邊坡開挖對楔型巖塊穩(wěn)定性的影響

秦邦民， 唐 波， 張莉萍， 許寶田

(1.南京市水利規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司， 江蘇 南京 210022； 2.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 南京 210046)

根據(jù)南京城市防洪規(guī)劃，南京主城防洪標準為200年一遇，由于城市發(fā)展需要，大量跨河建筑物的興建，加上城市主要泄洪河道存在局部縮窄現(xiàn)象，目前城市河道行洪能力不足。為保障南京城市防洪安全，擬在城東地區(qū)新開一條河道(秦淮東河)，分秦淮河上游來水，經(jīng)七鄉(xiāng)河、九鄉(xiāng)河入長江。秦淮東河新開河道在江寧區(qū)銅家山段形成的人工邊坡長300m，最大高度接近70m。邊坡等級為Ⅰ級。故該段邊坡的穩(wěn)定問題是河道工程的關(guān)鍵技術(shù)問題[1-2]。本文從銅家山基本地質(zhì)條件出發(fā)，研究楔型體成因，利用離散元模擬坡形、結(jié)構(gòu)面，以及開挖過程，對楔型滑動條件下的結(jié)構(gòu)體變形發(fā)展趨勢和穩(wěn)定性問題進行相關(guān)探討。

巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評價是進行加固設(shè)計方案確定的前提。掌握邊坡的可能失穩(wěn)模式將有助于進行穩(wěn)定計算時選擇合適的計算方法，同時也可與穩(wěn)定性計算得到的失穩(wěn)模式相互印證。巖質(zhì)邊坡可能的失穩(wěn)模式通常根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)分為平面型、楔型、傾倒(崩塌)型和圓弧型(碎裂結(jié)構(gòu))[3]。基于赤平投影法、極限平衡穩(wěn)定性計算結(jié)果，南京秦淮東河工程銅家山邊坡開挖后形成規(guī)模較大的楔型體，其穩(wěn)定性對邊坡未來安全運行造成隱患。在開挖設(shè)計中必須對其變形和穩(wěn)定性做出正確的評價。實踐表明，考慮變形本構(gòu)關(guān)系的離散元法(UDEC)對解釋塊體的變形機制，分析多組結(jié)構(gòu)面組合條件下形成不同形狀結(jié)構(gòu)體的變形和穩(wěn)定性問題效果良好[3-5]。

1 工程地質(zhì)條件

銅家山邊坡地處南京市江寧區(qū)麒麟智慧園東、銅家山山體北側(cè)，東側(cè)緊靠繞越高速，該段以低山丘陵、崗地地貌為主，地勢起伏較大，中間高、兩端低(東、西側(cè))。中部銅家山-塔山為低山丘陵區(qū)，呈北東向展布，地勢起伏明顯，地面標高10.0～79.4 m(吳淞，下同)。山體外圍地貌類型以崗地為主，地勢起伏較緩，在山體西側(cè)表現(xiàn)為東高、西低，山體東側(cè)為西高、東低，兩側(cè)地面標高1 232 m，為第四系覆蓋區(qū)。為滿足秦淮東河河道泄洪需要，同時受鄰近建(構(gòu))筑物條件限制，需要對山體北側(cè)進行開挖，河道開挖形成高邊坡，最大絕對高差超過70 m，開挖邊坡長度約300 m。

勘察揭示，該段邊坡內(nèi)三疊系黃馬青組(T2h)地層厚度超過1 000 m，為影響邊坡穩(wěn)定性最主要的巖體，巖性以紫紅色泥質(zhì)粉細砂巖為主，鐵質(zhì)、泥質(zhì)膠結(jié)，節(jié)理、裂隙發(fā)育，砂粒狀結(jié)構(gòu)，層狀、塊狀構(gòu)造，巖體中發(fā)育包括層面在內(nèi)的多組結(jié)構(gòu)面。銅家山邊坡中切割巖體形成楔型體的結(jié)構(gòu)面主要包括層面和節(jié)理面，露頭范圍內(nèi)未見有斷層。根據(jù)統(tǒng)計，優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面有以下4組：(1)層面，傾角28°～61°，傾向307°～335°；(2)節(jié)理組1，傾角72°～78°，傾向120°～133°；(3)節(jié)理組3，傾角48°～64°，傾向201°～212°(4)節(jié)理組4，傾角85°～90°，傾向65°～85°。銅家山邊坡地形地貌、地層及結(jié)構(gòu)面基本地質(zhì)特征如圖1，巖土基本物理力學(xué)性質(zhì)指標見表1。

