韌性剪切帶和蝕變巖體對邊坡開挖穩(wěn)定性的影響

(1.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059； 2.成都市勘察測繪研究院，四川 成都 610081)

巖質(zhì)高邊坡的穩(wěn)定性分析是巖土工程中經(jīng)典的研究課題。在我國西南地區(qū)，地形地貌和地質(zhì)條件都非常復(fù)雜，常伴隨有邊坡高陡、坡型復(fù)雜、邊坡應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜、地應(yīng)力量級高等特點(diǎn)[1-2]。巖質(zhì)高邊坡的大規(guī)模開挖從力學(xué)本質(zhì)上講是一個(gè)卸荷過程[3]，卸荷后必然會引起邊坡內(nèi)部應(yīng)力的重分布，從而產(chǎn)生一系列復(fù)雜的巖石力學(xué)和邊坡穩(wěn)定性問題，在工程實(shí)踐和理論研究中都備受關(guān)注。國內(nèi)外專家對此類問題進(jìn)行了許多研究，研究方法多集中在工程地質(zhì)分析、數(shù)值模擬[4-8]、物理模擬試驗(yàn)[9-11]、監(jiān)測跟蹤[12-13]、灰色理論[14]等方面。這些研究方法經(jīng)過多年的不斷發(fā)展和完善，已為工程所用，但仍有一些不足之處：如物理和數(shù)值模擬多不能充分全面考慮到巖體的結(jié)構(gòu)特征及外界因素的影響[15]；監(jiān)測跟蹤多由于邊坡高度較小而達(dá)不到相應(yīng)的研究深度[16]，且往往局限于某一個(gè)時(shí)間段或邊坡的某一個(gè)部位[17]。

擬建的瀾滄江班達(dá)水電站天然高邊坡坡高達(dá)600 m，中壩址右岸壩肩邊坡開挖高度約為300 m，此外還發(fā)育有數(shù)條韌性剪切帶和強(qiáng)蝕變帶，使得邊坡的地質(zhì)條件更加復(fù)雜，邊坡開挖后剪切帶和蝕變帶會對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生怎樣的影響是值得研究的課題。本文結(jié)合邊坡的工程地質(zhì)條件，并充分考慮邊坡巖體的物理力學(xué)參數(shù)，利用FLAC3D對高邊坡進(jìn)行分級開挖，展現(xiàn)了邊坡開挖的變形破壞全過程，期望能為該水電站的工程建設(shè)提供指導(dǎo)性意見。

1 工程概況

班達(dá)水電站位于西藏昌都地區(qū)察雅縣境和左貢縣境內(nèi)，是瀾滄江上游水電規(guī)劃推薦7級開發(fā)方案中的第4級。本文研究區(qū)為中壩址的右岸岸坡，巖性主體為英安巖，岸坡自然地形坡度為30°～45°，水庫正常蓄水位3 054 m，河谷寬400～440 m。研究區(qū)主要發(fā)育有Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級裂隙結(jié)構(gòu)面，可分為3組：① N43°～69°W/SW∠60°～80°，連通率70%；② N22°～40°W/SW∠65°～80°，連通率60%；③ N35°～65°W/SW∠40°～55°，連通率60%。此外，在壩址區(qū)主要發(fā)育兩條韌性剪切帶和多條蝕變帶，且蝕變帶多分布于剪切帶內(nèi)。中壩址右岸工程地質(zhì)剖面見圖1。

圖1 中壩址右岸工程地質(zhì)剖面Fig.1 Engineering geological section map of theright bank of the middle dam site

2 韌性剪切帶和蝕變巖體發(fā)育特征

2.1 韌性剪切帶發(fā)育特征

壩址區(qū)內(nèi)共存在兩條韌性剪切帶(①、②)，由糜棱化英安巖組成，肉眼可直接辨別，呈條帶狀分布。剪切帶總體產(chǎn)狀為180°～210°∠60°～80°，寬50～130 m，其中韌性剪切帶①在壩軸線上游約200 m處分成兩條(①-1、①-2)，剪切帶內(nèi)巖體片理化、糜棱化現(xiàn)象明顯，如圖2所示。

