某水電站壩肩邊坡碎裂松動巖體發(fā)育特征及開挖變形響應分析

鄭 達，王 宇，姚 青，李文龍

(1.成都理工大學 地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室,成都 610059； 2.成都理工大學 環(huán)境與土木工程學院，成都 610059)

1 研究背景

擬建水電站位于西藏昌都境內(nèi)，該地區(qū)受青藏高原持續(xù)隆升和瀾滄江河谷快速下切的共同作用，致使壩址區(qū)邊坡高陡、巖體卸荷強烈。巖體在強烈的卸荷回彈之后，長期受高原凍融循環(huán)和風化剝蝕作用的影響，在壩址區(qū)形成大量的碎裂松動巖體(圖1)。此類巖體松動變形顯著、自身穩(wěn)定性差，勢必嚴重影響該水電站的建設。而在其建設過程中，壩肩邊坡碎裂松動巖體的發(fā)育特征及開挖變形響應，是本項目最為關心的工程地質(zhì)問題之一。因此，本文以左壩肩邊坡為例，對其碎裂松動巖體的發(fā)育特征和開挖變形響應展開研究。

圖1 壩址區(qū)碎裂松動巖體Fig.1 Cataclastic loose rock mass at the dam site

巖體具有碎裂結構時，通常被定義為碎裂巖體。這種定義雖然能很好地體現(xiàn)碎裂巖體的結構特征，但卻不能體現(xiàn)其變形特征，而巖體的變形特征對穩(wěn)定性又有著重要的影響，為此，提出碎裂松動巖體的概念。碎裂松動巖體是指巖體受間距5～50 cm、普遍張開的密集結構面強烈切割后，加之高原凍融和風化剝蝕的綜合影響，形成具有顯著卸荷松弛、松動變形的散體狀、碎裂狀或塊裂狀的一類巖體。

目前有關碎裂巖體已有較多研究，如李建榮[1]、趙偉華等[2]、朱瑋等[3]、Wang等[4]分別對碎裂巖體的成因機制、崩塌機理、破壞模式及穩(wěn)定性進行了深入的研究，但有關碎裂松動巖體的研究卻較少。已有研究中，鄒俊[5]和袁勇[6]均以某擬建水電站邊坡碎裂松動巖體為例，通過現(xiàn)場調(diào)查和數(shù)值模擬的方式，對其發(fā)育特征、變形破壞模式以及穩(wěn)定性進行了研究；黃鵬等[7-8]以現(xiàn)場踏勘、三維激光掃描以及無人機航拍相結合的方式，獲取了某水電站邊坡碎裂松動巖體的發(fā)育規(guī)模和變形破壞模式，并利用數(shù)值分析對其穩(wěn)定性進行了評價；茍曉峰等[9]在現(xiàn)場調(diào)查的基礎上，分析了碎裂松動巖體的成因機制，并采用UDEC(Universal Distinct Element Code)對其穩(wěn)定性進行了研究；瞿生軍[10]、藺冰[11]以及陳本龍[12]均在野外調(diào)查的基礎上，對碎裂松動巖體的變形破壞模式進行了歸納和總結，并采用數(shù)值模擬對其穩(wěn)定性和開挖響應進行了深入的分析。由此可見，目前對邊坡碎裂松動巖體的研究不僅較少，且在為數(shù)不多的已有研究中，又以其變形破壞模式和穩(wěn)定性分析的研究為主，而對其發(fā)育特征和開挖變形響應的研究相對較少，故開展關于邊坡碎裂松動巖體發(fā)育特征和開挖變形響應的研究十分必要。

本文在已有研究的基礎上，結合瀾滄江某擬建水電站左壩肩邊坡碎裂松動巖體實際情況，進行了現(xiàn)場調(diào)查和離散元UDEC的數(shù)值分析，揭示了該邊坡碎裂松動巖體發(fā)育特征和開挖變形響應。研究成果不僅對今后邊坡開挖具有指導意義，也可為此類問題的進一步研究提供參考。

