洪 偉，徐超凡，吉 鋒

(成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室，四川 成都 610059)

0 引 言

水電站砂石料廠規(guī)劃選擇是水電站施工組織設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，在水電站工程中，料場占有至關(guān)重要的位置。石料廠開挖過程中，經(jīng)常發(fā)生安全事故，造成重大的財產(chǎn)、人員傷亡損失。近年來我國建立了許多世界級高壩，相應(yīng)也遇到了許多高陡邊坡料場，在治理這些高陡料場邊坡過程中，積累了豐富的經(jīng)驗，形成了一系列料場高邊坡治理措施。在水電站料場邊坡的開挖過程中，工程技術(shù)人員往往只對開口線范圍內(nèi)的邊坡進(jìn)行分析和針對性的治理，對開口線外的自然邊坡考慮較少，相關(guān)經(jīng)驗還較少。在料場邊坡開挖過程中，必然會對其鄰近邊坡產(chǎn)生影響，一旦相鄰邊坡發(fā)生崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，將造成嚴(yán)重的人員與財產(chǎn)損失，阻礙工程施工進(jìn)度。因此有必要對水電站料場開口線外，工程邊坡開挖過程中可能影響到的自然邊坡，進(jìn)行一系列的穩(wěn)定性分析，對一些可能的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測與治理，減小不必要的損失。

過去的30年中，非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法(離散元、DDA等)發(fā)展迅速，隨著計算功能的完善，非連續(xù)方法在巖土工程分析中的應(yīng)用越來越普遍。相對于有限元和極限平衡法，很多離散元軟件，列如UDEC/3DEC程序在分析復(fù)雜巖體結(jié)構(gòu)的三維效應(yīng)和各向異性問題時具有獨到的優(yōu)勢，不僅能較真實地模擬復(fù)雜節(jié)理裂隙網(wǎng)絡(luò)(DFN)，且?guī)r塊和結(jié)構(gòu)面的參數(shù)意義明確并可測量；該方法也能夠獲得邊坡潛在破壞面及相應(yīng)的穩(wěn)定性系數(shù)，可較好地用于評價邊坡的變形及穩(wěn)定特性，并指導(dǎo)工程實踐；此外，還可以考慮多種巖體本構(gòu)關(guān)系、不同圍壓環(huán)境、巖體脆-延性轉(zhuǎn)換以及耦合作用等，是一種功能強大并適用于節(jié)理巖體的數(shù)值模擬方法。因此，離散元方法能夠滿足研究石料場邊坡開挖變形及穩(wěn)定分析的功能要求。

采用離散元方法與強度折減法結(jié)合進(jìn)行分析時，可通過對巖體和結(jié)構(gòu)面強度參數(shù)進(jìn)行折減，即采用人為惡化邊坡條件的方式，使邊坡變形增長，直至出現(xiàn)失穩(wěn)征兆，并根據(jù)臨界狀態(tài)的變形場分布或變形速率分布情況判斷出邊坡潛在失穩(wěn)模式，以達(dá)到認(rèn)識和評價邊坡穩(wěn)定特征的目的。

目前對于開挖工程邊坡的變形穩(wěn)定性分析較多，經(jīng)驗也相對成熟，但大多都是基于有限元進(jìn)行分析?；陔x散元分析不同開挖階段鄰近非工程邊坡的變形的很少。通過現(xiàn)場布置監(jiān)測點，得到料場開口線外陡崖，在料場邊坡開挖到不同高程時的變形數(shù)據(jù)，與數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行比較，研究開挖對鄰近的非工程邊坡造成變形穩(wěn)定性影響。

1 強度折減法及在UDEC中的實現(xiàn)

1.1 強度折減法的基本原理

強度折減法最早由ZIENKIEWICZ等[1]提出，主要是將土體的抗剪強度c、內(nèi)摩擦角φ，同時除以折減系數(shù)Fr得到一組新的cm、φm值，然后將其進(jìn)行試算，通過不斷增大折減系數(shù)，反復(fù)分析邊坡內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變情況，直至邊坡失穩(wěn)時，所對應(yīng)的折減系數(shù)即為邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。

(1)