韌性剪切帶為地殼深部構(gòu)造活動的產(chǎn)物，形成于高溫、高壓環(huán)境，在地殼活動擠壓力或剪切力的作用下產(chǎn)生韌性變形，形成糜棱巖及糜棱面理。剪切帶本不存在破裂面，但由于后期地殼升降運(yùn)動使剪切帶抬升至地表或近地表，使其遭受風(fēng)化和卸荷作用。最終剪切帶內(nèi)巖體性狀主要表現(xiàn)為：弱風(fēng)化及微風(fēng)化帶內(nèi)巖體，糜棱面理裂隙發(fā)育較少；強(qiáng)卸荷帶內(nèi)巖體糜棱面理裂隙較為發(fā)育，張開較明顯，巖體較為破碎，表現(xiàn)出明顯的黃白色破碎帶、片理化帶，且傾倒折斷現(xiàn)象明顯，如圖3所示。

2.2 蝕變巖體發(fā)育特征

蝕變巖體的發(fā)育與構(gòu)造帶有關(guān)，具有一定的規(guī)模，主要呈條帶狀分布，形成蝕變帶。壩址區(qū)主要發(fā)育有4條強(qiáng)蝕變帶(SB1,SB2,SB3,SB4)，分布于2 900～3 200 m高程段的韌性剪切帶中，延伸走向與韌性剪切帶近一致，如圖4所示。蝕變主要表現(xiàn)為剪切帶內(nèi)糜棱化英安巖的絹云母化和高嶺土化。

壩址區(qū)蝕變巖體發(fā)生了變形作用，在出露地表或近地表，受地表水和地下水的強(qiáng)烈影響，形成大量黏土類礦物，呈灰白色或淺黃色，局部呈褐黃色，強(qiáng)度較低，結(jié)構(gòu)松散，遇水易膨脹并發(fā)生崩解，手捏易碎，如圖5所示。

圖2 糜棱化英安巖面理特征Fig.2 The facial characteristics of mylonitic dacite

圖3 片理化英安巖傾倒折斷現(xiàn)象Fig.3 Phenomenon of toppling and breaking of schist andesite

圖4 韌性剪切帶內(nèi)發(fā)育的帶狀蝕變Fig.4 Zonal alteration in ductile shear zone

圖5 蝕變巖體遇水崩解特征Fig.5 Characteristics of water-induced disintegrationof altered rock mass

3 韌性剪切帶和蝕變巖體對高邊坡開挖穩(wěn)定性的影響

3.1 模型建立

三維有限差分程序FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continue)是一個(gè)仿真計(jì)算軟件，它采用顯示拉格朗日算法和“混合離散”分區(qū)技術(shù)，從而能夠準(zhǔn)確地模擬材料的塑性破壞。經(jīng)過多年的不斷發(fā)展和完善， FLAC3D能夠較好地模擬三維土體、巖體或其他材料的力學(xué)特性，尤其是達(dá)到屈服極限時(shí)的塑性流變特性，目前廣泛應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性評價(jià)、隧道工程、礦山工程等多個(gè)領(lǐng)域。

根據(jù)野外現(xiàn)場調(diào)查，結(jié)合室內(nèi)資料得到中壩址右岸邊坡的空間展布特征，由邊坡空間展布建立三維地質(zhì)模型，如圖6所示。模型最高高程為3 520 m，最低高程為2 800 m，順河流方向(X軸方向)長900 m，垂直于河流向(Y軸方向)寬900 m；兩條大規(guī)模韌性剪切帶貫穿整個(gè)模型，且其中發(fā)育多個(gè)蝕變帶，巖性較差。

圖6 中壩址右岸邊坡計(jì)算模型Fig.6 The calculation model of right bankslope of the middle dam site

