開挖條件下含陡傾結(jié)構(gòu)面順層巖質(zhì)邊坡破壞模式與穩(wěn)定性預(yù)測

王章瓊，江志紅

(1.武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，湖北 武漢 430073;2.中水顧問集團貴陽勘測設(shè)計研究院，貴州 貴陽 550081)

0 引言

順層邊坡是指坡面走向、傾向與巖層走向、傾向一致或接近一致的層狀結(jié)構(gòu)巖體斜坡[1]。隨著工程建設(shè)規(guī)模的擴大，在交通、水利等大型工程中都遇到過順層邊坡穩(wěn)定性問題，大量工程實踐表明，順層邊坡是相對較易失穩(wěn)的一類邊坡[2]。目前，國內(nèi)外學(xué)者在順層邊坡穩(wěn)定性方面開展了許多研究，主要集中在邊坡變形機制、變形破壞模式、開挖穩(wěn)定性及支護等方面。于飛[3]、胡啟軍[4]、鄒宗興[5]等研究了順層邊坡漸進破壞機理，并建立了地質(zhì)力學(xué)模型；李紅衛(wèi)[6]、肖國峰[7]等分別研究了陡傾和中傾順層巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)破壞機理，并分析了邊坡變形破壞特征；馮君[8]、唐紅梅[9]、徐廷甫[10]、肖慧[11]、江君[12]等通過室內(nèi)模型試驗、數(shù)值模擬方法研究了順層邊坡開挖穩(wěn)定性；馮振[13]根據(jù)位移監(jiān)測成果，研究了紅砂巖順層邊坡在抗滑樁支護后蠕滑變形的影響因素；晏鄂川[14]分析了地下水、時效特性和工程措施優(yōu)化等對路塹邊坡開挖坡穩(wěn)定性的影響。

實際上，許多層狀邊坡除了巖層面外，還發(fā)育有其他控制性結(jié)構(gòu)面，巖層面與其他結(jié)構(gòu)面共同影響和控制著邊坡的穩(wěn)定性及變形破壞模式。當(dāng)巖層面以外的結(jié)構(gòu)面強度較低或傾角較陡時，對邊坡穩(wěn)定性的影響可能會大于巖層面。因此，這一類結(jié)構(gòu)面的存在使得邊坡穩(wěn)定性問題更加復(fù)雜。而目前對順層邊坡穩(wěn)定性的研究，大多僅考慮巖層面，對巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜的順層邊坡穩(wěn)定性研究較少。這樣一來，可能會弱化甚至忽視主控結(jié)構(gòu)面對邊坡穩(wěn)定性的影響，導(dǎo)致結(jié)果與實際情況出入較大。

本文以貴州某水電站左岸含陡傾結(jié)構(gòu)面的順層高邊坡為研究對象，通過工程地質(zhì)分析、數(shù)值模擬等方法，分析開挖過程中邊坡變形破壞模式，評價邊坡穩(wěn)定性；在此基礎(chǔ)上提出邊坡支護方案，并通過實際位移監(jiān)測成果驗證方案的合理性。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

研究區(qū)位于云貴高原東北部，貴州境內(nèi)中部，區(qū)域總體地勢由西至東呈階梯狀遞降，屬巖溶中高山及侵蝕中低山混合地貌。河谷斷面為“U”型，坡度為20°～40°。左岸最高陡壁頂高程800 m，壩址區(qū)河床縱向高程622～625 m(圖1)。

該邊坡主要由白云巖和灰?guī)r組成，自上而下分別為：安順組第三段中厚層—厚層灰質(zhì)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r，第二段厚層塊狀白云巖、灰質(zhì)白云巖，第一段角礫狀白云巖，大冶組第三段角礫狀灰?guī)r，第二段中厚層—厚層灰?guī)r(頂部為1.5 m厚的極薄層灰?guī)r夾泥頁巖)，630 m高程以下主要為微風(fēng)化，630～724 m為弱風(fēng)化下亞帶。巖層產(chǎn)狀：N10°～20°E，NW∠32°～35°。

T1a3—白云巖、灰質(zhì)白云巖；T1a2—白云巖；T1a1—白云巖、角礫狀白云巖；T1d3-3—角礫狀白云巖、灰?guī)r；T1d3-2—灰?guī)r；T1d3-1—灰?guī)r。圖1 邊坡工程地質(zhì)剖面圖Fig.1 Engineering geological profile of slope

