巖溶區(qū)多軟弱層復(fù)合邊坡變形破壞機(jī)制分析

楊鵬程， 李思達(dá)， 韓偉歌， 涂新斌， 王彥兵， 金永軍， 周鯤

(1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院， 長沙 410004； 2. 能源互聯(lián)網(wǎng)供需運(yùn)營湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長沙 410004； 3. 湖南經(jīng)研電力設(shè)計有限公司， 長沙 410007； 4.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 中國科學(xué)院頁巖氣與地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100029； 5. 國網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司， 北京 102209)

針對邊坡穩(wěn)定性分析目前常用的方法有極限平衡法以及有限元數(shù)值模擬方法[1-2]。其中，傳統(tǒng)的極限平衡法需要提前確定邊坡滑移面的形狀及位置，這對于含巖溶等不良地質(zhì)體的復(fù)雜邊坡而言實(shí)現(xiàn)難度較大。而有限元數(shù)值模擬方法則以強(qiáng)度折減法為主。Zienkiewicz等[3]和Matsui等[4]提出了強(qiáng)度折減法的概念及其實(shí)現(xiàn)原理，并將其與極限平衡法進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)兩者獲取的安全系數(shù)值較為接近。此后，由于強(qiáng)度折減法實(shí)現(xiàn)方法簡單，并且可獲取可靠的安全系數(shù)以及邊坡潛在破裂面，在邊坡穩(wěn)定性分析方面得到了快速發(fā)展[5-7]。強(qiáng)度折減法同樣適用于復(fù)雜多軟弱層邊坡失穩(wěn)分析，已有研究表明層理界面是巖石破裂失穩(wěn)的主要控制因素[8]，而對于多軟弱層復(fù)合邊坡失穩(wěn)過程中巖層界面的角色定位需要進(jìn)一步研究。同樣，坡體內(nèi)巖溶體的存在也改變了坡體的結(jié)構(gòu)及完整性，導(dǎo)致邊坡受力更加復(fù)雜，研究難度更大。針對含巖溶邊坡問題，國內(nèi)外學(xué)者也從理論上開展了研究工作，吳峰等[9]對含巖溶邊坡受力進(jìn)行了分析；江學(xué)良等[10]探討了地下洞室對邊坡的影響規(guī)律，并建立了邊坡下伏洞室計算模型。巖溶導(dǎo)致的破裂主要為地面沉降，因此，白日升等[11]研究了不同覆蓋層厚度下的巖溶區(qū)地面塌陷規(guī)律。靳紅華等[12]采用強(qiáng)度折減法分析了巖溶蓋層穩(wěn)定性。而不同溶洞形態(tài)分布及治理方法也被大量研究[13-15]。熊超等[16]針對巖溶區(qū)基坑開挖導(dǎo)致的層狀邊坡破裂機(jī)制進(jìn)行了分析研究，探討了層狀邊坡變形規(guī)律，但其并未考慮巖溶對邊坡的影響。目前，對于含巖溶邊坡失穩(wěn)機(jī)制研究較少，尤其是邊坡在多軟弱巖層界面與巖溶共同作用下的變形失穩(wěn)機(jī)制鮮有報道。

現(xiàn)針對某巖溶區(qū)變電站場區(qū)附近多軟弱層復(fù)合邊坡，采用有限元強(qiáng)度折減法開展含巖溶復(fù)合邊坡變形破壞機(jī)制研究，為更直觀地分析巖溶對邊坡失穩(wěn)破壞的影響，分別研究多軟弱層復(fù)合邊坡在不含巖溶時、巖溶無充填時以及巖溶被軟弱黏土充填時的變形特征，揭示復(fù)合巖層界面以及巖溶對邊坡變形的影響機(jī)制，提出含巖溶復(fù)合邊坡治理建議，研究結(jié)果對含巖溶邊坡支護(hù)設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

1 強(qiáng)度折減法基本原理

強(qiáng)度折減法基于巖土體黏聚力和內(nèi)摩擦角參數(shù)，采用摩爾-庫倫(Mohr-Coulomb)準(zhǔn)則進(jìn)行單元彈塑性狀態(tài)計算，當(dāng)巖土未到達(dá)屈服時，通過折減公式對強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減，然后采用折減后的黏聚力和內(nèi)摩擦角重新計算巖土體彈塑性狀態(tài)，從而得到新的彈塑性區(qū)分布。通過對強(qiáng)度參數(shù)的反復(fù)折減，直到巖土體發(fā)生失穩(wěn)破壞，此時的強(qiáng)度折減系數(shù)則為邊坡穩(wěn)定系數(shù)。強(qiáng)度折減公式為