3.2 參數(shù)選取及本構(gòu)模型

巖體參數(shù)的正確選取是邊坡穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵[18]。根據(jù)某研究院的試驗(yàn)結(jié)果及平硐調(diào)查的裂隙發(fā)育情況，參考GB50287-2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》，在對邊坡進(jìn)行卸荷分帶和巖體質(zhì)量分級基礎(chǔ)上，將抗剪參數(shù)以連通率折減來綜合確定各類巖體參數(shù)，具體如表1所示。

本文模型計(jì)算的本構(gòu)模型為莫爾-庫倫模型，其計(jì)算基礎(chǔ)為莫爾-庫倫破壞準(zhǔn)則，并將莫爾-庫倫強(qiáng)度線作為屈服線，其破壞準(zhǔn)則方程為[19]

(1)

式中,σ1為最大主應(yīng)力；σ3為最小主應(yīng)力；C為凝聚力；φ為內(nèi)摩擦角。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of rock mass

3.3 開挖模擬及檢測線的布置

開挖前先形成初始應(yīng)力場。鑒于該地區(qū)地應(yīng)力的復(fù)雜性，本文采用戴榮等[20]提出的快速應(yīng)力邊界法(S-B法)來形成初始應(yīng)力。該方法的思路是在初始應(yīng)力場的生成過程中，數(shù)值模型不設(shè)速度邊界條件，僅在模型表面根據(jù)地應(yīng)力場的分布情況施加應(yīng)力邊界條件并保持恒定，在模型邊界施加的應(yīng)力通過模型內(nèi)部單元節(jié)點(diǎn)向模型內(nèi)部傳播，使得表面的應(yīng)力分布向模型內(nèi)部擴(kuò)散，直至達(dá)到平衡。平衡后將所有節(jié)點(diǎn)的速度清零，再施加邊界條件，即固定模型前后左右邊界平面上所有節(jié)點(diǎn)的速度，模型表面為自由面，然后便進(jìn)行模型開挖。為接近于工程實(shí)際情況，邊坡采用三級開挖，并采用分級開挖的方式進(jìn)行，一級開挖底面高程為3 150 m，二級開挖底面高程3 020 m，三級開挖底面高程2 960 m。模型的開挖通過Delete命令刪除開挖體來完成，每級開挖后形成多個(gè)小臺階和一個(gè)開挖平臺。

為分析韌性剪切帶和蝕變巖體對開挖邊坡的應(yīng)力場影響，在壩肩邊坡剖面(A-A′剖面)沿三級開挖底面高程布置3條應(yīng)力監(jiān)測線，以監(jiān)測各級開挖穩(wěn)定后邊坡內(nèi)部和開挖平臺上應(yīng)力場的分布特征，監(jiān)測線布置見圖7。

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

本文計(jì)算采用三維地質(zhì)模型，為了說明邊坡內(nèi)部因開挖產(chǎn)生的應(yīng)力場變化和變形破壞過程，在三維模型計(jì)算完成之后，以壩肩邊坡剖面(A-A′剖面)為例對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，壩肩邊坡的開挖穩(wěn)定性也是水電站開挖建設(shè)中所研究的重點(diǎn)。

3.4.1應(yīng)力場分析

圖8為A-A′ 剖面3 150 m高程(一級開挖后平臺)監(jiān)測線上各單元最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力圖，圖8～10中負(fù)值代表壓應(yīng)力，正值代表拉應(yīng)力。從圖8中可以看出，該監(jiān)測線揭露了韌性剪切帶②和蝕變帶SB3，剪切帶和蝕變帶內(nèi)的應(yīng)力與周圍巖體不同，表現(xiàn)為應(yīng)力松弛，而在剪切帶和蝕變帶與周圍巖體的交界處呈應(yīng)力集中。在該開挖平臺上，一級開挖后韌性剪切帶和蝕變帶內(nèi)的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力相比于自然邊坡都有一定的降低， 其中最大主應(yīng)力下降了約0.5 MPa，最小主應(yīng)力下降了約0.3 MPa。而在二級和三級開挖后，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力雖也有所降低，但降低幅度相比于一級開挖來說較小。邊坡淺表部受開挖影響產(chǎn)生應(yīng)力釋放，影響范圍在開挖面下部向坡內(nèi)水平深度150 m內(nèi)，超出這一深度應(yīng)力逐漸恢復(fù)到原巖應(yīng)力狀態(tài)。

