川西地區(qū)高陡邊坡變形機(jī)理及影響因素研究

吉力此且

（1.四川開放大學(xué)，四川 成都 610073；2.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）

0 引言

隨著現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，我國水利水電工程建設(shè)得到了快速發(fā)展，水利工程是保障農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中水利灌溉和水力發(fā)電的重要形式之一。然而在川西地區(qū)建設(shè)的眾多水利工程建設(shè)中普遍存在高陡邊坡治理問題，其治理效果直接決定工程施工及后期運(yùn)營的安全與穩(wěn)定。鑒于此，國內(nèi)外學(xué)者及工程技術(shù)人員對水利工程中的高陡邊坡變形破壞機(jī)理及影響因素開展了研究，并提出了一些高陡邊坡治理與加固防護(hù)的措施。如國外學(xué)者Donjadee S， Tingsanchali T 等人提出：水利工程建設(shè)中，引起坡面卸荷變化的條件不同，所以坡面產(chǎn)生的荷載條件也不同，因此應(yīng)根據(jù)多邊坡坡面變化的荷載條件形成機(jī)理，采取相應(yīng)的工程防護(hù)措施。國內(nèi)學(xué)者張建清等（2015）、吳潔等（2016）、楊沛霖（2017）等人按照類比分析法對整個(gè)工程施工中的高陡邊坡穩(wěn)定性因素分析，構(gòu)建了相應(yīng)的力學(xué)模型，提出基于相應(yīng)穩(wěn)定性因素的分析結(jié)果的高陡邊坡治理及防護(hù)措施。以上國內(nèi)外學(xué)者主要通過構(gòu)建力學(xué)模型進(jìn)行理論研究，其成果在地形地貌、水文及地質(zhì)極其復(fù)雜的川西地區(qū)水利工程高陡邊坡工程中的應(yīng)用難以保障施工及運(yùn)營期間高陡邊坡的安全，以及滿足其穩(wěn)定性的要求。因此該文以綿陽市平通河水利工程為例，通過理論研究與實(shí)踐驗(yàn)證相結(jié)合的方式，針對地形地貌、水文及地質(zhì)極其復(fù)雜的川西地區(qū)高陡邊坡建設(shè)工程對高陡邊坡變形破壞機(jī)理及影響因素進(jìn)行分析，以便提出科學(xué)合理的、可操作的防護(hù)及治理方案。

1 川西地區(qū)地形地貌及水文地質(zhì)

川西地區(qū)位于橫斷山脈東段，地勢處于青藏高原與四川盆地之間，第一臺階向第二臺階的過渡地帶。該地帶地形地貌變化明顯，有湍急河流，極高山峰，深切峽谷，低海拔冰川等；海拔高度僅次于青藏高原；高山與峽谷毗連，落差大；季節(jié)和晝夜溫差大，地質(zhì)環(huán)境典型，地表生態(tài)脆弱，從而使這一地區(qū)道路受泥石流沖擊路段較多、冰雪雨水侵蝕，路面損傷、塌方等時(shí)有發(fā)生。

該文研究對象綿陽市平通河水利工程高陡邊坡治理工程所處位置地層主要為（2-9-3）中密卵石、（2-9-2）稍密卵石和（2-9-4）密實(shí)卵石中，實(shí)測地下穩(wěn)定水位埋深為7.50m～8.00m。該巖石性質(zhì)對整體工程施工影響不大，從互補(bǔ)優(yōu)化的角度來講，該巖石屬性屬于堅(jiān)固性屬性，主要成為長久性石巖固體。

2 水利工程高陡邊坡破壞機(jī)理分析

2.1 卸荷條件下巖體演化機(jī)制

自然界的巖體主要承受三種力的作用，但邊坡工程巖體受力狀態(tài)有較大差異，在一定范圍之內(nèi)會(huì)導(dǎo)致巖體差異回彈變形，同時(shí)差異回彈變形是裂縫發(fā)育的部位及拉應(yīng)力的集中區(qū)。

