碎裂松動(dòng)巖體高邊坡穩(wěn)定分析及防治

郭麗娜，曹學(xué)興，賈 賀

(1.云南工商學(xué)院， 云南 昆明 651701； 2. 華能瀾滄江水電股份有限公司， 云南 昆明 650051；3.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 天津 300072)

青藏高原地區(qū)，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，碎裂松動(dòng)巖體分布廣、強(qiáng)卸荷巖體較為發(fā)育、邊坡陡峭、巖體受風(fēng)化作用嚴(yán)重。使得邊坡穩(wěn)定分析困難。目前，針對碎裂松動(dòng)巖體的定量化指標(biāo)取值尚無成熟方法；對滑坡的變形機(jī)制和模式也在探討中；對高原巖體滑坡的穩(wěn)定性分析及治理技術(shù)無系統(tǒng)研究，尚不足為高原峽谷地區(qū)滑坡風(fēng)險(xiǎn)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

黃潤秋等[1]通過研究深切高陡峽谷地區(qū)河谷岸坡淺表破壞模式發(fā)現(xiàn)邊坡開挖后強(qiáng)卸荷特點(diǎn)。祁瀟等[2]對傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨索及錨筋樁的數(shù)值模擬方法進(jìn)行改進(jìn)。鄭宗利[3]對以往預(yù)應(yīng)力錨索加固高邊坡遇到的問題及解決方法進(jìn)行分析，給高邊坡穩(wěn)定分析及治理提供了參考。白桃等[4]通過對邊坡安全系數(shù)的研究，發(fā)現(xiàn)安全系數(shù)和破壞概率2個(gè)指標(biāo)能夠定量化地表述邊坡穩(wěn)定性。張典典等[5]提出MATLAB與瑞典條分法相結(jié)合的方法，簡化了大量的計(jì)算。黃盛銓等[6]提出以邊坡滑移位移與強(qiáng)度折減系數(shù)曲線的最大曲率所對應(yīng)的折減系數(shù)為邊坡安全系數(shù)的判別標(biāo)準(zhǔn), 克服了“位移突變準(zhǔn)則”不準(zhǔn)確的缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[7-9]提出了高邊坡安全措施，為高邊坡安全防護(hù)提供了參考經(jīng)驗(yàn)。文獻(xiàn)[10-12]對不同工況下對巖質(zhì)高邊坡安全穩(wěn)定進(jìn)行細(xì)致的研究。以上文獻(xiàn)對高邊坡的穩(wěn)定分析和防護(hù)措施進(jìn)行了大量的研究，但針對碎裂松動(dòng)巖體高邊坡的穩(wěn)定性分析和防護(hù)措施的研究缺少實(shí)際的指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)。

本文以高原地區(qū)某水電工程為依托，對碎裂松動(dòng)巖體邊坡基本地質(zhì)條件和滑動(dòng)破壞模式進(jìn)行研究，針對碎裂松動(dòng)巖體邊坡采用基于有限元虛功率法和考慮卸荷條件的有限元法進(jìn)行穩(wěn)定分析，定量評價(jià)了邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)。在掌握了碎裂松動(dòng)巖體邊坡穩(wěn)定性前提下針對本工程提出了可行的防治技術(shù)。可為碎裂松動(dòng)巖體高邊坡穩(wěn)定研究提供指導(dǎo)作用。

1 碎裂松動(dòng)巖體變形破壞模式

1.1 碎裂松動(dòng)巖體的結(jié)構(gòu)特征及變形特征

松動(dòng)巖體指在全強(qiáng)風(fēng)化巖體基礎(chǔ)上，裂隙面和巖體內(nèi)部的巖石礦物也發(fā)生了風(fēng)化蝕變，巖石、巖塊強(qiáng)度有較大程度的降低，但巖塊之間較為緊密。

碎裂松動(dòng)巖體包含兩層意義，一是巖體呈碎裂結(jié)構(gòu)，裂隙間距一般在30 cm左右及以下；二是巖體呈松動(dòng)狀態(tài)，即巖體整體有明顯的松動(dòng)、擴(kuò)容現(xiàn)象，巖塊之間各個(gè)方向嵌合松馳，從實(shí)際應(yīng)用看，明顯松馳分離的塊體一般小于1 m，部分為1 m～2 m。碎裂松動(dòng)巖體包括散體結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)(裂隙間距<10 cm)及塊裂結(jié)構(gòu)(裂隙間距10 cm～30 cm)的松動(dòng)巖體，同時(shí)由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)的不均一性，在碎裂松動(dòng)巖體中局部存在其它結(jié)構(gòu)巖體也是很普遍的。根據(jù)某水電工程的平硐勘探，發(fā)現(xiàn)正常條件下碎裂松動(dòng)巖體由表及里呈散體結(jié)構(gòu)-碎裂結(jié)構(gòu)-塊裂結(jié)構(gòu)變化，下漸變?yōu)樾逗蓭r體。