圖9為A-A′剖面3 020 m高程(二級開挖后平臺)監(jiān)測線上各單元最大和最小主應(yīng)力圖。從圖中可以看出：該監(jiān)測線揭露了剪切帶②、蝕變帶SB3和剪切帶①-2，此時(shí)埋深較大的剪切帶②和蝕變帶SB3內(nèi)應(yīng)力松弛現(xiàn)象更加顯著，而近地表的剪切帶①-2內(nèi)應(yīng)力松弛現(xiàn)象不明顯。一級開挖對剪切帶①-2內(nèi)的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的影響較小，二級開挖以后帶內(nèi)最大主應(yīng)力降低近于零，最小主應(yīng)力由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力，推測是因?yàn)槎夐_挖量較大而產(chǎn)生應(yīng)力釋放和卸荷回彈造成。在此監(jiān)測線上剪切帶②和蝕變帶SB3的埋深較大，因此開挖對帶內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的影響較小。

圖10為A-A′剖面2 960 m高程(三級開挖后平臺)監(jiān)測線上各單元最大和最小主應(yīng)力圖。從圖中可以看出：該監(jiān)測線揭露了剪切帶②、蝕變帶SB3和剪切帶①-1、①-2，隨著埋深的增加，剪切帶和蝕變帶內(nèi)的應(yīng)力松弛現(xiàn)象更明顯，且剪切帶和蝕變帶與周圍正常巖體部位的應(yīng)力集中現(xiàn)象也更加顯著。剪切帶①-2內(nèi)最小主應(yīng)力隨埋深的增加也重新轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，從而證明了二級開挖后在此帶的淺地表內(nèi)產(chǎn)生的拉應(yīng)力是由于開挖產(chǎn)生的卸荷回彈造成。

3.4.2塑性區(qū)分析

圖11(a)為自然邊坡A-A′剖面塑性區(qū)分布狀態(tài)圖。由圖可知，天然狀態(tài)下，邊坡主要表現(xiàn)為剪切變形破壞，集中分布于邊坡中上部強(qiáng)卸荷帶以及蝕變巖體中，并未貫通至前緣，表明邊坡在天然狀態(tài)下整體穩(wěn)定性較好，以局部變形破壞為主。強(qiáng)卸荷韌性剪切帶部分區(qū)域出現(xiàn)破壞區(qū)，變形破壞主要以“壓-剪破壞”為主，此外，蝕變帶分布區(qū)剪切破壞明顯，在接近地表處局部出現(xiàn)張拉破壞現(xiàn)象。

圖11(b)為A-A′剖面一級開挖的塑性區(qū)分布狀態(tài)圖。由圖可知，一級開挖后，揭露了韌性剪切帶②和蝕變帶SB3，坡體新產(chǎn)生的剪切破壞區(qū)域很少，無拉張破壞區(qū)域，因此一級開挖對邊坡整體穩(wěn)定無較大影響。

圖11(c)為A-A′剖面二級開挖的塑性區(qū)分布狀態(tài)圖。由圖可知，二級開挖后，坡體中上部沿強(qiáng)卸荷底界剪切破壞程度加大，且塑性變形區(qū)已經(jīng)在一級開挖平臺附近完全貫通，說明此時(shí)坡體極易從此處剪出失穩(wěn)。此外，二級開挖還揭露了韌性剪切帶①-2，在帶中接近開挖平臺部位出現(xiàn)了大量張拉破壞，這與應(yīng)力場分析的結(jié)果一致，上述應(yīng)力場分析中已經(jīng)證明這是由于二級開挖量較大，開挖后應(yīng)力釋放并產(chǎn)生明顯卸荷回彈造成。

圖8 A-A′剖面3150m高程(一級開挖后平臺)監(jiān)測線上各單元最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力Fig.8 Maximum and minimum principal stress diagram of each unit of A-A′ sectionon the monitoring line of 3150m elevation (after the first stage excavation platform)