通過物理實(shí)驗(yàn)分析，考慮到單裂縫和雙裂縫的影響因素以及主要控制因素的裂縫寬度、雙層裂隙之間的距離、裂隙的總體長度和傾角之間的組合。單裂隙巖體模型的卸荷擴(kuò)展方式主要為張拉貫通和拉剪貫通，初始卸荷階段裂隙的延展呈逐漸張拉破壞，到一定程度后破壞方式隨著傾角的變化而變化。一般陡傾角裂隙呈張拉破壞，中陡傾角裂隙呈剪切破壞。在裂縫和變形的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)單裂隙使傾斜的角度主要為30°、60°兩種，經(jīng)過反復(fù)的直剪試驗(yàn)，最終驗(yàn)證了拉剪力受力下裂隙沿著拉應(yīng)力的方向發(fā)展。雙裂隙拓展物理實(shí)驗(yàn)，能夠良好地展示出巖層被破壞的具體結(jié)構(gòu)和過程，卸荷下以拉剪破壞形式為主的巖層其受力以巖層拉剪力為主。據(jù)上述可知，剪切破壞一般在緩傾角和陡傾角組合模型中出現(xiàn)，而張拉破壞則一般在陡傾角模型中出現(xiàn)。

通過一系列的研究發(fā)現(xiàn)，裂隙發(fā)育空間有一定的規(guī)則，具體如下：1）裂縫發(fā)育方向受到了巖性的影響：柔軟的巖和堅(jiān)硬的巖密度和結(jié)構(gòu)有所差異，前者容易變形后者不易變形。軟巖一般通過釋放坡體應(yīng)變能來實(shí)現(xiàn)變形，硬巖則通過破裂形式實(shí)現(xiàn)變形。2）裂縫發(fā)育強(qiáng)度、速度與地形地勢的變化有關(guān)聯(lián)。3）裂縫深度受河谷“卸荷基準(zhǔn)線”的影響。

河谷快速侵蝕，會(huì)導(dǎo)致邊坡額承受力發(fā)生改變，并使坡體發(fā)生卸荷回彈，其主要受力的點(diǎn)出現(xiàn)在較脆弱之處。因卸荷產(chǎn)生的力不夠均勻，導(dǎo)致原本的結(jié)構(gòu)面發(fā)生拉長，最終形成了張裂。上游河流的沖擊導(dǎo)致的小范圍地貌變化使山梁部位的卸荷發(fā)育較強(qiáng)，而底部發(fā)育則較弱。

2.2 破壞模式分析

當(dāng)?shù)氐貐^(qū)的地質(zhì)地貌較為復(fù)雜，同時(shí)地下運(yùn)動(dòng)頻繁，巖質(zhì)高陡邊坡出現(xiàn)破壞的情況多樣化。該研究收集了1980 年以來重大工程的建設(shè)數(shù)據(jù)，基于此，提出了一系列的高陡邊坡變形破壞的模型，主要有滑移—拉裂、滑移—壓力導(dǎo)致拉裂、滑移—彎曲、彎曲—拉裂等，如圖1～圖4 所示。

圖1 邊緣滑坡—拉裂失穩(wěn)模型

圖2 邊坡滑移—壓致拉裂夫失去穩(wěn)定模式

圖4 邊坡彎曲—拉裂失去穩(wěn)定圖

這種模式常常表現(xiàn)為巖體順著坡體結(jié)構(gòu)發(fā)生濡滑，后緣出現(xiàn)向著深部發(fā)展的拉裂。

這類失去穩(wěn)定性的模式通常主要發(fā)育在巖層中，表現(xiàn)為沿著巖體中柔弱的一側(cè)滑移，在滑移的一面因?yàn)閴毫^于集中而產(chǎn)生裂隙。

這種模式主要出現(xiàn)在層狀巖體，主要的表現(xiàn)為巖體有一定的彎曲，在彎曲的部位容易出現(xiàn)層間拉裂的問題，且最終將會(huì)壓碎或者被破壞。

圖3 邊坡滑移—彎曲失穩(wěn)模式

這類失去穩(wěn)定的模式是較為常見的薄層狀巖體，層狀的懸臂梁發(fā)生了一定程度的彎曲并且伴有拉裂出現(xiàn)。隨著時(shí)間的推移，將會(huì)發(fā)生進(jìn)一步的變形，在一些彎度較大的地方不斷地出現(xiàn)拉裂，使垂直的層面向外傾斜。