通過對某水電工程的平硐和地表調(diào)查，選取22處碎裂松動(dòng)巖體進(jìn)行變形特征分析，得出碎裂松動(dòng)巖體分為強(qiáng)變形區(qū)和弱變形區(qū)：

(1) 強(qiáng)變形區(qū)。主要分布于規(guī)模較大的碎裂松動(dòng)巖體淺表部，對應(yīng)于巖體結(jié)構(gòu)的散體結(jié)構(gòu)區(qū)，該區(qū)典型特征是碎裂狀巖體變形破壞后產(chǎn)生了一定的位移，堆積于碎裂松動(dòng)巖體表面較緩的斜坡一帶或坡腳一帶。

(2) 弱變形區(qū)。對應(yīng)于巖體結(jié)構(gòu)的碎裂結(jié)構(gòu)區(qū)，巖體被多組裂隙切割，沿大部分結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生明顯的張裂、擴(kuò)容或傾倒變形，以形成10 cm～80 cm不等的塊體，塊體之間基本相互分離，類似于“干砌石”結(jié)構(gòu)。

圖1 典型碎裂巖體的變形特征

1.2 碎裂松動(dòng)巖體邊坡破壞模式

根據(jù)碎裂松動(dòng)巖體的機(jī)制分析[13]，碎裂松動(dòng)巖體主要分為傾倒變形為主的碎裂松動(dòng)巖體、凍融風(fēng)化為主的碎裂松動(dòng)巖體兩大類，兩者具有不同的邊坡破壞模式[14-15]。

(1) 傾倒變形為主的碎裂松動(dòng)巖體邊坡破壞模式。剖面由上而下分為二層，各層物質(zhì)成分和巖體結(jié)構(gòu)不同，具有不同的破壞模式。

① 表層強(qiáng)變形區(qū)(墜覆堆積和傾覆堆積區(qū))。巖塊完全分離，物質(zhì)成分以塊碎石夾砂土為主，巖塊塊徑為20 cm～40 cm，類似于崩坡積物。該層屬散體結(jié)構(gòu)，邊坡破壞模式以圓弧形滑移為主，穩(wěn)定性由圓弧滑動(dòng)和底界面滑動(dòng)控制。值得注意的是因碎裂松動(dòng)巖體大多沿山梁部位分布，現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)向沖溝內(nèi)滑動(dòng)現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生，需注意其向沖溝內(nèi)的滑動(dòng)變形。

② 弱變形區(qū)。傾倒變形、沿折斷面滑移，結(jié)合壩址區(qū)碎裂松動(dòng)巖體現(xiàn)狀調(diào)查，這類強(qiáng)傾倒區(qū)破壞也近似呈圓弧形，但穩(wěn)定性大多受到折斷面滑移控制。

(2) 凍融風(fēng)化為主的碎裂松動(dòng)巖體邊坡破壞模式。

① 強(qiáng)變形區(qū)(表層堆積區(qū))。圓弧形滑移或局部的松動(dòng)掉塊。

② 弱變形區(qū)(松動(dòng)區(qū))。進(jìn)一步松動(dòng)變形，局部塌滑。

2 基于有限元應(yīng)力的虛功率法

2.1 邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的定義

求地基的承載力時(shí)，采用極限分析法。極限分析法是對于設(shè)定的剛體或變形體組合機(jī)制，通過計(jì)算靜力許可的應(yīng)力場或運(yùn)動(dòng)許可的速度場，根據(jù)虛功原理(外力所做的虛功，等于物體內(nèi)部的需應(yīng)變能)來計(jì)算極限荷載的。極限狀態(tài)下的應(yīng)變能可以作為表征物體承載力的單一指標(biāo)。對于邊坡滑動(dòng)，邊坡極限狀態(tài)下的應(yīng)變能與邊坡當(dāng)前狀態(tài)下的應(yīng)變能之比值，或極限狀態(tài)下剛體相對滑動(dòng)之功率(能量耗散率)與當(dāng)前狀態(tài)下之功率之比，可以定義為邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。