表1 巖體物理、力學(xué)參數(shù)表

2 楔型塊體成因

2.1 邊坡開挖方案

根據(jù)秦淮東河工程規(guī)劃設(shè)計方案，銅家山段現(xiàn)有地表標高約10～80 m，開挖后河底標高為3.0 m，河岸以下放坡坡比為1∶2.5，在8.0 m標高處設(shè)置寬2.5 m平臺，在13m標高設(shè)置寬10.0 m平臺，作為未來防洪通道，在平臺以上分2～3級放坡，在坡面臺階高度處設(shè)置2.0 m寬減壓平臺，平臺上下坡比設(shè)計為1∶1。結(jié)合現(xiàn)在地形及工程地質(zhì)剖面，銅家山段河道開挖方案典型剖面如圖1所示。

圖1 銅家山邊坡工程地質(zhì)剖面示意圖

2.2 邊坡破壞模式

銅家山邊坡開挖的形態(tài)要素和巖體結(jié)構(gòu)、力學(xué)條件主要作如下考慮：(1)邊坡傾向NE45°，且根據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》(SL386—2007)，在邊坡的平均坡度滿足抗滑穩(wěn)定要求下，邊坡開挖臺階坡比為1∶1(45°)～1∶0.5(63°)；(2)巖體結(jié)構(gòu)：根據(jù)前述分析，含層面在內(nèi)共4組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面。

極射赤平投影法確定邊坡巖體沿結(jié)構(gòu)面可能發(fā)生的破壞模式的判定方法(圖2)，表明巖體有發(fā)生楔型塊體滑動的可能性。

圖2 邊坡破壞模式確定

圍成楔型體的結(jié)構(gòu)面組合為層面(傾向NW)和節(jié)理組J1(傾向SE)，層面傾角28°～61°，傾向307°～335°，節(jié)理(J1)傾角72°～78°，傾向120°～133°，兩組結(jié)構(gòu)面交線產(chǎn)狀受結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀變化影響，總體上傾向NE，傾角大約在30°～50°之間。在結(jié)構(gòu)面交線傾角一定的情況下，坡面傾角越大，楔型體體積也越大，穩(wěn)定性越差，下滑力越大。

滑體尺寸受坡角和坡高兩個因素控制：(1)當坡面傾角減小時，可能失穩(wěn)的結(jié)構(gòu)體尺寸減?。?2)邊坡高度越小，滑體體積越小，邊坡開挖后，設(shè)置的臺階越多、臺階寬度越大，滑體體積越小。當坡面傾角大于27°時，銅家山邊坡即可能發(fā)生楔型或傾倒型破壞。

3 離散元模擬

3.1 離散元(UDEC)軟件及特點

離散單元法(UDEC)興起于1971年，近50多年中已在巖土工程領(lǐng)域得到充分的發(fā)展與應(yīng)用。與其他軟件不同，UDEC更加注重巖體中的裂隙、節(jié)理等不連續(xù)結(jié)構(gòu)面對巖體工程的影響及邊坡的變形破壞過程[4-5]。

UDEC自身內(nèi)置多種變形體材料模型，如彈性模型、德魯克—普拉格塑性模型、庫倫—摩爾塑性模型等。節(jié)理模型包括：庫侖滑移模型、連續(xù)屈服模型、具有殘余強度庫侖滑移模型等。此外，UDEC還內(nèi)置節(jié)理自動生成器，更加細化了節(jié)理化模型的建立。故離散單元分析法主要用于模擬離散型介質(zhì)的數(shù)值模擬，能夠在反映巖塊之間的大位移的同時還可對其內(nèi)部變形、應(yīng)力進行計算分析，且不受巖體材料限制。大量工程實踐和研究成果表明，為了分析邊坡開挖后的變形和穩(wěn)定性發(fā)展趨勢，可采用塊體離散元法對其變形特征進行模擬[5]。

3.2 銅家山邊坡幾何模型

根據(jù)開挖前后山體幾何特征，建立相關(guān)幾何模型，模型長度400 m，寬度350 m，高度145 m，開挖臺階設(shè)置情況與前述邊坡開挖方案一致。