(1)

(2)

式中：c、φ和cn、φn分別為折減前后的黏聚力和內(nèi)摩擦角；F為強(qiáng)度折減系數(shù)。

(2)加固整治取得了重大防洪減災(zāi)效益。近年來除險加固的堤防、水庫在抗洪減災(zāi)中發(fā)揮了重要作用，減災(zāi)效益十分明顯。據(jù)統(tǒng)計，全省防洪減災(zāi)效益達(dá)222億元，避免36座縣級以上城鎮(zhèn)受淹。其中，水庫減災(zāi)效益75.7億元，全省各類水庫攔蓄洪量52.2億m3，減免農(nóng)田受災(zāi)面積54萬公頃，減免受災(zāi)人口604.7萬人。

采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析時，邊坡失穩(wěn)破壞的判識方法至關(guān)重要。目前研究結(jié)果均表明以邊坡特征點(diǎn)的位移拐點(diǎn)作為邊坡失穩(wěn)判據(jù)可得到誤差較小的安全系數(shù)[17]。

2 工程概況

2.1 地形地貌

擬建變電站工程站址位于張家界市永定區(qū)，站址區(qū)域?qū)偾鹆甑孛玻孛娓叱?52.71～493.23 m，最大高差約40.52 m，整體呈中間高，四周低，地形起伏較大。場地碳酸鹽巖石地層下伏于第四系土層、風(fēng)化砂巖之下，勘察期間多個鉆孔均揭露有溶洞發(fā)育，場區(qū)巖溶分布不規(guī)律，屬巖溶強(qiáng)發(fā)育地段，通過鉆孔發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部多被灰黃色流塑-硬塑性黏土充填，物理力學(xué)性質(zhì)較差。

2.2 工程地質(zhì)條件

綜合區(qū)域地質(zhì)資料，進(jìn)行現(xiàn)場勘察，獲取鉆探數(shù)據(jù)，得到擬選站址區(qū)域地層分布情況。該區(qū)域主要有第四系土層、奧陶系砂巖、泥灰?guī)r、石灰?guī)r等，巖性特征分述如下。

(1)黏土：灰黃色，可塑-硬塑，無搖振反應(yīng)，捻面粗糙，韌性及干強(qiáng)度中等，分布較廣，局部地段底部呈流塑-軟塑狀態(tài)，層厚0.30～13.00 m。

(2)強(qiáng)風(fēng)化砂巖：下奧陶統(tǒng)分鄉(xiāng)組，紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，膠結(jié)程度一般，巖芯呈柱狀，錘擊無回彈，屬較軟巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，厚度未完全揭露。

(3)強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r：灰綠色，主要為黏土礦物、方解石，巖芯呈柱狀，錘擊聲啞，無反彈，屬較軟巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎。場地較廣泛分布，厚度未完全揭露。

(4)中風(fēng)化石灰?guī)r：下奧陶統(tǒng)分鄉(xiāng)組，青灰色，主要礦物成分為方解石、黏土礦物，塊狀結(jié)構(gòu)，錘擊聲較清脆，不易碎，巖體較完整。場地廣泛分布，厚度未完全揭露。

擬建站址附近存在多軟弱層復(fù)合邊坡，并且鉆孔數(shù)據(jù)顯示該邊坡下有兩處充填溶洞。因此，基于此邊坡分析在巖溶區(qū)多軟弱層復(fù)合邊坡變形失穩(wěn)機(jī)制。

3 數(shù)值模型

通過區(qū)域調(diào)查可獲取擬研究邊坡長度約為85 m，整體坡高約30 m。根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)可知該邊坡下存在兩個充填溶洞，分別位于坡腳和坡體中部。采用三維地質(zhì)建模技術(shù)，對鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行光滑插值處理，可獲取該邊坡下不同巖層分界面，并估算兩處溶洞的大致尺寸，從而可建立含巖溶邊坡的典型地質(zhì)剖面，通過AutoCAD軟件繪制邊坡典型地質(zhì)剖面圖，并將其導(dǎo)出為ABAQUS模擬軟件可識別的DXF格式文件，實(shí)現(xiàn)CAD和ABAQUS模擬軟件的數(shù)據(jù)對接。通過對地質(zhì)剖面分區(qū)處理體現(xiàn)不同地層巖性的差異化，最終得到邊坡剖面數(shù)值模型(圖1)。該邊坡主要由黏土、強(qiáng)風(fēng)化砂巖、強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r、中風(fēng)化石灰?guī)r和溶洞五部分構(gòu)成。

