卸荷條件下高邊坡大規(guī)模開挖的“地質-力學”響應研究
——以西藏如美水電站右壩肩為例

王 俊，趙建軍, 瞿生軍, 廖蕓婧, 汪 果, 樊 奇(.成都理工大學地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 60059；.江蘇省工程勘測研究院有限責任公司，江蘇 揚州 5000；.國網四川省電力公司宜賓電公司，四川 宜賓 644000)

巖石高邊坡已經不是一個新的課題，但在我國西南地區(qū)，由于其地形地貌和地質條件十分復雜，常伴隨著高地應力、陡坡角等特點，決定了邊坡大規(guī)模開挖之后必然引發(fā)一系列復雜的邊坡穩(wěn)定性[1]及巖石力學問題[2]。擬建的西藏如美水電站[3]天然高邊坡達1000m左右，右壩肩邊坡開挖高度約700m，對邊坡開挖后出現的卸荷變形、破壞及變形破壞模式等問題進行深入研究對于保證邊坡長期穩(wěn)定性具有重要的現實意義。

邊坡開挖所造成的巖體變形破壞現象及特征，在理論研究和工程實踐中都極受關注，國內外專家對此類研究也極多，包括神經網絡模型[4]、監(jiān)測數據[5]和物理模擬試驗等[6～7]。Underwood等、Quigley對于基坑開挖后巖石的側向變形在文[8]中得到了相應的印證；Sembenelli經過研究則認為其為“二次位移”現象[9]。目前常用來分析高邊坡變形的監(jiān)測數據，多僅僅局限于高邊坡的某一個部位或者是某一個時間段[10～11]，且監(jiān)測數據較為繁瑣、不直觀。采用數值模擬分析邊坡開挖之后變形的研究[12～13]雖然比較多，但多不能真實地反映邊坡巖體的結構，不考慮過多的外界因素。

本文通過對西藏如美水電站地表、平硐的詳細調查，獲得了巖體結構特征、巖體質量及巖體物理力學參數，采用結構面網絡模型模擬邊坡，分四級開挖對700m深卸荷邊坡變形進行分析，再現了邊坡開挖變形響應的全過程，對類似的工程高邊坡及巖質邊坡具有指導意義及參考、實用價值。

1 開挖邊坡地質原型

開挖邊坡位于西藏芒康縣如美鎮(zhèn)如美水電站右岸壩肩，地形整體較為陡峻，高程2 680 m以下由于河谷深切，基本上呈陡壁，坡度達70°；2 680～3 050 m高程之間地形較陡，自然坡度達45°；3 050 m高程以上坡度稍緩，在35°左右。

右壩肩開挖邊坡河谷走向為SN，開口線最高高程為3 240 m，壩頂高程2 902 m。開挖邊坡總高程約700 m，壩頂高程以下為臨時邊坡，高約315 m，壩頂至開口線最高高程為永久邊坡，高約338 m。臨時邊坡坡比在2 810～2 902 m高程段為1∶1.4，2 810 m高程以下為1∶0.9。永久邊坡2 902～3 240 m原始地形坡度為30°，梯級坡比為1∶0.5，每15 m設置3 m寬馬道，每60 m設置一個6 m寬馬道，綜合坡比1∶0.7。

開挖邊坡主要巖性為三疊系的英安巖，巖質堅硬，發(fā)育煌斑巖脈，結構面發(fā)育，尤其是淺表層的碎裂巖體。由于河谷的深切作用，邊坡卸荷極為發(fā)育且水平深度較深，在高程較高處達200 m左右，邊坡為典型的深卸荷高邊坡。

開挖邊坡卸荷裂隙以陡傾為主，總體產狀N48°～87°W/SW∠80°、N66°W/NE∠81°。另外發(fā)育兩組優(yōu)勢結構面，一組陡傾，其產狀為N54°W/NE∠76°；一組緩傾，近似流層面，產狀為N10°E/SE∠22°。邊坡開挖的工程地質平面圖及剖面圖見圖1、圖2(A-A’剖面)。

2 開挖邊坡卸荷特征及平硐變形現象

2.1 開挖邊坡卸荷特征

早期河谷的間歇性快速下切，使河谷岸坡應力場產生新的調整，伴隨這一過程巖體結構產生一系列新的變化。其結果是在河谷岸坡一定深度范圍內，形成類似于地下硐室圍巖“松動圈”的岸坡卸荷帶。根據平硐現場調查和已有資料分析，發(fā)現右壩肩邊坡巖體存在大量的卸荷變形破裂現象，且變形破裂特征較為復雜。

圖3所示，在PD2平硐23 m處，發(fā)育一沿陡傾結構面C3(N50°W/SW∠88°)最寬約20 cm的上寬下窄型張性裂隙，碎裂的塊石在開挖擾動下堆積填充在裂隙的底部。破裂面平直光滑，充填碎石到塊石，結構疏松。在PDZ42平硐179.5 m處，發(fā)育一沿陡傾結構面C52(N60°W/NE∠84°)最寬約50 cm的張性裂隙。

