上硬下軟反傾邊坡開挖變形響應(yīng)的物理模擬

鄭 達(dá)，毛 峰，王沁沅，蘇 杭，李文龍

(地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室(成都理工大學(xué))，四川 成都 610059)

某水電站位于西藏玉曲河干流下游河段。水庫正常蓄水位2 815 m，總庫容10.5×106m3，電站總裝機量1 005.2 MW。其廠址邊坡為反傾“上硬下軟”型巖質(zhì)高邊坡，具有邊坡高陡、地應(yīng)力高和坡體結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點，由于邊坡開挖引起的卸荷、傾倒變形響應(yīng)十分復(fù)雜，嚴(yán)重制約水電站工程建設(shè)和運營安全。

目前對上硬下軟邊坡的研究主要集中在變形演化過程和失穩(wěn)模式，且多采用數(shù)值計算和理論分析[1-6]，鮮有此類邊坡開挖響應(yīng)的研究。吳勇進(jìn)等[7]采用數(shù)值模擬研究了“下軟上硬”型反傾邊坡的變形演化，提出其變形破壞模式為傾倒-拉裂轉(zhuǎn)為滑移-拉裂。Q.Zaruba[8]發(fā)現(xiàn)近水平軟弱基座型斜坡上部硬巖的拉裂破壞先發(fā)生于軟硬巖交界面。畢芬芬[9]運用多種方法對貴州關(guān)嶺大寨滑坡進(jìn)行了研究，提出了大寨滑坡的變形演化過程及失穩(wěn)模式。張倬元等[10]研究了傾坡內(nèi)軟弱基座斜坡陡崖，將其變形破壞分成卸荷回彈形成陡立裂縫、前緣塑流-拉裂變形和深部塑流-拉裂變形3個階段。鄭達(dá)等[11]以貴州開陽磷礦崩塌為研究對象，結(jié)合數(shù)值模擬手段，闡明在地下開采作用下“反傾上硬下軟”型斜坡變形破壞的發(fā)展過程。黃潤秋[12]對溪口滑坡進(jìn)行了分析，提出大型反傾巖質(zhì)高邊坡失穩(wěn)模式為 “擋墻潰決型”。

以往研究的上硬下軟邊坡基座巖體多為泥巖、頁巖，而本次研究邊坡下部板巖與上述軟弱基座巖性存在差異。且下部板巖變形以傾倒彎曲為主，不同于以往軟弱基座的壓縮，擠出變形。

上述研究成果和手段為邊坡開挖響應(yīng)的研究提供了重要的參考，但類似在開挖條件下反傾上硬下軟邊坡變形演化目前尚沒有較為合理有效的研究成果。因此本文以西藏某水電站廠址邊坡為研究對象，通過物理試驗的方法對反傾上硬下軟邊坡在開挖條件下的變形響應(yīng)展開研究。

1 工程地質(zhì)背景

1.1 邊坡地質(zhì)概況

本次研究的廠址邊坡位于西藏玉曲河右岸，山脊走向近北東向。邊坡坡高八百余米，地形坡度30°～50°，巖層傾向坡內(nèi)，基巖傾角70°～85°，坡表巖體發(fā)生傾倒，傾角24°～50°，為典型的反傾巖質(zhì)高邊坡。上部基巖為T3wp4結(jié)晶灰?guī)r、大理巖，下部基巖為T3wp3鈣質(zhì)板巖夾碳質(zhì)板巖；上部硬巖區(qū)發(fā)育有陡傾坡內(nèi)斷層與兩組裂隙(傾坡內(nèi)、傾坡外)，下部軟巖區(qū)主要發(fā)育陡傾坡外斷層和切層裂隙。邊坡典型地質(zhì)剖面圖如圖1所示。

圖1 廠址邊坡典型地質(zhì)剖面圖Fig.1 Typical geological profiles of slope after site

1.2 邊坡變形破壞特征及分區(qū)