壩址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，受區(qū)域構(gòu)造影響，NE 向斷層較為發(fā)育，壩基開挖揭露f9、f10斷層。f9斷層自805 m高程斜向下延伸至705 m高程，為逆斷層，產(chǎn)狀：N25°～35°E，SE∠80°～85°，破碎帶寬1～10 cm，斷層帶由巖屑、方解石及少量泥質(zhì)組成，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)較好，斷層面平直光滑；f10斷層自615 m高程向坡內(nèi)反傾向延伸，為正斷層，產(chǎn)狀：N10°～20°W，SW∠45°～60°，破碎帶寬10～70 cm，斷層帶由巖屑、方解石及少量泥質(zhì)組成，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)較好，斷層面平直光滑。壩基揭露夾層1條，為原生層間巖性夾層，厚1.5 m，為大冶組第三段第二層頂部極薄層灰?guī)r夾泥頁巖。巖溶形態(tài)以溶洞、溶縫、溶隙為主，整體而言，巖溶不發(fā)育。

1.2 邊坡開挖設(shè)計

根據(jù)設(shè)計，邊坡分13級開挖，梯級高度15～17 m不等，最高開挖高程789 m，最低開挖高程597 m，最大壩高109 m。共設(shè)1級寬10 m、1級寬8 m、7級寬度2 m的馬道，除600 m、615 m、765 m高程處為斜坡外，其余梯級間為直坡。主要開挖T1a、T1d3巖體(圖1)。

2 邊坡控制性結(jié)構(gòu)面及其特征

2.1 原生結(jié)構(gòu)面

壩址區(qū)原生結(jié)構(gòu)面主要為沉積結(jié)構(gòu)面，即巖層面。巖層面主要是白云巖、灰質(zhì)白云巖、灰?guī)r之間的層里面。區(qū)內(nèi)T1a1、T1a2、T1a3白云巖、T1d3-3灰?guī)r多為中厚層、厚層，層面屬沉積結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面較為平整，膠結(jié)較好，抗剪強度較高。在降雨、地震、風(fēng)化等外因作用下，可能發(fā)生沿巖層面的滑動，進而導(dǎo)致邊坡向河谷方向滑移。T1d3-2、T1d3-1的頂層為一層厚約1 m的薄層、極薄層灰?guī)r、泥頁巖，屬于軟弱夾層，且灰?guī)r層間軟弱夾層位于河流浸潤線以下，抗剪強度較低。但在f10斷層切割下，原本貫通的上述灰?guī)r巖層面發(fā)生錯動，錯動距離約30 m。上述原生結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀接近N20°W，NE∠35°，傾角較緩，順坡向，對邊坡穩(wěn)定性影響較大。

2.2 構(gòu)造結(jié)構(gòu)面

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及工程地質(zhì)勘探顯示，左岸邊坡的構(gòu)造結(jié)構(gòu)面主要為斷層，規(guī)模較大的斷層有f9、f10。

f9斷層位于T1a3白云巖弱風(fēng)化帶上限以上，巖體完整性一般。斷層順坡向，對邊坡穩(wěn)定性影響較大，斷層上盤易沿斷層面發(fā)生滑移。斷層下部剪出口位于邊坡705 m高程附近，如該邊坡發(fā)生沿該斷層帶的失穩(wěn)破壞，將直接威脅到大壩的安全。

f10斷層大部位于開挖面以下，在自然狀況下對邊坡穩(wěn)定性影響不大。

2.3 淺表生結(jié)構(gòu)面

左岸793m高程處發(fā)育L1卸荷裂隙，產(chǎn)狀N60°W，NE∠85°，裂隙張開，寬30～50 cm，向上游延伸30 m就被覆蓋，充填黏土及巖屑，但左岸坡肩頂部卸荷裂隙發(fā)育的深度亦有限。L1裂隙為折線形，自793 m高程從地表向下延伸約100 m后，裂隙轉(zhuǎn)而以緩傾角向臨空面方向發(fā)展，產(chǎn)狀與安順組灰?guī)r巖層面接近，充填巖屑。該裂隙735 m高程以上部分連通率達90%以上，735 m高程以下連通率約35%。

3 邊坡變形破壞模式及穩(wěn)定性預(yù)測

3.1 邊坡變形破壞模式分析

(1) 滑移：主要以f9斷層上盤巖體為主，該變形體主要為f9斷層上盤巖體(圖2)。f9斷層為逆斷層，順坡向，結(jié)構(gòu)面傾角大于坡面傾角；斷層破碎帶較薄，寬約1～10 cm，可見泥質(zhì)。該斷層上下端口皆露出地表，斷層破碎帶易受大氣降雨的侵蝕，抗風(fēng)化能力弱。該變形體可能發(fā)生的變形破壞模式是：在暴雨及震動荷載作用下，變形體以f9斷層為滑移面整體下滑。