邊坡地處深切峽谷地段，開挖邊坡所處河谷深切，相對高差達700 m以上，巖體卸荷作用總體上表現得較為強烈，且?guī)r體卸荷帶隨高程增大分布越深。根據平硐內的卸荷裂隙發(fā)育深度的統計，得出開挖邊坡不同高程(2 700 m、2 800 m、2 900 m、3 000 m)卸荷分帶平切圖(圖4)，可以明顯發(fā)現邊坡的卸荷分布特征：

(1)山脊和溝谷處的卸荷深度表現不同。山脊處卸荷明顯大于溝谷處卸荷。中、高高程山脊處的強卸荷深度深達200多米，弱卸荷有的也深達150 m；而溝谷處一般強卸荷特征不明顯或較淺，約20多米，以弱卸荷為主，深度在100 m范圍以內。

(2)山脊和溝谷處的卸荷變形破裂方式有所不同。由平硐的卸荷變形現象分析，在山脊部位的近坡表，其卸荷特征主要表現為陡傾結構面的寬張與中緩傾結構面壓剪破裂的組合，向內則主要表現為沿陡傾結構面的張裂變形。溝谷部位強卸荷發(fā)育極淺或不發(fā)育。

圖1 右壩肩邊坡工程地質平面圖Fig.1 Engineering geological map of the right dam abutment slope

圖2 右壩肩邊坡A-A’工程地質剖面圖Fig.2 Engineering geological section along A-A’ of the right abutment slope

圖3 典型卸荷現象Fig.3 Typical unloading phenomenon

(3)隨高程增加，卸荷的強度和深度有所增大。

(4)在中、高高程平硐中，強卸荷段較發(fā)育，一般大于100 m。但強卸荷以后，弱卸荷段普遍較短，且裂隙的張開度明顯減小，主要以微張為主，弱卸荷段的范圍一般不超過50 m。該硐深以里，卸荷不再發(fā)育。

圖4 邊坡卸荷分布平切圖Fig.4 Unloading flat distribution map of the slope

2.2 開挖邊坡典型平硐變形現象

平硐PDZ10中，洞外變形較為明顯的硐段為強卸荷帶。60～62 m硐段因卸荷產生寬大張裂，巖體內部產生裂隙，松動巖體向外運動。由于重力作用，產生壓剪變形，逐步形成了大部分張開、局部閉合的陡緩相接的階梯狀裂隙(圖5)。

圖5 典型變形現象Fig.5 Typical deformation phenomenon

3 卸荷條件下大規(guī)模開挖響應離散元模擬

3.1 邊坡模型的建立

右岸壩肩邊坡大規(guī)模開挖響應的模擬主要選取壩軸線剖面，即圖2的邊坡工程地質剖面。對邊坡結構面進行數理統計，利用蒙特卡羅原理建立邊坡隨機網絡模型，模型尺寸1 200 m×1 100 m，邊坡最低高程2 540 m，最高高程3 640 m。模擬中考慮了卸荷，將巖體質量劃分為四級，最終建立了概化模型(圖6)。

圖6 右壩肩邊坡巖體結構模型Fig.6 Rock mass structure model of the right dam abutment slope

3.2 開挖模擬的方案及計算參數選取

邊坡開挖規(guī)模巨大，共分為四級：第一級從開口線開挖至EL3 040 m，該高程為壩頂以上高程；第二級從開口線開挖至EL2 092 m，該高程為壩頂高程；第三級從EL2 902開挖至EL2 810 m，該高程內坡比為1∶1.4，為壩頂高程以下；第四級從EL2 810 m開挖至EL2 587 m，該高程內坡比為1∶0.9，開挖至河谷。為了研究邊坡開挖后的變形響應，且更清晰地反映開挖部位與變形之間的關系，對四級開挖逐步進行。

計算時，為分析開挖響應，在天然工況計算基礎上，將位移和速度清零。第一級開挖清除天然計算階段的位移和速度，其后的開挖則不需要重置模型的位移和速度。

模型邊界采用位移固定法，通過結合勘測設計研究院、室內試驗數據及GSI巖體物理力學參數建議取值，并參考《水利水電工程地質勘察規(guī)范(GB 50287—2008)》，最終綜合確定右岸壩肩邊坡模型計算的巖體物理力學參數和結構面力學參數，見表1～2。