邊坡在結(jié)構(gòu)上呈“上硬下軟”組合，在變形上顯現(xiàn)出復(fù)雜的特征，下部軟巖發(fā)育傾倒變形，上部硬巖發(fā)育卸荷變形。

1.2.1傾倒變形

傾倒變形主要發(fā)育于邊坡下部板巖區(qū)。河谷揭露的下部正常板巖呈薄層狀，陡傾坡內(nèi)(圖2a)，產(chǎn)狀為N22°E/NW∠74°。廠址區(qū)Ⅱ級階地揭露的近水平薄層板巖層面傾倒彎曲跡象明顯，產(chǎn)狀N29°E/NW∠18°(圖2b)，拉張裂縫發(fā)育，張開2～3 cm，個別填充巖屑，巖體呈碎裂狀。

1.2.2卸荷變形

廠址邊坡卸荷-拉張變形發(fā)育于高程2 600 m以上大理巖、灰?guī)r區(qū)的山脊部位，以3#～7#梁頂部及陡緩交界處最為發(fā)育。具體分為拉張型卸荷帶和剪切松弛型卸荷帶，如圖3所示。

圖2 下部板巖傾倒彎曲變形Fig.2 Toppling deformation of lower slab rock

圖3 上部硬巖坡表卸荷變形Fig.3 Unloading fissure of upper hard rock slope

1.2.3巖體工程地質(zhì)分區(qū)(類)

通過平硐手段對廠址邊坡坡內(nèi)變形現(xiàn)象及巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查，PD24平硐揭露，邊坡高程2 800 m附近大理巖與灰?guī)r發(fā)育卸荷拉張變形。硐深80 m處為強卸荷帶巖體質(zhì)量分界處，79.6 m前巖體較破碎，裂隙張開寬度約3～5 cm，79.6 m之后，除172 ～185 m發(fā)現(xiàn)卸荷帶外，其余部分巖體質(zhì)量良好。PD25平硐揭露，邊坡高程2 160 m附近薄層板巖發(fā)育傾倒變形。硐深0～22 m巖體發(fā)生極強烈傾倒折斷，巖層傾角21°～33°，層內(nèi)拉張量≥20 mm，呈散體-墜覆結(jié)構(gòu)；22～69 m巖體發(fā)生強烈傾倒，巖層傾角36°～43°，層內(nèi)拉張量5～24 mm，呈碎裂-拉張結(jié)構(gòu)；69 m之后，巖層傾角39°～64°，層內(nèi)拉張量2～5 mm，整體呈層狀結(jié)構(gòu)。

綜上，將整個研究區(qū)分為兩個區(qū)域：卸荷變形區(qū)(Ⅰ區(qū))和傾倒變形區(qū)(Ⅱ區(qū))。同時劃分Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)的卸荷及傾倒范圍，結(jié)果如下，PD24平硐0～79.6 m為強卸荷帶，79.6～185 m為弱卸荷帶；PD25平硐0～22 m為極強傾倒變形區(qū)(A區(qū))，22～69 m為強傾倒區(qū)(B區(qū))，69 m以后為弱傾倒區(qū)(C區(qū))(圖1)。

2 邊坡開挖變形響應(yīng)試驗研究

2.1 模型設(shè)計方案

2.1.1模型設(shè)計

試驗?zāi)Ｐ驮谶€原邊坡實際地質(zhì)狀況時作適當(dāng)簡化，將邊坡劃分為軟巖極強傾倒區(qū)(A)、軟巖強傾倒區(qū)(B)、軟巖弱傾倒區(qū)(C)及軟巖基巖區(qū)(D)、硬巖卸荷區(qū)(E)、硬巖未卸荷區(qū)(F)。對下部軟巖，設(shè)置正常巖體區(qū)(D)傾角為72°，各傾倒區(qū)(C、B、A)傾角分別為60°、45°和30°，通過改變巖板傾角、各區(qū)巖板強度及節(jié)理面發(fā)育規(guī)模來模擬下部軟巖的傾倒變形行為。對上部硬巖，僅設(shè)卸荷區(qū)與未卸荷區(qū)，且忽略大理巖與灰?guī)r巖性差異，選取較厚巖板模擬上部硬巖。另根據(jù)上部硬巖的卸荷情況設(shè)置3條卸荷裂隙(LX1、LX2、LX3)，其中LX1、LX2為中緩傾角裂隙，傾坡外，傾角45°，LX1布置于近巖性交界處，LX2布置于硬巖中部區(qū)域。LX3為陡傾角裂隙，傾坡外，傾角75°，布置于坡頂。概化后邊坡模型如圖4所示。