圖2 滑移破壞模式示意圖Fig.2 Schematic diagram of sliding failure mode

(2) 拉裂-滑移：主要以受L1裂隙控制的變形體為代表，該變形體主要受呈折線狀發(fā)育的L1裂隙控制(圖3)。L1裂隙由兩段構(gòu)成，第一段始于坡面，以陡傾角順坡面向下延伸，至于691.5 m高程；第二段始于第一段末，以緩傾角(與巖層面產(chǎn)狀接近)向河谷方向延伸至坡面。由于L1裂隙頂部始于坡面，降雨情況下裂隙內(nèi)會產(chǎn)生孔隙水壓力與滲透壓力，導(dǎo)致裂隙第一段張拉并拉裂。因此，該變形體可能發(fā)生的變形破壞模式是：以L1裂隙第一段為拉裂面、第二段為滑移面的拉裂—滑移破壞。

圖3 拉裂-滑移破壞模式示意圖Fig.3 Schematic diagram of tension crack-sliding failure mode

3.2 邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬

(1) 數(shù)值模擬模型及材料參數(shù)

根據(jù)勘察剖面及設(shè)計開挖線建立了研究區(qū)邊坡數(shù)值模擬模型，水平方向取160 m，豎直方向取286 m，網(wǎng)格最大邊長15 m(圖4)。建立模型時考慮了巖層面、構(gòu)造結(jié)構(gòu)面等軟弱面。

圖4 邊坡UDEC模型 (左：開挖前；右：開挖后)Fig.4 UDEC model of slope(left: before excavation， right: after excavation)

根據(jù)巖石、結(jié)構(gòu)面室內(nèi)試驗結(jié)果，并結(jié)合工程經(jīng)驗，對巖體及結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)參數(shù)取值見表1、表2。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)

(2)自然狀況下邊坡穩(wěn)定性

自重應(yīng)力作用下邊坡位移及剪應(yīng)力云圖見圖5?？梢钥闯觯?) 邊坡水平位移較大區(qū)域主要集中在斷層f9及卸荷裂隙L1可能剪出口附近；2) 垂直位移具有明顯的自上而下分層特點，但在斷層f9及卸荷裂隙L1附近產(chǎn)生明顯的錯動；3)結(jié)構(gòu)面f9、L1附近剪應(yīng)力明顯大于周圍區(qū)域，且在坡腳630 m高程附近，應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯，主要是由于此處坡面形狀由陡變緩，引起應(yīng)力急劇偏轉(zhuǎn)而致。

整體而言，位移、剪應(yīng)力云圖與結(jié)構(gòu)面分布具有明顯的相關(guān)性。邊坡有沿斷層f9、卸荷裂隙L1及巖層面發(fā)生內(nèi)部滑動的趨勢，降低了邊坡的穩(wěn)定性。邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.05，表明邊坡在自然狀況下基本穩(wěn)定，但安全儲備較小，在降雨、地震等外因作用下可能發(fā)生失穩(wěn)。

圖5 自然邊坡數(shù)值模擬結(jié)果Fig.5 Numerical simulation results of natural slope

(3) 開挖后邊坡穩(wěn)定性

開挖后邊坡位移及剪應(yīng)力云圖見圖6?？梢钥闯觯?) 邊坡上部水平位移主要朝向坡內(nèi)，主要原因是開挖擾動導(dǎo)致巖體變形；2) 邊坡中下部水平位移主要朝向河谷方向，主要原因是對河谷巖體的開挖導(dǎo)致邊坡中下部出現(xiàn)新的臨空面，降低了水平方向壓應(yīng)力，邊坡巖體發(fā)生朝向河谷的回彈；3) 水平位移云圖在裂隙L1附近發(fā)生明顯的錯動，其外側(cè)巖體主要發(fā)生朝向河谷的變形；4) 豎向位移全部為正方向，是由于開挖卸荷引起回彈，位移云圖呈現(xiàn)出明顯的分帶性，大體上呈以邊坡外河谷上方某一點為圓心的同心圓環(huán)狀；5) 從量值及分布情況來看，開挖前后邊坡剪應(yīng)力變化較小，但630 m高程與700 m高程附近的高剪應(yīng)力區(qū)域逐漸貫通，可能是由于開挖卸荷導(dǎo)致裂隙L1不斷向下發(fā)展。