表1 巖體物理力學參數取值Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass

表2 不同結構面力學參數取值Table 2 Mechanical parameters of different structural planes

3.3 基于模擬結果的開挖響應分析

邊坡開挖至EL3 040 m時，邊坡位移變化見圖 7(a)。從圖中可以看到，邊坡在開挖之后，EL3 040～EL3 340 m處靠近開挖面的淺表部巖體產生了約8 mm的變形，變形以斷層為后緣邊界，沿著緩傾坡外卸荷結構面向臨空面方向產生剪切變形。EL2 840～EL3 040 m的坡表碎裂巖體由于受到上部巖體開挖卸荷的影響且?guī)r體極破碎，產生約2 cm的變形，大于上部巖體變形。開挖高程以下EL2 840～EL3 040 m部位由于失去上部被開挖巖體的鎖固作用，向坡外產生變形，變形由高高程向低高程傳遞，越往下部受開挖影響越小。開挖高程以上的巖體，由于失去被開挖巖體的支擋作用，首先在開挖面產生變形并逐漸向上部延伸擴展。

當邊坡開挖至EL2 902 m時，邊坡位移變化見圖 7(b)。從邊坡X方向位移云圖可以發(fā)現，邊坡開挖至EL2 902 m，由于開挖范圍較廣、方量和規(guī)模較大，產生了坡度約50°的臨空面，此臨空條件對整個開挖面巖體及上部巖體的影響很大，變形最大的位于開挖下部的一部分碎裂巖體，位移達25 cm，開挖面巖體產生10 cm左右的變形，開挖上部巖體也產生了約6 cm的變形。前緣緩傾坡內的長大裂隙密集發(fā)育，受到開挖擾動的影響，產生約10 cm的變形。從邊坡開挖位移的變化可以看出，邊坡變形都受控于結構面，所形成的潛在滑面都是以陡傾結構面為后緣，以緩傾角結構面為底滑面。

當邊坡開挖至EL2 810 m時，邊坡位移變化見圖 7(c)?？梢钥闯?，隨著開挖級數的增加，邊坡水平向變形也在增加，其X方向最大位移達到0.3 m。

當邊坡開挖至EL2 587 m時，邊坡位移變化見圖 7(d)。由于開挖將表層碎裂巖體全部挖除，EL2 640～EL2 810 m巖體基本沒有變形。開挖導致裸露的巖體產生一定的松動，變形繼續(xù)增加，變形位移量在0.25～0.3 m，邊坡最終開挖完X方向累積最大變形達0.5 m，位于開口線之上，Y方向垂直變形如圖8所示。

3.4 邊坡開挖變形響應機制分析

卸荷環(huán)境下，大規(guī)模開挖是邊坡變形的主控因素。通過邊坡不同高程開挖的全過程模擬，可以看出邊坡變形響應機制較為復雜，總體表現為以下幾點：

(1)開挖對淺表層強卸荷巖體影響最大，其引起的變形主要以橫向位移為主，這是由開挖后巖體應力重分布決定的。

(2)開挖引起的累積位移模式為向上傳遞、在后緣累積。

(3)從四級分布開挖來看，巖體在斷層、卸荷發(fā)育的附近表現出較大的豎向沉降與側向位移，表明邊坡開挖后以淺表部及深部“滑移-拉裂”響應的地質-力學為主導環(huán)境。

4 結論

(1)右壩肩開挖邊坡總體變形較大，尤其在卸荷極為發(fā)育的表層，分布開挖變形位移分別達1.6 cm、0.2 m、0.25 m和0.5 m，深部巖體變形量在0.1 m左右。

(2)數值模擬過程表明，卸荷條件下的高邊坡大規(guī)模開挖之后，邊坡所產生的變形響應一般分為三個階段：變形急速增長階段，在初始開挖時期，由于卸荷回彈作用，在開挖面上下500 m范圍，所影響的范圍極大；變形較為緩慢的階段，開挖面下部變形較小甚至基本沒有，上部延伸約20 m左右，基本處于變形穩(wěn)定階段。

(3)開挖是邊坡產生較大變形的最主要因素之一，開挖面及其上下淺表部巖體宏觀上表現為卸荷回彈，松動變形且變形較大。開挖全部結束與開始開挖相比，變形很快處于穩(wěn)定階段，越接近開挖結束，剩余變形就越小。其現象表明邊坡可看成彈性介質，邊坡變形是開挖之后造成的彈性恢復，彈性恢復滯后極小。

(4)模擬結果表明，對于巖質堅硬的卸荷高邊坡，開挖之后主要變形以側向(X方向)為主，開挖同一部位，側向位移明顯大于垂直位移。但開挖邊坡以上的變形應特別注意，尤其在卸荷極為發(fā)育的條件下，其變形往往極大，容易影響下部安全。

(5)通過對高邊坡全過程的開挖模擬，提出了高邊坡大規(guī)模開挖之后的變形性質(機制)，即卸荷條件下總體以淺表層卸荷松弛為主，邊坡變形與開挖表現極為同步，最終由于開挖面的遠離，邊坡變形逐漸趨于穩(wěn)定。

圖7 邊坡開挖變形位移圖Fig.7 Deformation displacement diagram of slope excavation

圖8 EL2 587 m邊坡開挖變形垂向位移圖Fig.8 Vertical displacement diagram of the excavation deformation of the EL2 587 m slope