對于單一圓弧和直線以外的滑動(dòng)面，包括單一的非圓弧曲線滑動(dòng)面和折線、滑弧、非圓弧曲線的組合，統(tǒng)稱為組合式滑動(dòng)面。由于不存在單一剛體沿著組合式滑動(dòng)面的運(yùn)動(dòng)許可的速度場，因此，組合式滑動(dòng)面上的邊坡體只能是剛體的組合或剛體與變形體的組合。剛體與剛體之間存在速度間斷，即存在相對速度。組合式滑動(dòng)面的滑動(dòng)，除了滑動(dòng)面上有功率以外，剛體之間和變形體內(nèi)部也存在功率。

2.2 基于有限元應(yīng)力的虛功率法計(jì)算公式

以圖2所示的折線組合滑動(dòng)面為例，ABCDEF滑動(dòng)面上部的滑動(dòng)體總的功率可以表示為式(1)：

(1)

其中：τ為滑動(dòng)面上的剪切力；σn為滑動(dòng)面上的法向正應(yīng)力；v為速度間斷面上的速度；φ為速度與間斷面之間的夾角，由于剪脹而引起，因而又稱之為剪脹角，不同部位的剪脹角可以不相同；Γ為所有速度間斷面的集合。設(shè)邊坡的滑動(dòng)安全系數(shù)為F，則：

圖2 折線組合式滑動(dòng)面與速度三角形

(2)

由此，可以得到給定滑動(dòng)剛體組合的邊坡安全系數(shù)的顯式表達(dá)式：

(3)

安全系數(shù)定義為總的滑動(dòng)剛體速度間斷面(剛體之間接觸面和底滑面)上的抗剪強(qiáng)度功率與總的剪應(yīng)力功率之比。

依據(jù)靜力平衡的應(yīng)力場和運(yùn)動(dòng)許可的剛體速度場，可以計(jì)算得到安全系數(shù)的一個(gè)上限值。

3 碎裂松動(dòng)巖體高邊坡防治技術(shù)

3.1 工程處理常用措施

根據(jù)碎裂松動(dòng)巖體邊坡的地質(zhì)特性、破壞模式，目前針對碎裂松動(dòng)巖體邊坡專門的處理技術(shù)研究不多，碎裂松動(dòng)巖體邊坡的處理技術(shù)較多的參考巖質(zhì)邊坡和土質(zhì)邊坡的處理技術(shù)。表1列出了常用的針對較為破碎的巖質(zhì)邊坡以及土質(zhì)邊坡的防治措施，這些措施都可以應(yīng)用于碎裂松動(dòng)巖體高邊坡防治工程。

表1 碎裂巖體邊坡常用防治措施

3.2 治理措施研究

綜合考慮碎裂松動(dòng)巖體邊坡地形地質(zhì)特點(diǎn)、碎裂松動(dòng)巖體物理力學(xué)特性和穩(wěn)定分析成果，邊坡治理主要包括：

(1) 邊坡整體穩(wěn)定處理。邊坡整體穩(wěn)定性采用開挖或加固措施處理至穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。

(2) 表層防護(hù)。防止表層破碎巖體掉塊、局部垮塌等，坡面表層進(jìn)行系統(tǒng)噴錨支護(hù)。

(3) 邊坡表層排泄水。

① 防止降雨過程中坡面徑流水流入碎裂松動(dòng)巖體范圍以內(nèi)，進(jìn)而滲入坡內(nèi)，對邊坡穩(wěn)定不利，在邊坡范圍以外設(shè)置截水溝，將水引至坡外；針對開挖后的人工邊坡采用掛網(wǎng)噴混凝土的方式防止后續(xù)風(fēng)化，同時(shí)防止外水入滲；針對外開挖的邊坡，采用混凝土將地表外露的較大裂隙封閉。

② 針對人工開挖的邊坡表層布置排水孔，加強(qiáng)邊坡排水，降低坡內(nèi)孔隙水壓力，提高邊坡穩(wěn)定性。

4 工程應(yīng)用分析

以某水電工程為依托，對碎裂松動(dòng)高邊坡進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析，并對邊坡進(jìn)行防護(hù)處理。

4.1 工程基本概況

邊坡開挖邊坡總高度約415 m，建基面高程2 592 m至壩頂2 907 m高程為臨時(shí)開挖邊坡，水平挖深15 m～60 m，高315 m；壩頂2 907 m～3 005 m高程為永久人工邊坡，最高約100 m，3 005 m高程以上為自然邊坡。其中防滲心墻部位開挖邊坡順河向?qū)挾仍?00 m左右。