圖4 邊坡模型設(shè)計圖(單位：mm)Fig.4 Diagram showing the slope model design (mm)

模型設(shè)計時考慮位移邊界條件及初始條件。開挖為邊坡變形提供了有利臨空條件，坡表附近巖體向臨空面的彎曲變形不受約束，視為自由邊界；而變形末端巖層嵌固在圍巖中，變形及位移微乎其微，將坡體后緣及底部視為固定邊界。試驗?zāi)M自然條件下上硬下軟反傾邊坡開挖的變形響應(yīng)，初始條件設(shè)定為模擬自身重力，不施加應(yīng)力。

根據(jù)坡體結(jié)構(gòu)與變形特征在模型不同部位共設(shè)6個監(jiān)測點，1#、2#、3#監(jiān)測點分別布置于軟巖強傾倒區(qū) 、弱傾倒區(qū)與基巖區(qū)，4#監(jiān)測點布置于巖交界處中上部，5#、6#監(jiān)測點分別布置于硬巖卸荷區(qū)與硬巖未卸荷區(qū)。每個監(jiān)測點布置1只LY-350微型土壓力盒，平行層面安裝，受壓面朝向巖層面外法線方向，監(jiān)測傳感器上部壓力變化；1只ZYJ1-WBD-50B百分表式位移計監(jiān)測該點Y方向(垂直)位移變化。通過連接泰斯特TST3822E靜態(tài)應(yīng)變儀采集數(shù)據(jù)。

2.1.2相似條件

本次試驗以廠址邊坡為原型建立二維框架物理開挖模型，原型邊坡研究范圍約長900 m，高800 m，實驗裝置為鍍鋅剛結(jié)構(gòu)框架模型箱，長1.5 m，寬0.4 m，高1.3 m，綜合考慮后選取(幾何相似常數(shù))=650，根據(jù)本邊坡模擬范圍與幾何相似比確定模型尺寸，坡高1.23 m，坡長1.38 m。選取板巖、大理巖和灰?guī)r的(容重相似常數(shù))=1.1，根據(jù)地質(zhì)力學(xué)模型試驗應(yīng)滿足的相似判據(jù)[13]得(彈性模量相似常數(shù))=715，(抗拉強度相似常數(shù))=715，(黏聚力相似常數(shù))=715，(內(nèi)摩擦角相似常數(shù))=1。經(jīng)現(xiàn)場、室內(nèi)試驗和相似比，得到原型與模型物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

表1 邊坡原型和模型物理力學(xué)參數(shù)

注：上表中數(shù)值為原型/模型

2.1.3相似材料

相似材料選擇參考前人研究成果[14]，選用重晶石、石英砂、水泥、環(huán)氧樹脂、聚酰胺、酒精為巖石及層間黏結(jié)相似材料的基本原料。采用正交試驗方法[15]，通過15組試驗，最終確定各區(qū)巖體相似材料配比，如表2所示。

表2 模型材料配比

本次試驗為還原結(jié)構(gòu)面實際接觸情況，模擬試塊間及層面間黏結(jié)強度，選取內(nèi)聚力C及內(nèi)摩擦角φ作為相似指標(biāo)。層間黏結(jié)相似材料選取石英砂、水和石膏，各原料比例為3∶1∶2，通過多組摩擦試驗[16]，確定黏結(jié)強度配比。各層(帶)間黏結(jié)材料用量如表3所示。表3中，C為層面，LJQ為極強-強傾倒分界，LQ為強-弱傾倒分界，LR為弱傾倒-基巖分界，LX為卸荷裂隙。