邊坡內(nèi)各巖土層基本物理力學(xué)參數(shù)通過土工試驗(yàn)獲取(表1)，對邊坡內(nèi)五部分區(qū)域分別賦予對應(yīng)材料參數(shù)。

圖1 邊坡數(shù)值模型Fig.1 The slope numerical model

表1 模擬參數(shù)Table 1 Simulation parameter

假設(shè)模型為理想彈塑性，對其采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則，并采用非對稱完全牛頓進(jìn)行求解。進(jìn)一步對邊坡模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，使其含12 274個四邊形平面應(yīng)變單元(CPE4R)(圖2)。模擬時，固定坡體兩側(cè)水平位移以及模型底部的豎向位移，分別設(shè)置兩個靜力通用分析步，第一個分析步用于施加重力載荷，在第二個分析步中定義場變量，并通過二次開發(fā)使其控制邊坡參數(shù)的強(qiáng)度折減，強(qiáng)度折減系數(shù)由2減小到0.5。

圖2 網(wǎng)絡(luò)模型Fig.2 Network model

4 邊坡變形機(jī)制分析

為了更直觀地研究含巖溶邊坡變形破壞機(jī)制，首先進(jìn)行不含巖溶時多軟弱層復(fù)合邊坡變形失穩(wěn)分析，從而方便與含巖溶邊坡進(jìn)行對比研究。

4.1 不含巖溶時復(fù)合邊坡變形機(jī)制分析

首先，將坡體內(nèi)巖溶參數(shù)設(shè)置為中風(fēng)化石灰?guī)r參數(shù)，即此時不考慮巖溶的影響。進(jìn)行數(shù)值模擬，獲取不含巖溶時復(fù)合邊坡變形過程。ABAQUS模擬軟件中可通過觀察邊坡塑性區(qū)分布情況來反映邊坡失穩(wěn)狀況。因此，提取不同時刻的塑性區(qū)分布圖(圖3、圖4)，由塑性區(qū)分布演化可以發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)風(fēng)化砂巖和強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r巖層界面處最先出現(xiàn)局部剪切位錯滑移，隨后塑性區(qū)沿著巖層界面處不斷向坡體上下部擴(kuò)展，最終連通坡腳與坡頂，形成圓弧形潛在滑移面(圖4)。由于坡體最上部黏土層較薄，在邊坡滑移破裂中并未起主導(dǎo)作用，而第二層強(qiáng)風(fēng)化砂巖層較厚，成為滑坡體主要組成部分。強(qiáng)風(fēng)化砂巖與強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r的巖性差異使得巖層界面處最易產(chǎn)生滑移變形，形成潛在滑移面。采用數(shù)值模擬方法確定邊坡潛在滑移面位置可為后續(xù)邊坡防護(hù)設(shè)計提供重要理論支撐。

基于ABAQUS強(qiáng)度折減法不僅可獲取邊坡潛在滑移面位置，并且可得到邊坡的安全系數(shù)。選取坡腳處節(jié)點(diǎn)作為特征點(diǎn)，提取特征點(diǎn)的水平向位移與強(qiáng)度折減系數(shù)，獲取強(qiáng)度折減系數(shù)與水平位移關(guān)系曲線(圖5)，由圖5可以發(fā)現(xiàn)模擬初期坡腳處的水平位移保持不變，直到強(qiáng)度折減系數(shù)達(dá)到1.77時，位移發(fā)生突變，此時邊坡失穩(wěn)。因此，曲線拐點(diǎn)處的強(qiáng)度折減系數(shù)即為邊坡的安全系數(shù)。而該邊坡在不含巖溶時的安全系數(shù)為1.77，較為穩(wěn)定。

圖3 初始塑性區(qū)分布Fig.3 Initial plastic region

圖4 潛在滑移面Fig.4 Potential slip surface

圖5 強(qiáng)度折減系數(shù)與水平位移關(guān)系Fig.5 The relationship between strength reduction coefficient and displacement