4.1.1 左岸邊坡基本地質(zhì)條件

本區(qū)地形為斜坡地形，坡度在30°～70°之間，出露地層巖性主要為三疊系中統(tǒng)竹卡組(T2z)英安巖和花崗巖，強(qiáng)風(fēng)化帶基本上零星分布在2 860 m高程以上的斜坡地帶，弱風(fēng)化上帶水平深45 m～90 m居多，少數(shù)達(dá)140 m～188 m，弱風(fēng)化下帶多60 m～100 m以上，少數(shù)達(dá)到150 m以上。強(qiáng)卸荷2 650 m以下不明顯，2 650 m以上水平深20 m～150 m，弱卸荷深30 m～160 m不等。卸荷形式以陡傾張裂為主，但局部存在中緩傾角破裂現(xiàn)象，陡傾張裂普遍分布于左岸岸坡，而中緩傾角破裂目前僅在PDZ07平硐一帶有所揭露。

4.1.2 左岸邊坡現(xiàn)狀破壞模式調(diào)查

現(xiàn)狀調(diào)查顯示，控制邊坡穩(wěn)定的主要是產(chǎn)狀N25°～50°W/SW∠24°～35°的緩傾角錯(cuò)動(dòng)帶，共5條，長度在100 m～300 m之間，未張開，結(jié)構(gòu)面充填物主要是巖塊、巖屑，結(jié)構(gòu)面厚度多在10 cm以下，其與陡傾角結(jié)構(gòu)面易構(gòu)成滑移拉裂變形，如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑移、拉裂破壞后的形態(tài)

4.2 碎裂巖體邊坡穩(wěn)定分析

文中對四處碎裂松動(dòng)巖體邊坡進(jìn)行安全系數(shù)計(jì)算，分別為：碎裂松動(dòng)巖體邊坡SL19、碎裂松動(dòng)巖體邊坡SL26、碎裂松動(dòng)巖體邊坡SL22、碎裂松動(dòng)巖體邊坡SL20。四處碎裂松動(dòng)巖體邊坡平面布置圖見圖4。

4.2.1 四處碎裂松動(dòng)巖體邊坡基本概況

(1) 碎裂松動(dòng)巖體邊坡SL19。碎裂松動(dòng)巖體邊坡SL19位于左岸壩肩邊坡，分布在2 920 m～3 095 m高程，分布面積約2萬m2，分布區(qū)自然坡角35°，頂部可見緩坡平臺分布，推測厚度3 m，碎裂松動(dòng)巖體方量6萬m3。表層風(fēng)化碎裂為塊石或巨石，巖塊塊徑多0.3 m～1.5 m，呈散體裝，厚約3 m，表現(xiàn)為松動(dòng)變形，及向兩側(cè)的局部滑塌，碎裂松動(dòng)巖體目前整體基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(2) 碎裂松動(dòng)巖體邊坡SL26。碎裂松動(dòng)巖體邊坡SL26位于右岸上游壩腳上部，分布在2 760 m～3 100 m高程，分布面積約5.5萬m2，分布區(qū)自然坡角40°～65°，頂部可見緩坡平臺分布，推測厚度5 m～25 m，碎裂松動(dòng)巖體方量74.3萬m3。整體表現(xiàn)為沿山脊風(fēng)化碎裂狀態(tài)，普遍為松散碎塊石，夾少量粉砂土，陡坎及局部突出部位為大塊石(1 m～2 m)，少量為巨石，推測總體厚度5 m～15 m。碎裂松動(dòng)巖體目前整體基本穩(wěn)定。

(3) 碎裂松動(dòng)巖體邊坡SL22。SL22位于右岸壩肩邊坡，分布在2 835 m～3 150 m高程，分布面積約1.82萬m2，分布區(qū)自然坡角40°，呈長條形分布，推測厚度10 m～15 m不等，碎裂松動(dòng)巖體方量19.2萬m3。整體表現(xiàn)為沿山脊風(fēng)化碎裂，上部及下部表層風(fēng)化碎裂嚴(yán)重，巖體已呈現(xiàn)散體狀，塊徑以0.1 m～1.0 m為主，其下部及中間部位巖體松動(dòng)卸荷明顯，低高程見有輕微傾倒變形。碎裂松動(dòng)巖體目前整體基本穩(wěn)定。