2 工程地質(zhì)條件

研究區(qū)地處青藏高原東南部，區(qū)域地貌為羌塘—昌都面狀隆起區(qū)內(nèi)橫斷山北段的山原峽谷地帶，在新構造運動抬升和瀾滄江強烈下切的共同作用下，河谷狹窄，且基本呈“V”字型對稱，兩岸岸坡高陡。本文的研究對象左壩肩邊坡位于13#沖溝和15#沖溝之間(圖2)，該區(qū)域出露的地層主要為三疊系中統(tǒng)竹卡組(T2z)，巖性以灰白、淺灰色略帶肉紅色以及深灰略帶墨綠色的英安巖為主，局部為英安流紋巖和安山巖，且夾有多條陡傾狀的灰黑色輝綠(玢)巖巖脈(巖墻)和煌斑巖巖脈(巖墻)。地質(zhì)構造主要發(fā)育有3條小型斷層(f2，f3，f4)，整體產(chǎn)狀為N50°W/SW∠30°～32°。地下水的主要類型為賦存于松散堆積層中的孔隙水和賦存于基巖裂隙或構造破碎帶中的基巖裂隙水。邊坡整體平順，僅局部出現(xiàn)陡壁，自然坡度約40°～65°，岸坡走向約N18°～45°W，坡向約N17°E。如圖2所示，在13#沖溝和15#沖溝之間，因坡向轉變，加之13#和15#沖溝切割作用的影響，使得研究區(qū)地形為三面臨空的山脊，從而為邊坡河谷在快速下切過程中的卸荷作用提供了有利的地形條件。

圖3 PD7局部素描圖Fig.3 Local sketch of footrill PD7

坡表和坡內(nèi)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，左壩肩邊坡主要發(fā)育有3組優(yōu)勢結構面(J1，J2，J3)，產(chǎn)狀依次為N5°W/SW∠80°、N80°W/NE∠75°、N55°W/SW∠10°，其中J1和J2為陡傾結構面，常見間距10～50 cm，跡長以50～200 cm為主；J3為緩傾坡外結構面，間距一般為20～50 cm，跡長多為50～150 cm。

圖2 左壩肩邊坡工程地質(zhì)平面圖Fig.2 Engineering geological plane of left dam abutment slope

3 碎裂松動巖體發(fā)育特征

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查、無人機航拍以及三維激光掃描結果發(fā)現(xiàn)，壩址區(qū)碎裂松動巖體主要分布在兩岸高程為2 700～3 200 m、自然坡角為40°～65°的斜坡地帶，且基本沿坡表相鄰沖溝之間的山脊分布?；谏鲜龇植继卣鳎笾乱云卤戆l(fā)育的沖溝為界，將壩址區(qū)發(fā)育的碎裂松動巖體劃分為27個區(qū)域，各個區(qū)域的分布面積從幾千m2到十余萬m2不等，其中發(fā)育面積較大的區(qū)域之一為左壩肩邊坡。

通過對左壩肩邊坡坡表調(diào)查發(fā)現(xiàn)，巖體受強烈的卸荷回彈、風化剝蝕和高原凍融的綜合影響后，在2 790 m高程以上形成大量的碎裂松動巖體；其上下游發(fā)育邊界分別為15#沖溝和13#沖溝，高程范圍約2 790～3 140 m；順河流流向寬度約180 m，沿壩軸線方向寬度約550 m，面積約70 000 m2。為了揭示碎裂松動巖體在坡體內(nèi)部的發(fā)育特征，對壩軸線附近的平硐進行了地質(zhì)調(diào)查?，F(xiàn)以PD7的調(diào)查結果為例，如圖3所示，對其坡內(nèi)碎裂松動巖體發(fā)育特征進行分析。該平硐內(nèi)碎裂松動巖體的發(fā)育深度為35 m，其中0～10 m硐段內(nèi)，受極強烈的風化卸荷影響，巖體極為破碎，塊徑為5 ～30 cm，松散堆積于硐壁周圍，屬于散體結構，由硐內(nèi)木結構維持其穩(wěn)定性，近坡表處含有少量泥質(zhì)物。10～24 m硐段內(nèi)，風化卸荷強烈，各類節(jié)理裂隙十分發(fā)育，結構面間距一般<20 cm，張開及錯動顯著，張開寬度多為1～5 cm，局部張開20 cm，充填物多為巖屑；受各類結構面的強烈切割后，巖體破碎，塊徑10 ～30 cm，屬于碎裂結構。24～35 m硐段內(nèi)，卸荷強烈，但風化程度較弱，各類結構面發(fā)育，粗糙起伏，間距通常為10～30 cm，張開1～5 cm，以巖屑充填為主；巖體由各類結構面切割成棱角分明的塊體，屬于塊裂結構。上述分析表明，從坡表向坡內(nèi)，碎裂松動巖體的結構特征依次為極為破碎的散體結構、破碎的碎裂結構以及較完整的塊裂結構。形成這種發(fā)育特征的原因是，巖體受風化卸荷、凍融循環(huán)的影響程度隨著平硐深度的增加而逐漸減弱，表現(xiàn)為巖體的完整性逐漸變好，即從坡表往里碎裂松動巖體的結構特征依次為散體-碎裂-塊裂。