圖6 邊坡開挖數(shù)值模擬結(jié)果Fig.6 Numerical simulation results of excavated slope

整體而言，開挖后邊坡水平位移分布與結(jié)構(gòu)面之間存在明顯相關(guān)性，高剪應(yīng)力區(qū)域進一步增大，坡腳剪應(yīng)力集中區(qū)與裂隙L1轉(zhuǎn)折處(700 m高程)相貫通，表明工程開挖增大了邊坡沿L1裂隙發(fā)生剪切破壞的可能性，開挖活動導(dǎo)致邊坡巖體產(chǎn)生了一定程度的內(nèi)部滑動，與前文中邊坡失穩(wěn)破壞模式預(yù)測較為吻合。

經(jīng)計算，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.39，表明開挖后邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)有了較大提高，主要原因是開挖卸荷降低了邊坡自重。但由于斷層f9、卸荷裂隙L1的存在，導(dǎo)致邊坡局部穩(wěn)定性較差，須采取相應(yīng)的支護措施。

4 防治方案及效果評價

4.1 邊坡支護及監(jiān)測方案

由工程地質(zhì)分析及數(shù)值模擬結(jié)果可知，左岸邊坡在開挖過程中主要的關(guān)鍵塊體系由L1裂隙切割而形成，須對該塊體進行重點加固。具體的加固措施為：在690～705 m設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索，將錨索設(shè)置在每級馬道平面以上1 m處。錨索張拉力為1 500 kN，長度40 m，橫向間距6 m。為監(jiān)測邊坡在開挖過程中的變形情況，在770 m高程處開挖平臺設(shè)置測斜孔，監(jiān)測邊坡水平方向位移。錨索及監(jiān)測點布置情況見圖7。

圖7 邊坡位移監(jiān)測點布置Fig.7 Arrangement of slope displacement monitoring points

4.2 邊坡位移監(jiān)測成果

由圖8可知，邊坡位移隨深度的增大而減小，在埋孔端部位移為零，地表處監(jiān)測的位移最大，這是因為測斜儀測得的位移在深度方向上具有累計效應(yīng)。此外，監(jiān)測曲線隨時間變化而變化，與工程活動相關(guān)性明顯：在開挖初期，邊坡由于卸荷而發(fā)生朝向河谷方向的回彈(2010年12月14日)；施加預(yù)應(yīng)力錨索后，邊坡巖體處于受擠壓狀態(tài)，邊坡位移朝向坡內(nèi)，并逐漸達到最大(2010年12月18日、2010年1月16日)，此時最大位移值為4.7 mm；隨著時間的增長，錨索預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生了一定損失，并逐漸趨于穩(wěn)定，監(jiān)測位移朝向坡內(nèi)(2010年2月28日)，錨索支護效果良好。實際監(jiān)測曲線(穩(wěn)定狀態(tài))與數(shù)值模擬監(jiān)測曲線基本吻合。

圖8 邊坡水平位移監(jiān)測曲線Fig.8 Monitored slope horizontal displacement curves

5 結(jié)論

本文結(jié)合貴州某水電站左岸邊坡開挖穩(wěn)定性及治理工程實際，研究了含陡傾結(jié)構(gòu)面的順層巖質(zhì)邊坡變形破壞模式、穩(wěn)定性及治理方法，主要取得以下結(jié)論：

(1) 受順坡向巖層面、斷層f9及裂隙L1等控制性結(jié)構(gòu)面的影響，邊坡可能發(fā)生的變形破壞模式為：主要由斷層f9控制的滑移破壞及主要由裂隙L1控制的拉裂-滑移破壞。

(2) 自然狀況下，邊坡有沿斷層f9、卸荷裂隙L1及巖層面發(fā)生內(nèi)部滑動的趨勢。邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.05，安全儲備較小。

(3) 開挖后邊坡高剪應(yīng)力區(qū)域逐漸貫通，表明工程開挖導(dǎo)致邊坡巖體產(chǎn)生了一定程度的內(nèi)部滑動。邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.39，表明開挖卸荷使得邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)有所提高。但斷層f9、卸荷裂隙L1使得邊坡局部穩(wěn)定性較差，須采取相應(yīng)的支護措施。

(4) 根據(jù)邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果，對邊坡采取以預(yù)應(yīng)力錨索加固為主的治理措施，位移監(jiān)測結(jié)果表明，經(jīng)錨索加固后，邊坡變形得到了有效控制，且數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)較為吻合，驗證了數(shù)值模擬模型與參數(shù)的合理性。

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