坐標軸設(shè)置：y軸正方向為正N，x軸正方向為正E，z方向為垂直方向。開挖臺階走向NW(315°)-SE，開挖后坡腳標高3.0 m，東側(cè)坡底標高約30 m(自然標高)，西側(cè)坡底標高約20 m，幾何模型如圖3。

圖3 銅家山邊坡楔型體結(jié)構(gòu)幾何模型

4 楔型結(jié)構(gòu)體開挖變形特征

基于上述離散元模型，模擬兩種情況下銅家山邊坡穩(wěn)定性計算：(1)結(jié)構(gòu)面切割圍成的塊體為剛體，結(jié)構(gòu)體發(fā)生的變形或破壞主要位于結(jié)構(gòu)面上，在模擬過程中塊體只發(fā)生位移或轉(zhuǎn)動，不發(fā)生形狀和體積的改變；(2)結(jié)構(gòu)體為可變形塊體，結(jié)構(gòu)面和塊體均可能發(fā)生變形或破壞。

4.1 剛性體結(jié)構(gòu)體變形特征

結(jié)合極射赤平投影分析，受節(jié)理幾何和坡面幾何的影響，結(jié)構(gòu)面切割形成的楔型體可分為以下兩種情況：(1)并排型楔型體，同一臺階高度范圍內(nèi)，相鄰結(jié)構(gòu)面形成的楔型體并排，并有相互嵌入情況，最上一級臺階內(nèi)楔型體為標準“四面體”，體積受地形和節(jié)理間距影響而變化；(2)連串型楔型體：結(jié)構(gòu)面切割形成的楔型體跨越至少2個(或多個)臺階，導(dǎo)致楔型體形狀為不規(guī)則四面體。

對剛性結(jié)構(gòu)體穩(wěn)定性進行分析時，輸入巖體重度，結(jié)構(gòu)面剛度和強度參數(shù)，對模型底部位移進行約束，模型東、西側(cè)和南、北側(cè)水平方向進行約束。在坡頂，上部兩個臺階上設(shè)置水平、垂直位移監(jiān)測點共3個。計算時只考慮巖體自重的影響，不考慮地震、地下水的影響，對開挖前巖體的自重應(yīng)力進行計算后，將開挖前巖體變形設(shè)為0，13m標高以上臺階坡角設(shè)為45°，采用強度折減法計算出邊坡楔型體穩(wěn)定性系數(shù)為4.08，楔型體穩(wěn)定，無破壞跡象。

在上述幾何模型中再加入J2(201°～212°∠48°～64°)節(jié)理組，力學(xué)參數(shù)取值與J1一致，計算得結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定性系數(shù)小于1.0，結(jié)構(gòu)體不穩(wěn)定。

通過對巖體應(yīng)力和變形進行計算，邊坡巖體變形結(jié)果見圖4，楔型體與兩側(cè)巖體之間發(fā)生明顯錯動，受J2節(jié)理組的影響，在J2節(jié)理兩側(cè)錯動不同步，且在J2結(jié)構(gòu)面上有較大的拉裂和拉伸位移。表明該組節(jié)理對結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定性影響大，滑動塊體形狀仍然為四面體形，滑動面還是位于層面和J1節(jié)理面，滑體的形狀和尺寸受結(jié)構(gòu)面切割和坡形影響。在坡體和坡面中間(接近邊坡最高處)變形最為明顯，形成并排型滑動塊體。

圖4 考慮3組結(jié)構(gòu)面的巖體變形

在邊坡中部沿切坡傾向上設(shè)置觀測剖面，計算3 000步后得該剖面上的位移等值線圖，見圖5，結(jié)合坡頂巖體沿結(jié)構(gòu)面破壞特征，不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體的滑動在坡面引起較大的變形，表明如不對坡面不穩(wěn)定塊體采取加固措施，則可能引起大范圍的巖體破壞，特別在結(jié)構(gòu)面位置處有位移值突變現(xiàn)象(位移等值線呈不規(guī)則形狀)。