表3 各層(帶)間黏結(jié)材料用量

2.2 開挖設(shè)計方案

開挖方案設(shè)計在保證廠房建設(shè)可利用空間基礎(chǔ)上，分3次開挖(圖5)。由于下部軟巖極強傾倒區(qū)巖體質(zhì)量極差，一級開挖優(yōu)先清除極強傾倒區(qū)巖體；二、三級開挖清除強傾倒、弱傾倒及部分正常巖體。考慮空間需求，一級開挖坡比為1∶0.48，高度150 mm，開挖線沿極強傾倒區(qū)底界；二、三級開挖坡比均為1∶1，高度175 mm，開挖線基本平行坡面線。在此基礎(chǔ)上，為研究“大開挖”對邊坡穩(wěn)定性影響，增加2條開挖線，坡比為1∶0.48，高度175 mm。

圖5 邊坡開挖方案設(shè)計(單位：mm)Fig.5 Design of slope excavation scheme (mm)

2.3 試驗過程及現(xiàn)象

邊坡歷經(jīng)5級開挖后的形態(tài)變化如圖6所示。第一級開挖歷時10 min，開挖區(qū)域為極強傾倒區(qū)上半部巖體和少量強傾倒區(qū)巖體，使用手持切割機沿極強傾倒區(qū)底界進(jìn)行開挖。一級開挖后，強傾倒區(qū)頂部巖體在開挖擾動下發(fā)生小幅度位移，層面略微張開(圖6a)。一級開挖2 h后進(jìn)行第二級開挖，歷時20 min，開挖區(qū)域為剩余極強傾倒區(qū)巖體及強傾倒區(qū)下部巖體。二級開挖后, 強傾倒底界以上巖體向下彎折變形，層間大幅張開，硬巖區(qū)形成約2 cm的張拉裂縫，強傾倒底界處形成約1 cm的剪切裂縫。硬巖區(qū)坡表巖體沿LX1發(fā)生小幅度滑移變形(圖6b)。

圖6 5級開挖后模型邊坡形態(tài)Fig.6 Shape of the model slope after five stage excavations

二級開挖4 h后進(jìn)行第三級開挖，歷時50 min，開挖區(qū)域為強傾倒區(qū)、弱傾倒區(qū)及部分正常巖體。三級開挖后，臨空面加大，前緣巖板不斷傾倒，后緣層間產(chǎn)生拉張現(xiàn)象；弱傾倒底邊界裂隙貫通，形成類似于鋸齒狀滑帶。硬巖區(qū)形成一長度約10 cm，貫穿四層巖板的裂隙LX4；上部硬巖沿LX1滑動，最終突破分界處，與下部強傾倒區(qū)巖體形成潛在的滑坡體(圖6c)。

三級開挖5 h后進(jìn)行第四級開挖，歷時10 min，開挖區(qū)域為小部分強傾倒區(qū)、弱傾倒區(qū)巖體。四級開挖后，強傾倒區(qū)中下部巖體沿強傾倒區(qū)底邊界滑出，剩余強傾倒區(qū)巖體與上部含LX1的硬質(zhì)巖區(qū)形成潛在大型危巖體。弱傾倒區(qū)巖體層間進(jìn)一步張開，形成斷續(xù)貫通的長大裂隙；坡體后緣出現(xiàn)鋸齒狀切層張拉裂隙(圖6d)。

四級開挖1 h后進(jìn)行第五級開挖，歷時20 min，開挖區(qū)域為小部分正常巖體，并清除前期垮塌掉落的巖體。五級開挖后，弱傾倒區(qū)巖體迅速失穩(wěn)，沿前期形成的滑動帶發(fā)生滑移，同時帶動上部強傾倒區(qū)巖體滑塌，坡體后緣LX1上部硬巖隨之滑落，邊坡發(fā)生大規(guī)模失穩(wěn)(圖6e)。

2.4 試驗現(xiàn)象分析

(1)開挖過程中邊坡變形破壞特征：可分成3個階段：(a)邊坡經(jīng)歷了一、二級開挖，下部軟巖向臨空方向加劇傾倒彎曲；(b)三級開挖后，軟巖變形由“傾倒彎曲”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皟A倒折斷”，上部硬巖沿LX1剪切，形成一貫通卸荷硬巖區(qū)的裂隙LX4；(c)四、五級開挖后，下部傾倒軟巖沿弱傾倒區(qū)底邊界滑移，同時上部卸荷硬巖剪斷巖性分界部位，折斷面貫通，邊坡產(chǎn)生大規(guī)模失穩(wěn)。