4 碎裂松動巖體劃分標準

左壩肩邊坡為項目建設的重要工程部位，在未來施工過程中必然要全部開挖該區(qū)域的碎裂松動巖體。因此，為了確定合理的開挖深度，在碎裂松動巖體發(fā)育特征研究成果的基礎上，對其劃分標準展開研究。在參考谷德振院士[13]從巖體結構的角度對碎裂巖體進行劃分的基礎上，考慮到研究區(qū)碎裂松動巖體的發(fā)育深度與巖體所受卸荷作用的強弱密切相關，提出從巖體結構和卸荷程度2方面對碎裂松動巖體建立劃分體系。

在用巖體結構建立劃分標準時，參考《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50287—2016)[14]對碎裂巖體的劃分標準，提出從碎裂松動巖體具有的巖體結構、結構面特征、結構體特征3方面建立劃分標準：①從巖體結構上講，碎裂松動巖體涵蓋散體-碎裂-塊裂三重巖體結構；②從結構面特征上講，在碎裂松動巖體中Ⅱ～Ⅴ級結構面均十分發(fā)育，組數(shù)不少于3組，間距多<50 cm，以10～30 cm為主，多平直粗糙，普遍張開1～5 cm，局部張開50 cm，以巖塊、巖屑充填為主，充填物密實度多為松散或中密，膠結程度差；③從結構體特征上講，碎裂松動巖體受各類節(jié)理裂隙強烈切割后，結構體形態(tài)多呈現(xiàn)為棱角分明的塊體狀，如長方體、菱形塊體以及多角形塊體，常見塊體直徑為5～50 cm，平均密度約2 550 kg/m3。

研究區(qū)邊坡卸荷極為強烈，為了更好地研究碎裂松動巖體發(fā)育深度與其卸荷程度之間的關系，提出在強卸荷帶中劃分極強卸荷帶。極強卸荷帶是指邊坡卸荷松弛十分強烈的區(qū)域，帶內(nèi)卸荷裂隙十分發(fā)育，貫通性良好。其劃分標準主要參考黃鵬[7]對極強卸荷帶提出的2種劃分方法，即：一種是以張開寬度>10 cm的破碎夾屑型卸荷裂隙為主；另一種是以延伸長度從幾米到數(shù)十米不等的卸荷巖體分布帶為主，帶內(nèi)巖體以散體結構為主。

通過對平硐內(nèi)碎裂松動巖體發(fā)育深度和極強卸荷帶深度(如圖4所示)的對比分析發(fā)現(xiàn)，二者具有較為顯著的對應關系，雖不是絕對的一一對應，但除個別平硐外，絕大多數(shù)平硐內(nèi)的碎裂松動巖體發(fā)育深度與其極強卸荷帶的發(fā)育深度是一致或接近的。因此，可將極強卸荷帶的發(fā)育深度作為碎裂松動巖體在卸荷上的劃分深度。

圖4 卸荷帶與碎裂松動巖體發(fā)育深度Fig.4 Histogram of the development depth of unloading zone and fractured rock mass

綜上，碎裂松動巖體的劃分方法為，平硐調(diào)查時，地質(zhì)工程師首先從巖體結構的角度對碎裂松動巖體進行劃分，獲得其巖體結構上的發(fā)育深度，然后劃分極強卸荷帶發(fā)育深度，并將其作為碎裂松動巖體在卸荷上的發(fā)育深度。由于采用上述方法得到的2個發(fā)育深度值在某些平硐內(nèi)的差異較大，若取較大值或較小值作為最終的發(fā)育深度，未來開挖碎裂松動巖體時，必然造成開挖費用增加或邊坡安全儲備不足。因此，最后取二者的平均值作為碎裂松動巖體的發(fā)育深度。

