高陡順層邊坡開(kāi)挖動(dòng)態(tài)響應(yīng)及預(yù)警研究

陸高明　王哲鑫　劉伯全　王永明　任金明　胡小禹　周勇

摘要：為揭露大型高陡順層邊坡開(kāi)挖變形規(guī)律、提出實(shí)際施工動(dòng)態(tài)響應(yīng)方法，以楊房溝水電站石料場(chǎng)邊坡動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)為例，利用3DEC計(jì)算程序，結(jié)合邊坡開(kāi)挖變形監(jiān)測(cè)手段，對(duì)邊坡變形安全穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬動(dòng)態(tài)分析。結(jié)果表明：邊坡在3個(gè)階段的開(kāi)挖支護(hù)變形范圍模擬值為10～25 mm，與監(jiān)測(cè)結(jié)果相近。根據(jù)邊坡開(kāi)挖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及數(shù)值分析成果，建立了邊坡安全預(yù)警響應(yīng)機(jī)制。研究成果可為大型順層邊坡開(kāi)挖支護(hù)設(shè)計(jì)及施工提供參考。

關(guān)鍵詞：高陡邊坡； 順層節(jié)理； 動(dòng)態(tài)分析； 楊房溝水電站

中圖法分類號(hào)：TV221 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.04.012

文章編號(hào)：1006-0081（2024）04-0073-05

0 引 言

在大型巖質(zhì)邊坡開(kāi)挖施工區(qū)域內(nèi)，若出現(xiàn)順層節(jié)理為優(yōu)勢(shì)節(jié)理的地質(zhì)條件，其與組合偶發(fā)斷層組合形成的大型塊體會(huì)嚴(yán)重影響工程的安全建設(shè)和運(yùn)營(yíng)。Huang等［1］統(tǒng)計(jì)了中國(guó)近100個(gè)滑坡發(fā)現(xiàn)，順層邊坡滑坡占比為42%，反傾邊坡滑坡占比為33%，說(shuō)明工程實(shí)踐中遇到的大多數(shù)為順層邊坡。目前，對(duì)于順層邊坡的失穩(wěn)理論和機(jī)制研究已較為成熟［2-4］，包括用梁板彎曲理論、壓桿穩(wěn)定理論分析潰屈失穩(wěn)機(jī)制，用黏彈性理論分析直立邊坡穩(wěn)定等；也不乏對(duì)開(kāi)挖體型、風(fēng)化情況等因素與順層邊坡穩(wěn)定關(guān)系的研究［5-9］，提出了多個(gè)敏感性因素。對(duì)于順層邊坡的特點(diǎn)，不少學(xué)者進(jìn)行相關(guān)研究，如開(kāi)展地震波對(duì)順層邊坡破壞性的分析［10-11］。然而，各個(gè)工程在開(kāi)挖邊坡時(shí)均存在自身的特殊性，有各不相同的特點(diǎn)［12-14］，導(dǎo)致不同工程難以采用可靠的單一理論來(lái)指導(dǎo)實(shí)際開(kāi)挖支護(hù)。

楊房溝水電站石料場(chǎng)總體開(kāi)挖高度為257 m，由于其順層陡傾角發(fā)育，分析其安全穩(wěn)定性至關(guān)重要。本文結(jié)合楊房溝水電工程順層邊坡開(kāi)挖實(shí)踐，利用非連續(xù)數(shù)值計(jì)算及強(qiáng)度折減法，分析了邊坡動(dòng)態(tài)開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程的整體穩(wěn)定性，結(jié)合開(kāi)挖區(qū)內(nèi)斷層與優(yōu)勢(shì)順層節(jié)理形成的大型塊體，提出了工程邊坡實(shí)際變形預(yù)警響應(yīng)機(jī)制，為工程開(kāi)挖穩(wěn)定提供了有效安全保障。

1 分析方法

過(guò)去的多年研究中，非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法（離散元、DDA等）發(fā)展迅速，并隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在巖石工程分析中的應(yīng)用越來(lái)越普遍。其中，離散元3DEC程序具有分析復(fù)雜巖體結(jié)構(gòu)三維效應(yīng)和各向異性方面的優(yōu)勢(shì)［15］，其采用可測(cè)量的巖塊和結(jié)構(gòu)面參數(shù)，較真實(shí)地模擬復(fù)雜節(jié)理裂隙網(wǎng)絡(luò)（DFN），同時(shí)可獲得工程邊坡可能存在的破壞面和穩(wěn)定安全系數(shù)，以指導(dǎo)工程實(shí)踐。強(qiáng)度折減法雖在一定程度有待商榷，但實(shí)踐表明，其處理方式簡(jiǎn)單有效，可以有效揭示工程中的實(shí)際問(wèn)題。