4.2 含巖溶復(fù)合邊坡變形機(jī)制分析

針對該站址區(qū)含巖溶邊坡，開展含巖溶多軟弱層復(fù)合邊坡失穩(wěn)機(jī)制分析，并與上述不含巖溶邊坡進(jìn)行對比分析，以便更準(zhǔn)確獲取巖溶對邊坡失穩(wěn)影響機(jī)制。首先獲取含巖溶邊坡塑性區(qū)分布圖(圖6)，由圖6可以發(fā)現(xiàn)，坡體中部巖溶的存在直接影響邊坡塑性區(qū)分布，從而影響到邊坡潛在滑移面。而坡腳處的巖溶由于上覆巖土層較薄，巖溶受上覆巖土層壓力較小，并未產(chǎn)生明顯塑性分布。在該算例中坡體中部溶洞內(nèi)出現(xiàn)塑性，而由于邊坡體存在多軟弱層，因此在巖層界面處同樣出現(xiàn)塑性區(qū)，塑性區(qū)集中在坡體下部，而巖溶的存在抑制了塑性區(qū)向坡體上部擴(kuò)展，邊坡不再形成完整的圓弧形潛在滑移面。因此，此時滑坡沒有大范圍潛在滑移的風(fēng)險，巖溶決定了邊坡的穩(wěn)定性，而此時巖溶在邊坡整體穩(wěn)定性中一定程度上具有積極的影響。

為分析產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因，分別提取不含巖溶時與含巖溶邊坡位移云圖(圖7)。由圖7可知，當(dāng)邊坡不含巖溶時坡體位移有沿著潛在滑移面向下發(fā)展的趨勢，這同樣也是潛在滑移面形成的原因。而對于含巖溶邊坡，由于巖溶的存在產(chǎn)生局部地面沉降，導(dǎo)致位移云圖有向溶洞發(fā)展趨勢，因此制約了巖溶上方坡體沿著潛在滑移面下滑變形，邊坡上部的位移量不足以產(chǎn)生塑性滑動面，從而導(dǎo)致邊坡沒有產(chǎn)生完整的圓弧形潛在滑移面。

進(jìn)一步提取巖溶體上表面不同位置處沉降量，獲取沉降曲線(圖8)。由沉降曲線可以發(fā)現(xiàn)，巖溶頂部產(chǎn)生了不均勻沉降，越靠近坡腳沉降量越小，而靠近滑坡頂部沉降則呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在坡體中部位置存在最大沉降量。結(jié)合圖7位移云圖可以發(fā)現(xiàn)，由于滑坡體有沿著潛在滑移面向左下方下滑趨勢，而巖溶有向正下方沉降趨勢，兩者綜合作用下導(dǎo)致了沉降的不均勻分布。因此，巖溶頂部會受到上部滑坡體的影響產(chǎn)生不均勻沉降。針對這一特點(diǎn)可進(jìn)行針對性的治理。

圖6 塑性區(qū)分布Fig.6 Plastic region

圖7 位移云圖Fig.7 Displacement nephogram

圖8 巖溶頂部不同位置沉降量Fig.8 Settlement at different positions on karst top

4.3 無充填巖溶對邊坡變形影響分析

擬建站址場區(qū)處于強(qiáng)巖溶發(fā)育區(qū)段，巖溶在場區(qū)內(nèi)分布不均勻，其中大部分巖溶均被黏土充填，但也存在少量無充填巖溶。因此，研究無充填巖溶對邊坡穩(wěn)定性的影響至關(guān)重要?；谏鲜瞿Ｐ?，將坡體中部巖溶內(nèi)填充物去除，設(shè)置成無填充巖溶，進(jìn)行含巖溶空洞的邊坡失穩(wěn)分析，得到位移云圖及塑性區(qū)分布圖(圖9)。

由圖9可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)邊坡內(nèi)含有無充填巖溶時，主要破裂模式為坍塌破壞，巖溶區(qū)域出現(xiàn)強(qiáng)烈的地面沉降，導(dǎo)致上部坡體直接垮塌。而在巖溶左側(cè)邊界處產(chǎn)生塑性區(qū)，即潛在破裂面。上部坡體沿著該破裂面沉降垮塌，而在巖層界面處則存在較小的順結(jié)構(gòu)面滑移區(qū)，此時坡體以垮塌破壞為主，伴有少許滑移破裂，呈現(xiàn)復(fù)合破裂形式，無充填巖溶對邊坡失穩(wěn)起主導(dǎo)作用。