基于上述方法，并結合《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50287—2016)[14]對強、弱卸荷帶的劃分標準，得到左壩肩邊坡不同部位碎裂松動巖體、強卸荷帶以及弱卸荷帶的發(fā)育深度(圖5)。

圖5 左壩肩工程地質(zhì)剖面圖Fig.5 Geological engineering profile of left dam abutment

5 碎裂松動巖體邊坡開挖變形響應分析

為了驗證用碎裂松動巖體發(fā)育深度去指導左壩肩邊坡開挖的可行性，在上述劃分結果的基礎上，接下來采用UDEC沿邊坡碎裂松動巖體發(fā)育深度進行開挖模擬。通過對開挖碎裂松動巖體后邊坡的位移場、剪切變形以及塑性區(qū)的分析，對其可行性進行評價。

5.1 模型建立與參數(shù)選取

基于工程地質(zhì)剖面圖(圖5)，將邊坡計算模型概化為4個區(qū)：碎裂松動區(qū)、強卸荷區(qū)、弱卸荷區(qū)、未卸荷區(qū)。為了模擬碎裂松動巖體結構的不規(guī)則性，采用UDEC中的voronoi多邊形節(jié)理自動生成器生成上述4個區(qū)域內(nèi)的各類結構面，得到如圖6的邊坡計算模型。

圖6 邊坡計算模型Fig.6 Slope model for computation

模型邊界條件采用固定邊界約束，令模型底邊界在豎直方向(y方向)上的速度為0，即yvel=0，左右邊界在水平方向(x方向)上的速度為0，即xvel=0。模型中的巖體為彈塑性材料，屈服條件服從摩爾-庫倫(Mohr-Coulomb)準則，結構面服從庫倫滑動準則。

根據(jù)現(xiàn)場及室內(nèi)試驗，結合工程地質(zhì)類比經(jīng)驗，獲得了左壩肩邊坡巖體及結構面的物理力學參數(shù)，如表1所示。

表1 巖體及結構面物理力學參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass and structural plane

注:ρ，c，φ，K，G，Jkn，Jks分別代表密度、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、體積模量、剪切模量、法向剛度以及切向剛度。

5.2 邊坡開挖方案設計

根據(jù)前文分析，將左壩肩邊坡碎裂松動巖體的發(fā)育范圍作為開挖區(qū)，即開挖的高程范圍為2 800～3 140 m。此外，從剖面圖(圖5)可知，2 880 m高程以上巖體的卸荷程度明顯大于其下部巖體，表明2 880 m高程以上巖體質(zhì)量相對較差，故以2 880 m高程為界，將其上、下部邊坡開挖坡比設為1∶1.5(34°)和1∶1(45°)，且每開挖10 m設置一條寬2 m的馬道(圖7)。

圖7 邊坡開挖方案Fig.7 Slope excavation scheme

5.3 邊坡開挖變形響應分析

當邊坡在自然工況下計算至平衡時，根據(jù)上述開挖方案進行開挖，并將計算模型中的結構體和結構面的位移清零后再進行計算，從而獲得邊坡開挖碎裂松動巖體后的位移場特征、塑性區(qū)分布特征以及剪切變形特征。

5.3.1 位移場特征

如圖8(a)所示，邊坡水平方向上的整體位移為1 cm，變形最大的區(qū)域集中在高程2 890～3 035 m之間，變形深度為2～5 m，變形量為2～8 cm。該區(qū)域變形較大的原因在于，開挖面附近仍存在少量的碎裂松動巖體，其巖體質(zhì)量較差，在卸荷回彈作用下的變形相對較大。開挖面殘留的碎裂松動巖體的變形量雖然明顯大于附近巖體的變形量，但其最大值也僅為8 cm，且達到最大變形量(8 cm)的塊體極少，零星分布，加之現(xiàn)有坡度(34°)較緩，因此這些巖體在后期自重應力場的作用下，僅可能發(fā)生小規(guī)模的塊體失穩(wěn)。如圖8(b)所示，邊坡豎直方向上的整體變形較小，最大變形部位在高程2 895～3 000 m之間，變形深度為1～4 m，變形量為2～8 cm，以2 cm為主，個別塊體的變形量達到8 cm。