圖4 平面布置圖

(4) 碎裂松動(dòng)巖體邊坡SL20。SL20位于右岸壩肩邊坡，分布在2 895 m～3 035 m高程，分布面積約1.32萬m2，分布區(qū)自然坡角30°～45°，推測厚度5 m～10 m不等，碎裂松動(dòng)巖體方量6.6萬m3。整體表現(xiàn)為上部5 m～10 m松動(dòng)碎裂，略有變形，表層局部風(fēng)化碎裂成散體結(jié)構(gòu)，巖塊塊徑以10 cm～50 cm為主，局部分布大塊石，塊徑1 m～2 m，推測散體狀堆積10 m左右。下部為松動(dòng)變形，發(fā)育緩傾裂隙，易與松動(dòng)卸荷巖體形成不穩(wěn)定塊體。碎裂松動(dòng)巖體目前整體基本穩(wěn)定。

4.2.2 天然狀態(tài)邊坡穩(wěn)定分析

在持久工況、短暫工況、偶然工況三種工況下，本文分別采用剛體極限平衡法[16]和基于有限元應(yīng)力的虛功率法對四處巖體邊坡進(jìn)行邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

由表2可知，計(jì)算SL19碎裂區(qū)域剖面L5在三種工況下，兩種滑動(dòng)模式皆滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

計(jì)算SL26碎裂區(qū)域剖面R1由于坡度較陡，且碎裂松動(dòng)巖體厚度較大，在三種工況下，兩種滑動(dòng)模式皆不滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。內(nèi)部圓弧滑動(dòng)滑弧深度約20 m，沿底界滑動(dòng)時(shí)，單寬體積約6 364 m3。

計(jì)算SL22碎裂區(qū)域剖面R8時(shí)，采用基于有限元應(yīng)力的虛功率法計(jì)算所得天然狀態(tài)時(shí)穩(wěn)定安全系數(shù)1.381，偶然狀況時(shí)1.129，均大于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，無需加固處理。

計(jì)算SL20碎裂區(qū)域剖面R9時(shí)，采用基于有限元應(yīng)力的虛功率法計(jì)算所得天然狀態(tài)時(shí)穩(wěn)定安全系數(shù)1.222，偶然狀況時(shí)1.051，持久工況僅比設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)1.25小了2.2%；采用常規(guī)剛體極限平衡法計(jì)算所得持久工況1.454，短暫工況1.449，偶然工況1.367，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的1.25、1.15和1.05；綜合兩種計(jì)算方法計(jì)算結(jié)果，該碎裂松動(dòng)巖體邊坡穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求，無需加固處理。

4.3 碎裂松動(dòng)巖體邊整體穩(wěn)定處理措施

穩(wěn)定分析表明，碎裂松動(dòng)巖體邊坡僅強(qiáng)變形區(qū)(A區(qū))穩(wěn)定性不滿足要求，如圖5所示，故僅針對強(qiáng)變形區(qū)進(jìn)行治理研究。

圖5 典型碎裂松動(dòng)巖體邊坡最危險(xiǎn)滑面示意圖

綜合安全可靠、施工技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理和環(huán)境友好四個(gè)方面，針對碎裂松動(dòng)巖體邊坡特性推薦采用削坡開挖、噴錨支護(hù)、柔性防護(hù)網(wǎng)防護(hù)[17]以及坡面截排水相結(jié)合的處理措施，穩(wěn)定分析及治理流程如圖6所示。該方法使用在西部高原地區(qū)某水電工程中進(jìn)行應(yīng)用，有效的解決了邊坡失穩(wěn)問題。

圖6 碎裂松動(dòng)巖體邊坡治理路線圖

5 結(jié) 論

(1) 采用本文分析方法解決了有限元計(jì)算中復(fù)雜組合滑動(dòng)模式情況下的不良地質(zhì)體穩(wěn)定分析問題，發(fā)展了有限元應(yīng)力用于滑動(dòng)穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算的理論，豐富了邊坡工程安全評價(jià)手段，定量評價(jià)了邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)及應(yīng)力變形狀態(tài)。

(2) 以典型碎裂松動(dòng)巖體邊坡為例，提出了“分區(qū)處理，多種措施相結(jié)合”的治理思路。在西部高原地區(qū)某水電工程中應(yīng)用效果顯著，具有施工難度小，成本低后期不存在預(yù)應(yīng)力松弛損失的風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

(3) 以典型碎裂松動(dòng)巖體邊坡為例，研究了碎裂松動(dòng)巖體邊坡處理措施，提出了“分區(qū)處理,多種措施相結(jié)合”的治理思路。其中多種處理措施為削坡開挖、表層主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)防護(hù)、開挖邊坡噴錨支護(hù)和截排水相結(jié)合的治理措施。