2.3 水利工程高陡邊坡破壞機(jī)理數(shù)值模擬分析

數(shù)值模擬計(jì)算方法廣泛應(yīng)用于各類工程建設(shè)及研究中，該例中應(yīng)用有限元軟件對水利工程高陡邊坡破壞機(jī)理進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，應(yīng)用數(shù)值模擬軟件可以更立體地體現(xiàn)高陡邊坡破壞形成與發(fā)展的過程，對高陡邊坡工程施工起到重要的作用。該文采用有限元法對綿陽市平通河水利工程的相關(guān)數(shù)值進(jìn)行了分析，采用有限元法軟件對整體工程高陡邊坡破壞機(jī)理進(jìn)行模擬，該軟件是一種較為綜合性的集成模擬軟件，主要包括結(jié)構(gòu)分析、熱分析、電磁分析、流體分析、聲學(xué)分析等一體化通用模擬分析，其主要對高陡邊坡破壞因素相關(guān)的彈塑性、流變性、黏塑性、大小形態(tài)變形等諸多問題進(jìn)行求解。其特點(diǎn)如下：1）能完成多場與多場耦合性研究分析，通過多場與多場耦合性研究，可對不同場景下的高陡邊坡破壞情況及形成進(jìn)行對比；2）能完成非線性問題研究，并對其巖石結(jié)構(gòu)的主體應(yīng)力及大小進(jìn)行結(jié)合應(yīng)用，對其邊坡變形及穩(wěn)定失衡的形成性、發(fā)育性進(jìn)行模擬；3）能夠?qū)ζ淝茐牟课坏冗M(jìn)行研究，同時(shí)該軟件還可以通過實(shí)質(zhì)性、立體性對其巖石層狀介質(zhì)所涉及的邊坡流變效應(yīng)、孔隙水壓、滲流效應(yīng)等進(jìn)行模擬分析。所以，有限元軟件基本分析思路主要是將一個(gè)整體差分成若干離散單元，并結(jié)合實(shí)際情況，針對不同的整體結(jié)構(gòu)及需求，運(yùn)用相應(yīng)方法求解計(jì)算。其主要單元包括桿件結(jié)構(gòu)單元、三角形結(jié)構(gòu)單元、四邊形結(jié)構(gòu)單元及六面體結(jié)構(gòu)單元等。

參數(shù)選擇必須結(jié)合實(shí)際工程真實(shí)情況及數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，不可單一片面地對其進(jìn)行大體估算。該研究根據(jù)《綿陽市平通河水利工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》中的地勘數(shù)據(jù)報(bào)告結(jié)果，該力學(xué)參數(shù)是通過現(xiàn)場勘查及數(shù)據(jù)分析及室內(nèi)試驗(yàn)檢測得到的，其巖土整體物理力學(xué)相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)建議值為表1。根據(jù)表1 進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體如下：1）該土體物質(zhì)結(jié)構(gòu)較為均勻，并存在相對的連續(xù)性，并屬于同性彈塑性結(jié)構(gòu)材料。2）對土體結(jié)構(gòu)與其下伏頁巖體二者銜接進(jìn)行假設(shè)提出，并且在變形協(xié)調(diào)中保持一致。3）對該工程邊坡長度進(jìn)行相對假設(shè)，假設(shè)其邊坡長度可以無限延展，并不會(huì)產(chǎn)生邊角效應(yīng)。4）對土體結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的液化現(xiàn)象不進(jìn)行過度考慮，在土體結(jié)構(gòu)諸多散顆粒結(jié)構(gòu)壓實(shí)方面只考慮其作用，而不考慮其影響，不過多考慮整體邊坡結(jié)構(gòu)的變形現(xiàn)象。

表1 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)綿陽市平通河水利工程巖質(zhì)高邊坡工程實(shí)際現(xiàn)狀與具體需求，從多角度分析問題，以ANSYS 建模的主導(dǎo)優(yōu)勢為主，并結(jié)合FLAC 3D 后處理優(yōu)化性能，采用CAD 進(jìn)行二維模型建立并導(dǎo)入ANSYS 軟件中，對其工程實(shí)際模擬模型進(jìn)行拉伸處理。同時(shí)，建立整體結(jié)構(gòu)性三維模型，對其材料單元及結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行科學(xué)、合理的劃分，以ANSYS 軟件形成代碼流為主，將其導(dǎo)入FLAC3D 中進(jìn)行相對處理。最后，按照強(qiáng)度折減法判斷邊坡穩(wěn)定性，并關(guān)聯(lián)塑性區(qū)貫通為參考依據(jù)，對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行判別，同時(shí)可掌握巖質(zhì)高邊坡可能存在的弊端及不利因素，為下一步高陡邊坡的治理及防護(hù)加固提供依據(jù)，具體如下：通過模擬模型分析，平通河水利工程高陡邊坡破壞主要向其塑性區(qū)逐漸延伸，該延伸具有較強(qiáng)的貫通性，其狀態(tài)為完全塑流，并且無法保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