圖9 無充填巖溶邊坡位移云圖及塑性區(qū)分布Fig.9 Displacement nephogram and plastic region distribution of karst slope without filling

5 含巖溶復(fù)合邊坡治理建議

由上述研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：邊坡與巖溶兩者處于相互制約相互影響的關(guān)系中，邊坡的存在影響了巖溶頂部的不均勻沉降，而巖溶的沉降又反過來影響坡體的潛在滑移面。當(dāng)巖溶無充填或充填物強(qiáng)度較弱時，將產(chǎn)生較大沉降量，此時上部坡體會產(chǎn)生大范圍垮塌，此時邊坡呈現(xiàn)崩塌和滑移復(fù)合形式破壞。而巖溶內(nèi)充填物強(qiáng)度較強(qiáng)時則對邊坡有較小的影響。因此，邊坡與溶洞的關(guān)系中存在一個平衡點(diǎn)，在某種特殊情況下，坡體中后方的巖溶對滑坡體的穩(wěn)定將有積極性的影響。即巖溶的沉降量在允許范圍內(nèi)，并且允許范圍內(nèi)的沉降量可有效減少中后方坡體向坡腳滑移的位移量，而向坡腳位移量的減少又有利于邊坡的穩(wěn)定。當(dāng)然，這種情況受到巖溶大小、位置、內(nèi)部充填物強(qiáng)度的影響。因此，在處置含巖溶邊坡時，可首先結(jié)合三維地質(zhì)建模技術(shù)與數(shù)值模擬方法對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，確定擬研究邊坡與溶洞是否可達(dá)到平衡關(guān)系，如果可以則可采用注漿方式治理巖溶，通過向巖溶內(nèi)注漿控制沉降量，使其達(dá)到該平衡點(diǎn)，此時可大幅度節(jié)省工程成本。而當(dāng)巖溶注漿填充強(qiáng)度過高時，則巖溶對邊坡的影響可忽略不計，此時主要考慮不同巖層界面對滑坡體穩(wěn)定性影響即可。而治理多軟弱層復(fù)合邊坡最有效的方法則是采用抗滑樁[18]，通過數(shù)值模擬方法準(zhǔn)確獲取潛在滑移面后，可針對性地進(jìn)行抗滑樁設(shè)計，獲取最優(yōu)布樁方式，節(jié)約施工成本。

6 結(jié)論

采用ABAQUS數(shù)值模擬軟件，基于有限元強(qiáng)度折減法研究了含巖溶多軟弱層復(fù)合邊坡失穩(wěn)機(jī)制，得到如下結(jié)論。

(1)多軟弱層復(fù)合邊坡首先在巖層界面處產(chǎn)生剪切滑移破裂，最終順著巖層界面滑移貫通，產(chǎn)生圓弧形潛在破裂面。

(2)邊坡與巖溶兩者相互制約相互影響，邊坡導(dǎo)致巖溶頂部不均勻沉降，而巖溶的沉降又反過來影響坡體穩(wěn)定性。巖溶無充填或充填物強(qiáng)度較弱時，邊坡呈現(xiàn)垮塌為主和巖層界面滑移為輔的破裂形式，巖溶充填物較強(qiáng)時對邊坡穩(wěn)定性無較大影響。

(3)理想狀態(tài)下坡體內(nèi)巖溶在某些特殊情況下可對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生積極影響。巖溶引起的地面沉降可減小坡體下滑趨勢，若該沉降在允許范圍內(nèi)，則該巖溶的存在對邊坡穩(wěn)定性是有益的。而特定的條件則與巖溶位置、大小、充填物有關(guān)，具體影響規(guī)律還有待進(jìn)一步研究。

(4)得益于三維地質(zhì)建模技術(shù)的發(fā)展，針對含巖溶多軟弱層復(fù)合邊坡，可有效獲取坡體內(nèi)部巖層分布、巖溶狀況，并可獲取較為準(zhǔn)確的三維地質(zhì)模型，通過三維地質(zhì)模型與數(shù)值模擬軟件的數(shù)據(jù)對接，可采用數(shù)值模擬手段對擬研究問題進(jìn)行超前探索，從而有效指導(dǎo)后續(xù)施工設(shè)計，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。