圖9 A-A′剖面3020m高程(二級開挖后平臺)監(jiān)測線上各單元最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力Fig.9 Maximum and minimum principal stress diagram of each unit of A-A′ section onthe monitoring line of 3020m elevation (after the second stage excavation platform)

圖10 A-A′剖面2960m高程(三級開挖后平臺)監(jiān)測線上各單元最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力Fig.10 Maximum and minimum principal stress diagram of each unit of A-A′ sectionon the monitoring line of 2960m elevation (after the third stage excavation platform)

圖11(d)為A-A′剖面三級開挖的塑性區(qū)分布狀態(tài)圖。由圖可知，三級開挖后，中上部巖體破壞程度與二級開挖相比并未發(fā)生明顯變化，僅在各級開挖平臺附近出現(xiàn)新的剪切破壞，無新的張拉破壞產(chǎn)生，表明三級開挖對邊坡的整體穩(wěn)定影響不大。

3.5 邊坡開挖變形破壞機(jī)制

邊坡在天然狀態(tài)下會沿著強(qiáng)卸荷面發(fā)生剪切變形，在坡表可能也會發(fā)生局部崩落現(xiàn)象。此外，由于韌性剪切帶和強(qiáng)蝕變帶巖體質(zhì)軟，且傾向坡內(nèi)，在上部正常巖體的擠壓下易發(fā)生變形，從而使上部巖體的淺表層在重力作用下發(fā)生傾倒變形，但邊坡總體上能保持穩(wěn)定，不會發(fā)生整體失穩(wěn)破壞。一級開挖后，對邊坡整體來說是一個(gè)后緣減載的過程，一方面減小了坡體的自重，另一方面也削弱了傾倒變形的破壞趨勢，又一級開挖量較小，并未使控制性結(jié)構(gòu)面臨空，后緣無新的拉張或剪切破壞產(chǎn)生，因此一級開挖對邊坡整體來說反而有利。二級開挖后，開挖量較大，引起強(qiáng)烈的卸荷回彈，使坡表由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，產(chǎn)生張拉破壞，更重要的是開挖使控制性結(jié)構(gòu)面臨空，若不采取支護(hù)措施，邊坡極易從高高程的韌性剪切帶和蝕變帶出露地段剪出，發(fā)生整體失穩(wěn)破壞。

圖11 A-A′剖面各級開挖塑性區(qū)分布Fig.11 Plastic zone distribution of excavation at all levels of A-A′ section

4 結(jié) 論

(1) 韌性剪切帶和蝕變帶由于較周圍正常巖體質(zhì)軟，與正常巖體相比，其應(yīng)力呈現(xiàn)明顯的變化，主要表現(xiàn)為韌性剪切帶和蝕變帶內(nèi)巖體應(yīng)力松弛，且埋深越大，帶內(nèi)應(yīng)力松弛約顯著，韌性剪切帶和蝕變帶與正常巖體交界處有應(yīng)力集中，在邊坡開挖后，可作為坡體失穩(wěn)的控制條件。

(2) 本文采用FLAC3D模擬了邊坡在天然和三次開挖條件的穩(wěn)定性。邊坡在天然狀態(tài)下較穩(wěn)定，雖韌性剪切帶和蝕變帶的存在對坡體的應(yīng)力場有較大的影響，但受周圍正常巖體的限制，對自然邊坡的穩(wěn)定性不起控制性作用。一級開挖對邊坡整體來說是一個(gè)后緣減載過程，從某種角度來說有利于邊坡整體穩(wěn)定性；而二級開挖量較大，坡體卸荷回彈明顯，且開挖揭露了韌性剪切帶②、韌性剪切帶①-2以及蝕變帶SB3，破壞區(qū)域已經(jīng)在一級開挖平臺附近完全貫通，使坡體易從此處剪出發(fā)生整體失穩(wěn)，因此，一級開挖后，應(yīng)對此段巖體進(jìn)行強(qiáng)支護(hù)才能進(jìn)行二級開挖。本次研究成果可為工程設(shè)計(jì)和施工提供參考。