(2)2種開挖方案的對比：開挖少量極強、強傾倒巖體時，僅開挖面附近巖體發(fā)生變形，邊坡基本穩(wěn)定；開挖極強、強、弱、正常巖體，當(dāng)上部卸荷硬巖變形產(chǎn)生的剪切力突破了巖性分界處巖體的抗剪強度時，會導(dǎo)致下部傾倒巖體滑移與上部卸荷巖體剪斷的組合變形，邊坡失穩(wěn)。因此，此類邊坡在開挖時，應(yīng)避免坡腳傾倒巖體“大開挖”，為抑制下部軟巖的再次傾倒及上部硬巖的剪切變形，有效的安全措施為開挖面錨固與及中部巖性分界部位巖體置換。

2.5 試驗結(jié)果分析

2.5.1模型邊坡位移特征分析

以一、二、三級邊坡開挖為例(圖7)。邊坡一級開挖各監(jiān)測點位移曲線如圖7a所示。邊坡開挖初期1#～5#監(jiān)測點均存在位移突變，6#點處在硬巖未卸荷區(qū)，底部小開挖未對其造成明顯影響，位移變化不明顯；坡頂位置(5#點)及軟巖強傾倒區(qū)(1#)位移最大，分別達(dá)4.5 mm和3.5 mm，開挖改善了臨空條件，促使臨空面附近軟巖傾倒，進(jìn)而上部硬巖出現(xiàn)拉裂縫，產(chǎn)生較大位移；軟巖弱傾倒區(qū)(2#)、軟巖基巖區(qū)(3#)、巖性交界(4#)在開挖結(jié)束后基本保持穩(wěn)定，但由于上部坡體壓力使內(nèi)部裂隙逐漸閉合，仍產(chǎn)生較小位移。

圖7 一、二、三級開挖模型邊坡監(jiān)測點位移變化Fig.7 Displacement change of the monitoring point of the first, second and third stage excavation model slope

二級開挖各監(jiān)測點位移曲線如圖7b所示。此次開挖后，強傾倒區(qū)(1#)產(chǎn)生較大位移，二級開挖加大了臨空面，開挖面附近軟巖傾倒變形加劇，弱傾倒區(qū)(2#)、巖性交界(4#)和坡頂位置(5#)位移較小，曲線平緩，推測其變形仍為內(nèi)部裂隙閉合所致；強傾倒區(qū)(1#)位移曲線呈先緩后陡，開挖200 min后達(dá)32 mm，體現(xiàn)開挖剛結(jié)束時強傾倒區(qū)巖體為傾倒彎曲變形，接著突破帶間黏結(jié)材料抗剪強度，轉(zhuǎn)變?yōu)閮A倒折斷大變形。

邊坡三級開挖各監(jiān)測點位移曲線如圖7c所示。數(shù)據(jù)分析得出，2#～6#各點位移曲線均上升，說明在第三級開挖后邊坡各部位均發(fā)生明顯位移，其中強傾倒區(qū)(2#)變形最劇烈，位移達(dá)12 mm。位移曲線在20 min、150 min、250 min產(chǎn)生突變，說明邊坡發(fā)生大變形往往是瞬時或在短時間內(nèi)完成的，但前期變形或能量的積累是一個較長的過程。巖性分界(4#)與坡頂位置(5#)位移曲線走勢雖相似，變形量值也相近，但巖性分界(4#)位移突變總先于坡頂位置(5#)，說明在開挖坡腳條件下，變形從下部軟巖開始，并不是立即傳遞給上部硬巖，需先突破巖性分界處巖體，進(jìn)而將變形傳遞。軟巖基巖區(qū)(3#)和硬巖未卸荷區(qū)(6#)位移變化較小，體現(xiàn)本次開挖對正常巖體的影響很小，主要還是 已變形區(qū)域巖體的進(jìn)一步變形。強傾倒區(qū)(1#)位移計在開挖前已超過量程，因此其數(shù)據(jù)不再分析。

2.5.2模型邊坡壓力特征分析

試驗中各監(jiān)測點的巖體壓力數(shù)據(jù)如圖8所示。除1#、4#傳感器在第五次開挖后因超過量程和脫落產(chǎn)生明顯不正常數(shù)據(jù)外，其余時間都正常。