1.2 UDEC本構(gòu)模型及其屈服準(zhǔn)則

在分析中，巖體本構(gòu)模型采用摩爾庫倫彈塑性模型[2, 3]，該準(zhǔn)則是傳統(tǒng)MOHR-COLUMB剪切屈服準(zhǔn)則[4, 5]與拉伸屈服準(zhǔn)則[6]相結(jié)合的復(fù)合屈服準(zhǔn)則。巖體結(jié)構(gòu)面模擬選用接觸面模型，接觸面的破壞準(zhǔn)則基于庫侖剪切強度準(zhǔn)則。MOHR-COLOMB模型，在土石邊坡穩(wěn)定性分析中應(yīng)用較為普遍成熟，對于松散的土體以及結(jié)構(gòu)面發(fā)育的巖體分析都非常適用。該破壞準(zhǔn)則相對于其它巖土體的破壞，在工程應(yīng)用中更加普遍，在主應(yīng)力空間上和UDEC中MOHR-COLOMB屈服破壞準(zhǔn)則如圖1、2。

圖1 主應(yīng)力空間的MOHR-COULOMB準(zhǔn)則Fig. 1 Mohr-coulomb criterion for main stress space

圖2 UDEC中的MOHR-COULOMB準(zhǔn)則Fig. 2 Mohr-coulomb criterion in main UDEC

圖2中，A到B的破壞為屈服準(zhǔn)則：

(2)

B到C的破壞為拉破壞準(zhǔn)則：

(3)

式中，σ1、σ3分別是最大、最小主應(yīng)力，φ、φ分別為內(nèi)摩擦角與剪脹角，c為黏聚力，gs為單軸抗壓強度。其中，fs、ft為剪切、拉伸破壞的判別依據(jù)，當(dāng)巖體內(nèi)某一點應(yīng)力滿足fs>0時，發(fā)生剪切破壞；當(dāng)滿足ft>0時，發(fā)生拉伸破壞。

其中，Nφ、Nφ的表示式為：

(4)

記彈性應(yīng)力增量為σt,塑性校正后的應(yīng)力增量為σN，則對應(yīng)的MOHR-COLOMB準(zhǔn)則為：

(5)

相應(yīng)的破壞準(zhǔn)則為：

(6)

通過UDEC，在邊坡典型高程點布置監(jiān)測點，通過數(shù)值模擬得到各高程監(jiān)測點的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，直觀了解各個開挖階段對邊坡變形及穩(wěn)定性的影響。為開挖支護(hù)方案，提供有效的參考。

2 算例分析

2.1 邊坡概況

邊坡位于西南地區(qū)某水電站料場，邊坡巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育，為典型的節(jié)理質(zhì)高邊坡。邊坡目前還未開挖，設(shè)計開挖頂高程為2 270 m，設(shè)計開挖底高程為2 090 m，開口線外上方有一節(jié)理質(zhì)陡崖，高程范圍為2 320 m到2 415 m，工程邊坡與陡崖的相對位置如圖3。

圖3 工程邊坡與陡崖區(qū)平面圖Fig. 3 Plane of engineering slope and steep cliff area

N-N坡面為通過工程邊坡與陡崖的典型坡面如圖4，陡崖區(qū)結(jié)構(gòu)面發(fā)育，主要發(fā)育兩條斷層f(1)， f(2)，其中斷層f(1)，產(chǎn)狀為：N25～35°W SW∠60～75°，帶寬約20～30 cm，帶內(nèi)為碎粉巖、巖屑，強風(fēng)化，面起伏，局部影響帶寬約50 cm，延伸到后緣陡崖；f(2)，產(chǎn)狀為：N10°E NW∠40°，帶寬約3～5 cm，帶內(nèi)見碎粉巖、巖屑，呈強風(fēng)化，為中緩傾角卸荷面，延伸較長，面上見擦痕；fs1，產(chǎn)狀為：N20°E NW∠10°，帶寬約2～3 cm，帶內(nèi)見碎屑巖、巖屑，呈強風(fēng)化，延伸較短，節(jié)理主要有四條。為后緒數(shù)值分析，結(jié)合陡崖與工程邊坡地質(zhì)概況，建立陡崖與邊坡的結(jié)構(gòu)面及勢節(jié)理概化模型，作為數(shù)值分析的基礎(chǔ)，如圖4。