本文采用離散元計(jì)算方法和強(qiáng)度折減法進(jìn)行分析［16-18］，通過(guò)對(duì)巖體和結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減，計(jì)算隨邊坡變形增加至出現(xiàn)失穩(wěn)征兆的臨界狀態(tài)，并根據(jù)臨界狀態(tài)的變形場(chǎng)分布或變形速率分布情況，判斷邊坡潛在失穩(wěn)模式，以達(dá)到評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性的目的。

2 數(shù)值模型及基本條件

楊房溝水電站石料場(chǎng)位于壩址上游左岸，距壩址約1.5 km，自然邊坡總體走向約N10°～15°E，坡度40°～50°。坡面起伏相對(duì)較小，岸坡較順直，沿江長(zhǎng)約600 m。順坡小斷層、節(jié)理發(fā)育，料場(chǎng)發(fā)育Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面13條，開(kāi)挖邊坡斷層走向以NNW、NNE、NE向?yàn)橹?，其中NNW、NNE向以中、緩傾角為主，NE向以順層陡傾角為主。斷層寬度一般0.5～4.0 cm，一般延伸長(zhǎng)度10～40 m，長(zhǎng)的可達(dá)70 m以上。

2.1 模型建立

楊房溝水電站料場(chǎng)邊坡開(kāi)挖數(shù)值計(jì)算模擬的數(shù)值計(jì)算模型范圍：600 m×800 m×600 m（x×y×z），模型底部高程為1 900 m。模型的坐標(biāo)系y軸為N-S向，坐標(biāo)系x軸為E-W向，z軸為鉛直向。根據(jù)邊坡由上至下分期梯段開(kāi)挖方案，確定了計(jì)算模型分序開(kāi)挖分析方案，對(duì)應(yīng)于數(shù)值模擬開(kāi)挖分析中的各典型開(kāi)挖步，每開(kāi)挖步的開(kāi)挖高差為20 m。

根據(jù)地質(zhì)資料和已開(kāi)挖揭露的地質(zhì)情況（表1～2），模型中主要考慮Ⅳ級(jí)及以上結(jié)構(gòu)面和部分優(yōu)勢(shì)節(jié)理等，以反映該部位后續(xù)開(kāi)挖卸荷變形特征以及在不同工程荷載下的潛在失穩(wěn)破壞特點(diǎn)，巖體結(jié)構(gòu)特征見(jiàn)圖1。采用Cable（錨桿）單元對(duì)主要支護(hù)系統(tǒng)加以模擬。

2.2 物理力學(xué)參數(shù)

巖體本構(gòu)模型采用摩爾-庫(kù)倫彈塑性本構(gòu)模型。該準(zhǔn)則是傳統(tǒng)Mohr-Coulomb剪切屈服準(zhǔn)則與拉伸屈服準(zhǔn)則相結(jié)合的復(fù)合屈服準(zhǔn)則。巖土工程數(shù)值分析中，對(duì)于不連續(xù)結(jié)構(gòu)面的模擬基本采用軟弱夾層（實(shí)體單元）和接觸分析（無(wú)厚度單元）兩種分析方法。兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，且存在“變形等效”的基本性質(zhì)，因此對(duì)變形計(jì)算結(jié)果的影響不大。其中將結(jié)構(gòu)面中考慮為無(wú)厚度節(jié)理單元方法反映的變形特征和破壞形態(tài)更為直觀，能夠較好地描述結(jié)構(gòu)面的張開(kāi)、壓縮、剪切滑移等基本現(xiàn)象。本文選用接觸面模型模擬結(jié)構(gòu)面，以摩爾-庫(kù)侖剪切強(qiáng)度準(zhǔn)則為破壞準(zhǔn)則。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 第一階段開(kāi)挖響應(yīng)分析

此梯段（2 330～2 250 m）邊坡開(kāi)挖對(duì)整個(gè)開(kāi)挖變形影響較小，邊坡變形增長(zhǎng)主要發(fā)生在開(kāi)挖部位，以向臨空面的卸荷回彈變形為主，未有規(guī)模偏大的確定性塊體揭露，開(kāi)挖面的累計(jì)變形3～5 mm，最大變形8 mm。從圖2可以看出，隨著高程2 250～2 270 m的開(kāi)挖，揭露了一系列的順坡，如中傾角結(jié)構(gòu)面（fj211、fj212、fj14等）后，邊坡變形表現(xiàn)出一定非連續(xù)變形特征。

邊坡受斷層fj1影響明顯，當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)為1.6時(shí)，可與該階段揭露的斷層fj212、fj211、fj24組合表現(xiàn)出明顯的潛在塊體變形特征。綜合判斷此開(kāi)挖階段邊坡整體安全系數(shù)在1.5以上。本階段屬于開(kāi)挖初期，未揭示大量控制性塊體，邊坡處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，但開(kāi)挖期間已取得大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)計(jì)算模型的修正起到了關(guān)鍵作用。

