊坡在坡體開挖之前已出現(xiàn)較為明顯的傾倒彎折現(xiàn)象。圖2、圖3分別表示開挖前導流明渠邊坡全景及局部傾倒變形特征。

1.2 變形破壞特征

導流明渠逐步開挖，邊坡伴隨開挖變形破壞現(xiàn)象明顯，多條裂縫出現(xiàn)在邊坡不同部位(見圖4、圖5)，共發(fā)育約40條。裂縫長度長短不一，最長一條約30 m，寬度一般3 cm左右，間斷發(fā)育。

圖2 開挖前導流明渠邊坡全景

圖3開挖前坡體傾倒變形特征

圖4坡頂裂縫發(fā)育情況圖5坡體裂縫發(fā)育情況

2 基于克里金插值法邊坡監(jiān)測位移變化規(guī)律分析

2.1 位移監(jiān)測方案

沿河流方向，在導流明渠邊坡變形區(qū)域設置3條監(jiān)測剖面，編號為1—3，一共18個監(jiān)測點(TP1—TP18)。每條監(jiān)測剖面均包含6個監(jiān)測點，具體布置位置見圖6。

圖6導流明渠邊坡支護完成位移監(jiān)測布置圖

基于ArcGIS軟件(克里金插值法)，通過獲取的18個監(jiān)測點位移數(shù)值，揭示坡體位移變化特征。

2.2 監(jiān)測位移插值分析

(1) 水平方向監(jiān)測位移插值分析。通過圖7、圖8云圖特征分析：坡體變形經(jīng)歷了由初期的蠕變到后期的加速變形，坡體表面位移總體呈現(xiàn)中部逐漸增大的趨勢。監(jiān)測時間節(jié)點顯示：TP12—TP16之間的區(qū)域變形異常，數(shù)值變化較大。

圖7 1月26日監(jiān)測位移云圖

圖8 2月9日監(jiān)測位移云圖

(2) 豎直方向監(jiān)測位移插值分析。通過圖9、圖10云圖特征分析：坡體變形經(jīng)歷了由初期的蠕變到后期某一時刻的加速急劇變形，坡體表面位移總體呈現(xiàn)上部、中部增大較為明顯的趨勢。監(jiān)測時間節(jié)點顯示：TP10—TP16之間的區(qū)域變形異常，數(shù)值變化較大。

圖9 1月26日監(jiān)測位移云圖

圖10 2月9日監(jiān)測位移云圖

(3) 監(jiān)測位移插值結果綜合分析。綜合分析水平、豎直位移云圖：TP10—TP16之間區(qū)域為邊坡變形破壞集中部位?？傮w變化規(guī)律為：變形初期，位移較小，呈蠕變狀態(tài)；隨著時間推移，邊坡上部，周圍區(qū)域的位移增大趨勢明顯高于其它區(qū)域。

3 基于UDEC邊坡變形破壞演化規(guī)律分析

通用離散元程序(Universal Distinct Element Code, UDEC.)用于模擬并處理非連續(xù)介質的程序，主要考慮在荷載作用下的若干響應，實際工程中遇到的各類結構面均能用該軟件進行處理。本文結合工程實際，考慮了三種工況，通過選定合適的參數(shù)，模擬了導流明渠邊坡傾倒變形破壞，借助不同類型的數(shù)值圖形成果，揭示了變形破壞規(guī)律。

3.1 模型建立及參數(shù)選取

(1) 建模過程

① 概化地質模型：根據(jù)資料確定邊坡計算模型：寬373 m，高159 m，具體見圖11。本構模型選取Mohr-Coulomb。采取噴射混凝土+錨桿(索)的支護措施。邊界條件設置為：x、y方向的速度均為0。

圖11概化后數(shù)值計算模型

② 計算工況：考慮天然工況、開挖工況、支護工況。

(2) 參數(shù)選取

① 結合規(guī)范并參考試驗成果確定巖體及結構面力學參數(shù)。具體見表1。

②參考規(guī)范選取噴射混凝土相關力學參數(shù)，具體取值見表2、表3。

表1 巖體及結構面力學參數(shù)

表2 噴射混凝土力學參數(shù)

表3 巖體和噴射混凝土接觸面力學參數(shù)

3.2 成果分析

針對坡體開挖前、開挖完成、支護完成三種工況，選取位移矢量、坡體X、Y方向位移進行傾倒變形邊坡模擬結果分析。

(1) 位移矢量圖。邊坡開挖位移矢量見圖12。

邊坡在三種工況下，變形先加大后變小，最終趨于完全穩(wěn)定。整個變化過程，坡體變形主要發(fā)生在淺表層，上部趨于變形更為明顯，開挖導致整個坡體均出現(xiàn)不同程度地變形破壞。

(2) 坡體X、Y方向位移云圖。坡體X、Y方向位移云圖見圖13。

伴隨支護完成，邊坡趨于穩(wěn)定，X、Y方向位移均不再增大。

4 導流明渠邊坡變形特征時空演化規(guī)律分析

4.1 基于監(jiān)測位移分析成果的位移變化特征分析

根據(jù)監(jiān)測成果將坡體分為4個區(qū)：破壞區(qū)、影響區(qū)(上游、下游、后緣)。

I區(qū)：根據(jù)變形破壞特征可劃分為三個不同因素引起的變形區(qū)域，分別為：由于卸荷變形引起破壞的I1區(qū)，由于傾倒彎折引起破壞的I2區(qū)，由于剪切變形引起破壞的I3區(qū)。II區(qū)：邊坡穩(wěn)定性總體較好。III區(qū)：邊坡穩(wěn)定性總體較差。IV區(qū)：邊坡在該區(qū)域呈現(xiàn)強卸荷弱風化的地質特征，存在進一步變形破壞的趨勢。

4.2 基于UDEC分析成果的位移變化特征分析

UDEC位移監(jiān)測點與實際剖面設置的移監(jiān)測點進行對比分析，UDEC模擬所取剖面對應位移監(jiān)測布置方案中1-1剖面。

(1) 開挖前X位移變化特征分析。圖14監(jiān)測曲線顯示：除TP2外其余監(jiān)測點均存在大小不一的位移數(shù)值，表明該邊坡在坡體開挖之前已發(fā)生一定程度變形。根據(jù)圖形顯示成果推測，邊坡變形主要發(fā)生在淺層。

(2) 開挖完成X位移變化特征分析。圖15監(jiān)測曲線顯示：監(jiān)測點尚存一定數(shù)值的位移，表明開挖完成邊坡變形尚未完成，上部區(qū)域仍然處于變形階段。

(3) 支護完成X位移變化特征分析。圖16監(jiān)測曲線顯示：曲線呈收斂狀態(tài)，支護完成邊坡整體趨于穩(wěn)定。

圖12 位移矢量圖

圖13 支護完成X、Y位移云圖

圖14 開挖前X方向位移圖

圖15 開挖完成X方向位移圖

圖16支護完成X方向位移圖

5 結 論

(1) 邊坡巖性為板巖，層面傾向坡內，巖層彎折發(fā)生傾倒變形。

(2) 針對實際情況，選取三種數(shù)值模擬工況。模擬結果顯示邊坡經(jīng)歷由開挖之前存在一定變形，到開挖完成變形逐漸增大，到支護完成變形終止三階段。分析可知邊坡天然工況已存在局部不穩(wěn)定，開挖加劇變形，通過支護使坡體穩(wěn)定。

(3) 監(jiān)測結果與模擬成果對應性較好，整個坡體變形呈現(xiàn)上部、中部偏大的趨勢，支護工程加固了坡體，終止了傾倒變形的進一步發(fā)展。