圖4 N-N剖面地質(zhì)概化模型Fig. 4 Geological generalization model of N-N profile

2.2 陡崖天然邊坡穩(wěn)定性分析

常用的邊坡穩(wěn)定性分析方法主要有剛體極限平衡法和有限元法[8, 9]，極限平衡法主要有Sarma法、Bishop法、Fellenius法、Janbuz法、鍥形體法、平面滑動法和傳遞系數(shù)法。有限元法是數(shù)值模擬在邊坡穩(wěn)定評價中應(yīng)用最早的方法, 較多應(yīng)用于土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析。但對于結(jié)構(gòu)面發(fā)育、結(jié)構(gòu)面項目切割的巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析，極限平衡法和有限元均不能較好的模擬邊坡中斷層、節(jié)理等結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)，達(dá)不到想要的分析結(jié)果。離散元軟件，如UDEC/3DEC能處理大量的結(jié)構(gòu)面，這一特點對分析多節(jié)理型的巖質(zhì)邊坡非常適合。

邊坡的穩(wěn)定性分析非常關(guān)鍵，它是其它荷載組合、開挖支護(hù)等評價的基礎(chǔ)。計算分析需要首先評價天然邊坡的整體穩(wěn)定性，然后在此基礎(chǔ)上分析開挖邊坡各工況下的穩(wěn)定特性。采用UDEC[10, 11]結(jié)合強度折減法，對陡崖天然邊坡在持久工況、暴雨工況和地震工況進(jìn)行穩(wěn)定分析，分析結(jié)果如圖5，石料場邊坡結(jié)構(gòu)面計算采用的力學(xué)參數(shù)取值如表1。

圖5 陡崖區(qū)各工況下的穩(wěn)定性分析Fig. 5 Stability analysis of steep cliff area under various workingconditions

巖體分類密度/(kg·m-3)彈性模量/GPa泊松比黏聚力/MPa摩擦系數(shù)fQ4覆蓋層2 1500.100.360.030.55Ⅳ類2 6803.250.310.600.75Ⅲ類2 7009.000.250.901.00Ⅱ類2 72016.000.221.251.40斷層f(1)———0.130.50斷層f(2)———0.130.50

2.3 加固處理方案

陡崖部位存在較高的滑移破壞風(fēng)險，在部分計算工況下安全系數(shù)未達(dá)到規(guī)范要求，設(shè)計擬定了3種加固處理方案：①無支護(hù)方案，主要將陡崖區(qū)的覆蓋層挖除；②支護(hù)方案，用3排200 t系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加固；③開挖+支護(hù)方案，對潛在塊體進(jìn)行部分挖除，并施加3排200 t系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加固。通過對上述工程處理方案展開計算分析，各方案下潛在破壞模式具有一致性，仍為以f(2)為底滑面、由f(1)主控的后緣拉裂面組合的塊體滑移模式，各方案處理后的穩(wěn)定性如圖6。

圖6 工程加固處理方案效果對比Fig. 6 Comparison of project reinforcement treatment schemes

2.4 工程邊坡開挖對陡崖影響分析

為了能夠獲得陡崖區(qū)在下部工程邊坡開挖時的變形量，在陡崖性高程布置了五個位移監(jiān)測點，位置如圖7、圖8。

圖7 監(jiān)測點平面布置Fig. 7 Plane layout of monitoring points8

圖8 監(jiān)測點布置橫斷面Fig. 8 Cross-sectional map of layout of monitoring points

基于“地質(zhì)工程機制分析—定量評價”[12]研究思想，借助數(shù)值模擬方法定量評價工程邊坡開挖對鄰近邊坡的穩(wěn)定性影響，為該工程的支護(hù)設(shè)計及開挖施工提供技術(shù)支持借鑒。模擬陡崖下部工程邊坡開挖時陡崖區(qū)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，幫助進(jìn)一步了解下部工程邊坡開挖對陡崖區(qū)域的影響特征。根據(jù)現(xiàn)場的地質(zhì)調(diào)查情況和工程設(shè)計方案，在模擬中利用UDEC在陡崖區(qū)相應(yīng)的高程布置了幾個典型監(jiān)測點，模擬陡崖區(qū)的變形，與實際監(jiān)測變形比較如表2。圖9給出了不同開挖階段邊坡的變形特征，后續(xù)典型開挖階段陡崖部位的變形增長情況如圖10。

表2 變形模擬值與實際值對比Table 2 Comparisons between the simulated and the actualdeformation values