3.2 第二階段開(kāi)挖響應(yīng)分析

此階段（2 250～ 2 210 m）開(kāi)挖對(duì)整個(gè)邊坡影響較上一階段稍大，邊坡變形增長(zhǎng)主要發(fā)生在中下部，仍以卸荷回彈變形為主，累計(jì)變形5～12 mm。其中，受中傾角順坡結(jié)構(gòu)面（fj211、fj212、fj14、fj69、fj8等）逐步受開(kāi)挖面揭露的影響，局部開(kāi)挖卸荷變形增長(zhǎng)較為明顯，表現(xiàn)出一定的非連續(xù)變形特征，最大變形約18 mm，詳見(jiàn)圖3。

從邊坡強(qiáng)度折減后的變形特征來(lái)看，邊坡受長(zhǎng)大斷層fj1的影響最明顯。在順坡結(jié)構(gòu)面諸如fj211、fj212、fj14、fj69、fj8等影響下，邊坡易組合形成規(guī)模較大的不穩(wěn)定塊體，對(duì)fj1上盤巖體的穩(wěn)定性較為不利。綜合判斷此階段邊坡整體安全系數(shù)在1.4以上。

3.3 第三階段開(kāi)挖響應(yīng)分析

第3階段（2 210～2 095 m）的開(kāi)挖高度累計(jì)超過(guò)100 m，對(duì)整個(gè)石料場(chǎng)邊坡下游側(cè)的影響較大。此階段邊坡變形增長(zhǎng)主要發(fā)生在中下部，以卸荷回彈變形為主，開(kāi)挖累計(jì)變形量約10～20 mm，局部存在結(jié)構(gòu)面控制的非連續(xù)變形問(wèn)題。由于此階段開(kāi)挖均位于坡體靠右側(cè)，開(kāi)挖體與斷層fj1存在較明確的空間相對(duì)關(guān)系，在開(kāi)挖過(guò)程中，fj1上盤巖體會(huì)持續(xù)出現(xiàn)向右側(cè)方向的側(cè)向卸荷變形，若后續(xù)與結(jié)構(gòu)面fj69、fj64、fj24、fj23等形成一定規(guī)模的不利組合，該部位的開(kāi)挖變形問(wèn)題可能會(huì)較明顯，這需要在后續(xù)開(kāi)挖階段持續(xù)關(guān)注。fj1上盤巖體開(kāi)挖變形普遍增長(zhǎng)約5～12 mm，累計(jì)變形量約12～25 mm，詳見(jiàn)圖4。

石料場(chǎng)工程邊坡累計(jì)開(kāi)挖高度超過(guò)300 m，為典型高陡巖質(zhì)邊坡，在整個(gè)邊坡開(kāi)挖過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)揭示順坡向不利結(jié)構(gòu)面發(fā)育，加之受長(zhǎng)大斷層fj1等影響，先后形成了多個(gè)較大規(guī)模的潛在不穩(wěn)定組合塊體。

通過(guò)深入開(kāi)展動(dòng)態(tài)開(kāi)挖支護(hù)設(shè)計(jì)工作，合理調(diào)整和優(yōu)化開(kāi)挖體型及施工方案，對(duì)各潛在不利塊體采取了針對(duì)性支護(hù)措施，有效確保了施工安全和邊坡穩(wěn)定。結(jié)合部分揭示的地質(zhì)條件，綜合判斷該邊坡在開(kāi)挖支護(hù)完成后的整體安全系數(shù)在1.30以上。

4 安全預(yù)警制定

邊坡失穩(wěn)是變形不斷積累的結(jié)果，可以利用變形量大小和變化趨勢(shì)判斷邊坡的穩(wěn)定性。由于邊坡自身?xiàng)l件和潛在破壞方式的差異，現(xiàn)實(shí)中往往缺乏統(tǒng)一的變形判斷標(biāo)準(zhǔn)。就本工程邊坡而言，利用位移確定邊坡穩(wěn)定性時(shí)需考慮兩個(gè)方面的因素：數(shù)值大小和變化趨勢(shì)。其中，數(shù)值大小多指某個(gè)因素作用下（如假設(shè)巖體強(qiáng)度弱化、開(kāi)挖等）的變形增量。變形增量與邊坡穩(wěn)定性之間往往不存在確定性關(guān)系，因此，這一參數(shù)只能作為一個(gè)方面的參考。如果增量比較顯著、或者在相似條件下增量變化較大時(shí)，對(duì)邊坡穩(wěn)定性的指示意義更強(qiáng)。在本次分析中，通過(guò)多次試算對(duì)比，把20 mm以上的變形增量、增速增大作為潛在不穩(wěn)定的判斷依據(jù)之一，對(duì)本工程邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)具有一定的適用性。若監(jiān)測(cè)累計(jì)位移達(dá)到顯著量級(jí)水平、強(qiáng)度進(jìn)一步折減時(shí)變形出現(xiàn)加速變化，則認(rèn)為此時(shí)邊坡已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)破壞跡象，邊坡處于“穩(wěn)定”向“失穩(wěn)”過(guò)渡的臨界狀態(tài)；否則，可以認(rèn)為邊坡仍然可以保持相對(duì)穩(wěn)定。