折減系數(shù)會(huì)持續(xù)遞增，其剪切塑性區(qū)主要沿至坡腳向坡頂及后緣出不斷伸展，使其拉伸塑性區(qū)整體面積不斷擴(kuò)大。平通河右岸主體巖質(zhì)結(jié)構(gòu)高邊坡上部形成為第四系全新性統(tǒng)坡殘積層形態(tài)，主要破壞形態(tài)為圓弧折線逐漸性隱藏滑動(dòng)狀態(tài)，該形態(tài)主要由底部光滑頁巖主體進(jìn)行控制，主體滑坡物質(zhì)前緣與淺層巖體結(jié)構(gòu)變形較為強(qiáng)烈。且下部主要為順層滑動(dòng)牽引塑流屬相、其上部主要為擠壓拉裂推進(jìn)模式時(shí)，該滑坡具有較深深層、較順層及復(fù)合機(jī)制等特征。

3 水利工程高陡邊坡破壞影響因素

3.1 穩(wěn)定性影響因素

影響高陡邊坡巖體穩(wěn)定性和不穩(wěn)定性模式的主要原因體現(xiàn)在以下4 個(gè)方面。

綿陽市平通河水利工程左岸的巖石質(zhì)高邊坡巖層呈現(xiàn)310°～330°、8°～10°；砂質(zhì)巖邊坡巖體內(nèi)主要發(fā)育的結(jié)構(gòu)面是橫河向裂隙90°～150°、85°～88°。順層巖質(zhì)受到河流水流和裂隙切割的影響，使巖體長此以往被分成了許多巖塊。

由于軟巖層的本身質(zhì)地柔軟，容易發(fā)生拉裂發(fā)生變形，并且其巖層的密度和強(qiáng)度受到了降水、環(huán)境等外界因素的影響，一旦層面出現(xiàn)裂隙，則不穩(wěn)定的因素發(fā)生概率極高，其在變形過程中的時(shí)間較長，以塑性變形為標(biāo)志出現(xiàn)明顯的變化。

綿陽市平通河水利工程的左岸高邊坡的實(shí)際高度為160m，自然坡度在38°～75°，因此如果開挖140m 則極容易出現(xiàn)崩塌事故。

風(fēng)化節(jié)理通常廣泛地分布在邊坡較淺的位置，對邊坡的整體影響較小，其主要受到地形和地質(zhì)結(jié)構(gòu)的控制，在分布上常常以不連續(xù)的分布狀態(tài)展示，嚴(yán)重地影響了邊坡的穩(wěn)定。

地應(yīng)力逐漸釋放產(chǎn)生的構(gòu)造節(jié)理，通過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)不同邊坡的構(gòu)造節(jié)理發(fā)育差異性較大，因此構(gòu)造節(jié)理是影響穩(wěn)定性最主要的因素之一。構(gòu)造節(jié)理又可以進(jìn)一步細(xì)分為張節(jié)理和剪節(jié)理，通常情況下剪節(jié)理對邊坡的穩(wěn)定性有較大的影響，在失去穩(wěn)定時(shí)構(gòu)造結(jié)構(gòu)發(fā)揮了較大的價(jià)值。

地應(yīng)力是影響邊坡巖體節(jié)理裂隙的形成和巖體變形的主要原因之一。結(jié)構(gòu)面在邊坡中有重要意義，結(jié)構(gòu)面的四周會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力的足夠集中后者受到阻礙的情況，當(dāng)應(yīng)力集中的強(qiáng)度超過了巖體的最高承受極限時(shí)，邊坡的巖體開始變形直至損壞。

3.2 穩(wěn)定性驗(yàn)算

根據(jù)本例高陡邊坡設(shè)計(jì)的相關(guān)要求，抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算應(yīng)當(dāng)使用極限平衡方法才能符合發(fā)展的需要，針對高陡邊坡巖質(zhì)高的特點(diǎn)可用強(qiáng)度指標(biāo)折減法來提高邊坡的穩(wěn)定性驗(yàn)算，保障施工安全；對土質(zhì)邊坡和易碎結(jié)構(gòu)的邊坡，采用陳祖煜法[進(jìn)行了穩(wěn)定性驗(yàn)算，當(dāng)滑動(dòng)的軌跡是非圓弧時(shí)，采用不平衡推力的方法進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算；對層狀結(jié)構(gòu)的巖質(zhì)邊坡最好使用不平衡推力法進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算；針對2 組及以上的邊坡可使用楔體法進(jìn)行穩(wěn)定驗(yàn)算。

結(jié)合工程實(shí)際，運(yùn)用陳祖煜法進(jìn)行該高陡邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算模式及計(jì)算方法，按照楔體法進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。