圖5 邊坡巖體垂直位移等值線

考慮13 m平臺以上放坡坡角為60°時，仍采取上述計算步驟，根據(jù)計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在只考慮層面和節(jié)理組J1時，邊坡穩(wěn)定，如加入節(jié)理組J2時，邊坡不穩(wěn)定，楔型結(jié)構(gòu)體變形與破壞特征見圖6，滑動塊體的體積比45°放坡時大，計算同樣3 000步后，塊體變形量更大，沿J2節(jié)理組也發(fā)生較大的拉裂破壞。13 m標高以下坡面沒有楔型塊體滑動跡象，故河道開挖后邊坡的穩(wěn)定性問題主要集中在13 m平臺以上。

圖6 塊體變形(13 m標高平臺以上60°放坡)

4.2 彈塑性結(jié)構(gòu)變形特征

將巖塊視為可變形的彈塑性材料，對于一般的巖石力學(xué)問題如邊坡穩(wěn)定性和地下開挖，一般采用Mohr-Colum彈塑性模型。

采用四面體網(wǎng)格對塊體進行劃分，假設(shè)塊體力學(xué)性質(zhì)服從莫爾-庫倫強度準則，計算時輸入巖塊的抗剪強度、抗拉強度、體積模量和剪切模量，根據(jù)臺階設(shè)置，由上而下分4步(4級臺階)開挖，計算得不同開挖階段坡面位移變化，見圖7。第一級臺階開挖范圍較小，導(dǎo)致的坡面位移變化小，第二級臺階開挖導(dǎo)致的變形速率和變形量最大。與前面假設(shè)塊體為剛體相比，相應(yīng)位置巖體的位移量要增大10 cm以上。

圖7 坡面監(jiān)測點位移結(jié)果

在邊坡中部沿切坡傾向方向設(shè)置觀測剖面，計算3 000步后得該剖面上的位移等值線圖見圖8，最大位移位置在13 m標高平臺以上坡面，巖體的變形仍主要發(fā)生在結(jié)構(gòu)面附近，巖塊中也有明顯的變形。

圖8 中間剖面水平位移等值線

對13 m標高以上臺階按60°放坡考慮，計算得邊坡高度最大處橫切剖面上水平位移等值線，見圖9，坡面位移值比45°放坡時更大，沿J2結(jié)構(gòu)面有剪切錯動現(xiàn)象。

圖9 13 m標高以上臺階按60°放坡時水平位移

根據(jù)3維模型的破壞特征可以看出巖體的破壞包括：

(1)巖塊沿形成楔型體結(jié)構(gòu)面的錯動(巖層層面和J1節(jié)理組)，結(jié)構(gòu)面強度低于巖塊強度，結(jié)構(gòu)面組合條件下巖體首先沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生錯動；

(2)側(cè)向結(jié)構(gòu)面J2受拉力作用，加劇了巖體的破壞；

(3)變形塊體內(nèi)的完整巖塊的斷裂、崩塌，巖塊發(fā)生位移后，受力不均勻，發(fā)生彎曲折斷，巖塊進一步解體，發(fā)生崩塌；

(4)13 m平臺以下巖體沿層面的張裂，如巖塊抗變形能力差，大角度開挖后側(cè)向變形大，13 m標高以下雖然放坡很緩，受側(cè)向擠壓，巖體沿擠壓方向發(fā)生張裂。

5 結(jié)論與建議

(1)結(jié)構(gòu)面對巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性影響很大，尤其計算楔型體穩(wěn)定性時，開挖面和層面、節(jié)理面等結(jié)構(gòu)面的影響不容忽略。

(2)離散元(UDEC)能很好地模擬巖體結(jié)構(gòu)面的位移、變形以及應(yīng)力特征，可用于分析邊坡開挖變形和穩(wěn)定性發(fā)展趨勢。

(3)除開挖坡面外，影響銅家山高邊坡楔型巖塊穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面主要為層面和J1、J2節(jié)理面。。

(4)銅家山邊坡開挖后巖體變形邊界受結(jié)構(gòu)面控制，邊坡穩(wěn)定性受巖體結(jié)構(gòu)控制。在假設(shè)巖塊為可變形固體條件下，邊坡開挖后巖體側(cè)向位移比假設(shè)巖塊為剛體時大大增加，巖體發(fā)生變形后巖塊也可能發(fā)生破裂，加速了巖體的破壞，建議邊坡采取加固方案設(shè)計，從邊坡開挖對楔型巖塊變形特征和穩(wěn)定性影響綜合分析入手。