圖9 不同開挖階段陡崖變形特征Fig. 9 Deformation characteristics of steep cliff at differentexcavation stages

圖10 工程邊坡開挖典型階段陡崖部位的變形特征Fig. 10 Deformation characteristics of steep cliff parts at typicalstage of excavation of engineering slope

2.5 結(jié)果討論與分析

1)從圖5可以看出，UDEC基于強度折減法分析邊坡穩(wěn)定性，是可以實現(xiàn)的。陡崖部位存在明顯塊體變形問題，表現(xiàn)為以f(2)為底滑面、由f(1)主控的后緣拉裂面組合的塊體滑移模式，在持久工況下邊坡的安全系數(shù)為1.06；暴雨工況下整個塊體處于臨界狀態(tài)，安全系數(shù)為1.00；地震工況下該塊體的安全系數(shù)為0.98，邊坡在持久工況和暴雨工況下穩(wěn)定性均不能達(dá)到規(guī)范要求，需要針對性的進(jìn)行加固處理。

2)“無支護(hù)方案”在持久工況下，邊坡的安全系數(shù)為1.11；暴雨工況下整個塊體處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，安全系數(shù)為1.01；地震工況下該塊體的安全系數(shù)為1.05?！爸ёo(hù)方案”在持久工況下，塊體安全系數(shù)為1.15；暴雨工況下，安全系數(shù)為1.05；地震工況下該塊體的安全系數(shù)為1.09?！伴_挖+支護(hù)方案”在持久工況下，邊坡的安全系數(shù)為1.30；暴雨工況下，安全系數(shù)為1.12；地震工況下該塊體的安全系數(shù)為1.22。當(dāng)前針對該區(qū)域的加固方案基本合適(在陡崖部位增設(shè)3排200t預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù))，在施工期和運行期均能夠滿足規(guī)范要求，加固后陡崖部位坡體安全系數(shù)增幅在0.04(考慮下部的兩排錨索后，該塊體安全系數(shù)增幅可達(dá)到0.06)，可見預(yù)應(yīng)力錨索加固方案具有可行性和合理性。削坡對該陡崖部位塊體穩(wěn)定性提升較為明顯，但考慮到該部位施工難度大、潛在工程風(fēng)險高、爆破開挖擾動損傷影響等多重因素，不建議采用。因此針對此類多節(jié)理質(zhì)的高陡巖質(zhì)邊坡加固，首先考慮削坡，開挖難度較大，則考慮支護(hù)。

3)從表2可以看出，數(shù)值模擬得到的陡崖區(qū)變形值與實際監(jiān)測值基本一致。工程邊坡開挖過程中，相鄰的陡崖區(qū)也會發(fā)生變形，且開挖到不同階段時，陡崖區(qū)的變形量也不相同，開挖開始和結(jié)束階段，陡崖區(qū)的變形很小，開挖中間過程，陡崖區(qū)的變形量較大，因此需要在開挖的中間階段，加強支護(hù)。

4)從圖9、圖10可知，開挖變形整體以卸荷回彈變形為主，局部受不利斷層組合影響，存在塊體變形問題。坡體整體變形量值在2～4 cm。從監(jiān)測點來看，下部開挖卸荷一定程度上會影響到鄰近陡崖區(qū)的變形及穩(wěn)定性。邊坡開挖完成后，開口線上方陡崖部位的變形約在0～7 mm，與實際監(jiān)測點得到的值0～6.8 mm基本一致，這說明數(shù)值模擬陡崖在邊坡開挖過程的變形穩(wěn)定性是可行的。

3 結(jié)論及建議

通過現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬，得到以下結(jié)論和建議：

1)利用UDEC中的節(jié)理模型，分析多結(jié)構(gòu)面類型的巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性，相對于傳統(tǒng)的極限平衡法、有限元法，離散元分析更加的簡便。

2)多節(jié)理質(zhì)高陡邊坡的加固方案，開挖削坡效果較好，在開挖難度較大時，再考慮支護(hù)設(shè)計。

3)料場開挖工程中，開口線外的陡崖發(fā)生了變形破壞，需要相應(yīng)的支護(hù)設(shè)計。

4)實際監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果相比較，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬的結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果基本一致，說明，利用UDEC模擬工程邊坡開挖過程對鄰近非工程邊坡的變形結(jié)果是可靠的。