根據(jù)本工程邊坡開(kāi)挖現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)布置情況和現(xiàn)有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合同類工程經(jīng)驗(yàn)和數(shù)值反饋分析成果，提出了邊坡后續(xù)開(kāi)挖的變形預(yù)警監(jiān)控指標(biāo)，為邊坡下一階段開(kāi)挖過(guò)程中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)警提供了變形增量和變形速率方面的參考指標(biāo)，可以為邊坡后續(xù)開(kāi)挖變形響應(yīng)和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供及時(shí)有效的預(yù)警作用，如表3～4所示。為方便工程現(xiàn)場(chǎng)人員快速辨識(shí)和可量化操作，變形監(jiān)控指標(biāo)的擬定主要對(duì)應(yīng)于典型工程監(jiān)測(cè)部位（圖5）。

5 結(jié) 論

（1） 本文對(duì)楊房溝水電站工程邊坡開(kāi)展開(kāi)挖動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，考慮了位移數(shù)值大小和變化趨勢(shì)兩個(gè)因素，結(jié)合實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提出了相應(yīng)預(yù)警方法。研究結(jié)果表明：變形數(shù)值增量速率較顯著、或在相似條件下增量變化較大時(shí)，對(duì)確定邊坡穩(wěn)定性的指導(dǎo)意義較大。

（2） 邊坡穩(wěn)定性一般通過(guò)變形監(jiān)測(cè)指標(biāo)判斷。獲得現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，建立安全預(yù)警機(jī)制通常有兩種基本方法。一種是直接根據(jù)變形監(jiān)測(cè)資料如變形發(fā)展趨勢(shì)、變形速率、絕對(duì)變形量等進(jìn)行分析。這一方法的優(yōu)點(diǎn)是直接利用了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在分析工作深度和質(zhì)量能得到保障的條件下，具有較高可靠度，其不足是預(yù)警性建立在實(shí)踐基礎(chǔ)上，對(duì)于早期問(wèn)題判斷和條件變化以后問(wèn)題的把握相對(duì)困難。本文采用另一預(yù)警方法，利用獲得的監(jiān)測(cè)資料和詳細(xì)地質(zhì)資料，借助數(shù)值模擬手段進(jìn)行大量的因素分析，建立邊坡變形的預(yù)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)比監(jiān)測(cè)資料不斷進(jìn)行修正，在獲得可靠預(yù)測(cè)結(jié)果基礎(chǔ)上，再建立預(yù)警判據(jù)和準(zhǔn)則，這樣的判據(jù)和準(zhǔn)則具有高度實(shí)用性。

（3） 本文利用大量計(jì)算和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)多次更新迭代形成預(yù)警機(jī)制的方法。該方法可隨時(shí)應(yīng)對(duì)實(shí)際變化情況，提前預(yù)警和指出潛在問(wèn)題原因，對(duì)于工程實(shí)踐具有指導(dǎo)意義。

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（編輯：高小雲(yún)）

Research on dynamic analysis and early warning of high and steep bedding slope

LU Gaoming1，WANG Zhexin2，LIU Boquan1，WANG Yongming1，REN Jinming1，HU Xiaoyu1，ZHOU Yong2

（1.Zhejiang Huadong Construction and Management Corporation Limited，Hangzhou 310030，China； 2.Huadong Engineering Corporation Limited，Hangzhou 311122，China）

Abstract： In order to reveal the regulation to large-scale high，steep and bedding engineering slopes excavation，and come up with a method for dynamic construction，taking the dynamic design of slope in the quarry of Yangfanggou Hydropower Station as an example，3DEC calculation program combined with the slope excavation deformation monitoring methods to conduct numerical simulation dynamic analysis on the safety and stability of slope deformation was used.The result showed that the simulated excavation support deformation range of the slope in three stages was 10～25 millimetre，which was similar with the monitoring value.According to the monitoring data for slope excavation and simulation results，a mechanism of early warning of slope excavation was built.The research result can provide a reference for the design and construction of excavation and support for large-scale bedding slope.

Key words： high and steep slope； bedding joint； dynamic analysis； Yangfanggou Hydropower Station

收稿日期：2023-11-02

作者簡(jiǎn)介：陸高明，男，工程師，碩士，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作。E-mail：849592075@qq.com