圖8 邊坡水平和豎直方向位移云圖Fig.8 Horizontal and vertical displacements of slope

圖9 邊坡位移矢量圖Fig.9 Displacement vectors of slope

從邊坡位移矢量圖(圖9)來看，開挖面附近巖體位移方向整體指向臨空面，表明巖體因開挖卸荷發(fā)生了回彈變形，卸荷回彈變形較大的區(qū)域主要集中在高程2 900～3 040 m之間，變形深度1～6 m，回彈變形值以1.5～6.0 cm為主，局部塊體達到8.5 cm。

5.3.2 塑性區(qū)特征

邊坡巖體受卸荷回彈產(chǎn)生的拉應力作用，在開挖面附近形成塑性變形區(qū)，如圖10(a)所示。為了更為直觀地反映邊坡的塑性變形區(qū)，將圖10(a)中發(fā)生塑性變形的塊體簡化為圖10(b)所示。由圖10(b)可知，邊坡塑性變形深度較大的部位在高程2 900～3 000 m之間，分析其原因是該范圍內(nèi)殘留的碎裂松動巖體相對較多，導致塑性變形深度較大。此外，邊坡塑性變形區(qū)雖然分布于整個開挖面附近，但并未完全貫通，且塑性變形的深度又僅以2～4 m為主，因此邊坡整體穩(wěn)定性較好，僅局部巖體可能發(fā)生小規(guī)模的失穩(wěn)破壞。

圖10 邊坡原始及簡化塑性變形Fig.10 Original and simplified plastic deformation of slope

5.3.3 剪切變形特征

如圖11所示，發(fā)生剪切變形的區(qū)域主要集中在開挖面附近殘留的碎裂松動巖體內(nèi)，高程范圍為2 860～3 070 m，剪切變形量為8.7 mm ～8.7 cm，變形深度為1～3 m。邊坡巖體的剪切滑移面主要沿已有結構面斷續(xù)發(fā)育，并未相互連接貫通，因此不會出現(xiàn)大規(guī)模的剪切滑移失穩(wěn)。但值得注意的是，位于高程2 920 m處的個別塊體，沿已有結構面的剪切滑移變形量已達到8.7 cm，在后期自重沿滑面向下的分力作用下，加之臨空條件良好，可能發(fā)生小規(guī)模的塊體失穩(wěn)，因此在坡體開挖后，應當防止2 860 m高程以上開挖面附近巖體發(fā)生小規(guī)模的塊體失穩(wěn)。

圖11 邊坡剪切變形Fig.11 Shear deformation of slope

綜上所述，開挖碎裂松動巖體后，邊坡整體穩(wěn)定性較好，僅在高程為2 860～3 000 m的部位可能出現(xiàn)小規(guī)模的塊體失穩(wěn)，說明用碎裂松動巖體的發(fā)育深度去指導邊坡開挖具有可操作性。

6 結 論

本文以瀾滄江某水電站左壩肩邊坡為研究對象，采用現(xiàn)場調(diào)查和數(shù)值模擬相結合的方式，對碎裂松動巖體的發(fā)育特征和開挖變形響應進行了研究，得到如下認識:

(1)從坡表向坡內(nèi)，隨著深度的增加，碎裂松動巖體的結構特征依次為散體結構、碎裂結構以及塊裂結構。

(2)關于碎裂松動巖體的劃分，首先應從巖體結構的角度出發(fā)，劃分出平硐內(nèi)具有散體-碎裂-塊裂結構的巖體，再結合結構面和結構體的發(fā)育特征，獲得其巖體結構上的發(fā)育深度；然后進行卸荷帶的劃分，并將極強卸荷帶深度作為其卸荷上的發(fā)育深度；最后取碎裂松動巖體在巖體結構和卸荷2個方面發(fā)育深度的平均值作為其最終的發(fā)育深度。

(3)通過UDEC模擬發(fā)現(xiàn)，開挖碎裂松動巖體后，邊坡整體穩(wěn)定性較好，說明劃分碎裂松動巖體能較好地為工程邊坡開挖提供參考，具有重要的工程經(jīng)濟價值。因此，對左壩肩邊坡開挖的建議方案為，沿碎裂松動巖體發(fā)育深度進行開挖，坡比設計以2 880 m高程為界，其上下部坡比分別為1∶1.5和1∶1；開挖后應重點關注位于高程為2 860～3 000 m開挖面附近的巖體，防止該部位發(fā)生小規(guī)模的塊體失穩(wěn)。