圖5 土坡坡面滑裂面示意圖

根據(jù)圖6，應(yīng)用莫爾—庫倫條件，可得到公式（1）和公式（2）。

圖6 土條作用力和坐標(biāo)示意圖

微分方程式（1）（2）的邊界條件是如下。

式中：、為滑體左、右端點(diǎn)的坐標(biāo)； φ′為條塊滑面內(nèi)摩擦角。

式（1）是一個(gè)一階非線性常微分方程，令=，并使用邊界條件，應(yīng)用分部積分法，得到其積分式如下。

其中：

式（2）的積分形式：

式中： h為水平地震力作用點(diǎn)與土條底距離，為水平地震作用系數(shù)。

3.3 穩(wěn)定性評估

本例邊坡穩(wěn)定性評估對左岸高坡的破邊進(jìn)行了系統(tǒng)分析，分別評價(jià)了邊坡的種類、性質(zhì)、規(guī)模、地形地勢、巖土的特性、可能失去穩(wěn)定及剪口的方位。

沿著劃分的土條兩側(cè)垂直面上的剪應(yīng)力不超過在這個(gè)面上所能發(fā)揮的抗剪能力。

式中： F為沿著土條垂直面的安全系數(shù)；為作用在土條垂直的法向有效壓力；為作用在土條垂直面的剪力； tan φ′為土條垂直面的有效平均摩擦系數(shù)；c ′為土條垂直面的有效黏聚力；tan φ′為tan φ′ 被值除后的值；c ′為 c′被值除后的值；為滑裂面的縱坐標(biāo)值；為土坡表面的縱坐標(biāo)值。

為保證在土條接角面上不產(chǎn)生拉力，作用在土條上的有效力的合力作用點(diǎn)不應(yīng)落在土條垂直面的外面，如圖7 所示。

圖7 側(cè)向力函數(shù)假定

式中：y為作用在土條垂直面上的有效法向力的作用點(diǎn)的縱坐標(biāo)值。

對式（2）積分可獲得式（11）須知y的計(jì)算公式

邊坡的位置大致在890m 以上、長約200m、寬約85m，上下游的高度較高，最高位置達(dá)到了30m。堆積物主要是由巖石的碎塊構(gòu)成，碎塊的含量高于85%，且多受到風(fēng)化的侵蝕。頂部覆蓋層上附著了2cm 左右的黏土，在進(jìn)行工作前的原始地貌為緩坡水田，在其底部存在大量的泥土，層面上出現(xiàn)多處擦痕。

影響堆積體穩(wěn)定的主要影響因素是降雨產(chǎn)生的地下水，從邊坡的地質(zhì)和地下水的匯集情況綜合分析出總體的工況較為穩(wěn)定，局部也沒有太大的問題；暴雨工況下也大體上穩(wěn)定但是局部存在一定的隱患。淺表局面的部分地形會(huì)出現(xiàn)變形或者小范圍的體積踏滑。

完成邊坡防護(hù)治理后高陡邊坡的穩(wěn)定屬于碎石穩(wěn)定的問題，其可能在前緣地區(qū)沿著滑動(dòng)的面進(jìn)行滑動(dòng)從而產(chǎn)生破壞。在下游地區(qū)容易朝沖溝方向偏移，剪口的位置在邊坡下方高度890m 處附近。

4 結(jié)語

川西地區(qū)高陡邊坡巖體受力狀態(tài)差異較大導(dǎo)致巖體差異回彈變形，而卸荷回彈變形產(chǎn)生的裂縫主要為單裂隙和雙裂隙，其中單裂隙巖體模型的卸荷擴(kuò)展方式主要為張拉貫通和拉剪貫通，初始卸荷階段裂隙的延展呈逐漸張拉破壞，到一定程度后破壞方式隨著傾角的變化而變化；雙裂隙能夠良好地展示出巖層被破壞的具體結(jié)構(gòu)和過程，卸荷下以拉剪破壞形式為主的巖層其受力以巖層拉剪力為主。綜上所述，高陡邊坡剪切破壞一般在緩傾角和陡傾角組合模型中出現(xiàn)，而張拉破壞則一般在陡傾角模型中出現(xiàn)，其破壞模型主要為滑移—拉裂、滑移—壓力導(dǎo)致拉裂、滑移—彎曲、彎曲—拉裂等。

川西地區(qū)高陡邊坡穩(wěn)定性影響因素主要有結(jié)構(gòu)面性狀組合、地形地貌、地質(zhì)的結(jié)構(gòu)巖層的特性和柔韌性、地應(yīng)力、地質(zhì)構(gòu)造、風(fēng)化及水流的沖刷、高邊坡變形失去穩(wěn)等多種影響因素共同導(dǎo)致的。