圖8 試驗過程中各監(jiān)測點壓力變化Fig.8 Pressure change of each monitoring point during the test

由圖8分析可得，各點的土壓力隨開挖的進(jìn)行(第一次至第四次)逐漸增大，說明坡體壓力隨邊坡變形破裂的發(fā)展而增加，且增加幅度基本能與開挖活動相呼應(yīng)。除一級開挖外，土壓力隨各級開挖呈現(xiàn)實時或延后的突變，這是由于邊坡變形前期需要積累較長時間能量。待開挖后模型靜置一段時間，土壓力曲線基本保持穩(wěn)定，體現(xiàn)邊坡在適應(yīng)新的應(yīng)力狀態(tài)后，會趨于暫態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)。

觀察土壓力量值分布，發(fā)現(xiàn)軟巖基巖區(qū)(3#)、巖性分界(4#)所受壓力最大，峰值約25 kPa，軟巖強傾倒區(qū)(1#)、軟巖弱傾倒區(qū)(2#)次之，約5 kPa左右，硬巖卸荷區(qū)(5#)、硬巖未卸荷區(qū)(6#)所受壓力最小，峰值約3 kPa，說明邊坡下部軟巖在開挖后，臨空條件較好，上部硬巖即發(fā)生卸荷，擠壓下部軟巖，上部硬巖所受壓力最小，下部臨空面周圍軟巖壓力稍大。軟巖基巖區(qū)由于高程低且水平深度大，受到巖體壓力偏大。

2.6 對比分析結(jié)論

對比分析試驗中位移與壓力數(shù)據(jù)，可以得到：

(1)一級開挖時，邊坡未發(fā)生大變形，說明清除極強傾倒區(qū)巖體對邊坡穩(wěn)定性影響較小；但后續(xù)開挖導(dǎo)致邊坡變形加劇并發(fā)展失穩(wěn)，說明開挖強傾倒區(qū)巖體會使下部軟巖強傾倒區(qū)迅速失穩(wěn)并促使上部卸荷硬巖剪切破壞。

(2)邊坡在發(fā)生大變形之前，處于暫態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)，會有較長時間的小變形和能量積累，而后產(chǎn)生瞬時大變形。

(3)隨開挖進(jìn)行，邊坡內(nèi)部變形發(fā)展，各部位壓力逐級增大；低高程且深度大的巖體所受壓力大。

2.7 討論

本試驗研究得出的開挖條件下反傾上硬下軟型邊坡的變形特征適用于相同或相似結(jié)構(gòu)的邊坡，對此類邊坡開挖也有參考價值。但模型設(shè)計存在不足：(1)采用層狀巖板模擬實際上多為塊狀構(gòu)造的大理巖；(2)傾倒分區(qū)界面設(shè)置過于理想，若界面起伏分布，變形破壞模式則可能產(chǎn)生差異。故如何更好地模擬巖土體性質(zhì)及傾倒界面的物理力學(xué)性質(zhì)，還原坡體結(jié)構(gòu)特征，還有待后續(xù)完善研究。

3 結(jié)論

(1)開挖條件下上硬下軟型邊坡變形破壞過程可分為3階段：下部軟巖傾倒彎曲加??；軟巖傾倒折斷，上部卸荷硬巖沿已有裂隙剪切；傾倒軟巖滑移，卸荷硬巖剪斷巖性分界部位，折斷面貫通。其破壞模式為下部軟巖傾倒-上部硬巖剪斷的組合滑移破壞。

(2)清除極強傾倒區(qū)巖體對邊坡穩(wěn)定性影響較小，但開挖強傾倒區(qū)巖體會使下部軟巖迅速失穩(wěn)并促使上部硬巖剪切破壞；邊坡的大變形在短時間內(nèi)完成，但前期變形或能量積累是一個較長的過程。坡體內(nèi)部壓力隨邊坡變形破裂的發(fā)展而增大；高程低、水平深度大的部位巖體壓力大。

(3)上硬下軟邊坡開挖時需避免對坡腳傾倒巖體“大開挖”施工。