深切河谷岸坡層狀巖體傾倒變形演化過程及機理分析

司佳鵬， 張常亮，2， 趙 猛， 唐 斌， 李同錄，2

（1.長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，西安 710054；2.黃土高原水循環(huán)與地質(zhì)環(huán)境教育部野外觀測研究站，甘肅慶陽 745399）

1973年，F(xiàn)reitas 和Watters［1］開始將巖體的傾倒變形破壞作為一種典型的破壞模式進行研究，隨后巖體傾倒變形這一特殊地質(zhì)現(xiàn)象越發(fā)引起了研究人員的關(guān)注. 隨著我國水利工程建設(shè)的開展，更多的巖體傾倒變形現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)，如岷江、雅礱江、金沙江、瀾滄江等上游地區(qū)的深切河谷邊坡均發(fā)育了大量的巖體傾倒變形現(xiàn)象［2-4］. 由于該種巖體傾倒變形的形成過程及機理與一般巖體邊坡的變形破壞存在較大差異，傳統(tǒng)的巖體邊坡穩(wěn)定性分析方法很難被直接應(yīng)用于該類邊坡，給工程建設(shè)造成了極大的困擾.

很多學(xué)者利用物理模型試驗對巖體傾倒變形的形成機理開展了研究，如左保成等［5］、盧增木等［6］經(jīng)過一系列模型試驗得出結(jié)構(gòu)面強度、巖體層厚是對巖質(zhì)邊坡傾倒有比較大影響的因素；Amini等［7］通過傾斜試驗臺實驗，成功模擬了巖質(zhì)邊坡的塊體—彎曲傾倒破壞；Adhikary［8］經(jīng)過離心試驗發(fā)現(xiàn)，巖體結(jié)構(gòu)面的摩擦角較大和較小時，傾倒變形破壞的表現(xiàn)形式為瞬時性和漸進性. 物理模型方法的優(yōu)點是可以直觀地記錄邊坡變形及其發(fā)展過程以及模擬邊坡中巖體應(yīng)力的大小及分布，缺點是模擬周期較長、費用較高等，所以進行的實驗相對較少.

數(shù)值分析因其簡便、經(jīng)濟及高效等優(yōu)點，近年來被學(xué)者廣泛應(yīng)用于巖體傾倒變形機理的分析中. 如韓貝傳和王思敬［9］、常祖峰等［10］、徐佩華等［11］、代仲海等［12］利用有限元法和有限差分法等連續(xù)介質(zhì)分析方法對巖體傾倒變形進行了模擬，均取得良好的效果. 在現(xiàn)實中存在的邊坡傾倒問題中，反傾的結(jié)構(gòu)面將巖體分割成了離散但是又存在著相互聯(lián)系作用的塊體，這些塊體單元在傾倒破壞時，會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)和平移等破壞變形模式，這時，使用非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法可以更好地模擬這種變形破壞的模式. Sj?berg［13］、Lanar等［14］、程東幸等［15］、胡亞東等［16］、Scholtes和Donze［17］分別利用UDEC、3DEC等離散元對巖體傾倒變形進行了模擬，探討了傾倒變形的影響因素和破壞過程. 由于非連續(xù)變形方法（DDA）可以考慮單元間復(fù)雜約束和接觸關(guān)系，能處理任意凸邊形或凹邊形單元，允許單元脫離和錯動，可有效模擬塊體的大變形以及單元的轉(zhuǎn)動特性，這些特性對邊坡的傾倒變形研究有非常大的幫助，因此有學(xué)者嘗試利用該方法對巖體傾倒變形進行分析，如孫亞東等［18］、龔文俊等［19］.

為此，本文使用DDA對黑河庫區(qū)和鎮(zhèn)安縣深切河谷岸坡中厚層和薄層巖體傾倒變形問題進行分析，揭示了岸坡傾倒變形的演化過程和機理.

1 深切河谷岸坡層狀巖體傾倒變形

1.1 黑河庫區(qū)岸坡中厚層巖體傾倒變形

在黑河水庫區(qū)域，黑河流經(jīng)渭河盆地，在河流長期的侵蝕作用下，兩岸形成了V型河谷，區(qū)域內(nèi)存在多處大型古滑坡以及常見的范圍較小的傾倒變形和崩塌等，如圖1所示.

圖1 黑河庫區(qū)變形邊坡及崩塌災(zāi)害Fig.1 Deformation slopes and collapse disasters in Heihe Reservoir

根據(jù)現(xiàn)場觀察，河谷兩岸巖體的結(jié)構(gòu)是被片理和節(jié)理共同切割下形成的組合板狀結(jié)構(gòu)體. 巖體具板裂結(jié)構(gòu)，潰曲破壞和彎曲變形是其發(fā)生的主要因素. 該邊坡上主要有三組結(jié)構(gòu)面，片理面S1傾向40°～75°，傾角28°～68°；一組節(jié)理面J1傾向287°～335°，傾角54°～75°；另一組節(jié)理面J2傾向196°～214°，傾角45°～88°.

該區(qū)域變質(zhì)片巖構(gòu)造節(jié)理發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)被節(jié)理和片理共同切割，導(dǎo)致中厚層片巖邊坡的破壞形式為塊體崩塌. 巖塊較為堅硬，而片理面抗剪強度非常低. 在黑河水流長期侵蝕作用下，在兩岸坡腳處形成了坡度較大的臨空面，從而導(dǎo)致反傾的巖體邊坡向坡外發(fā)生彎折.

從圖1（b）可以看出，路面以上約3 m處的邊坡體有顯著的傾倒彎折帶，寬度約2 m. 彎折帶產(chǎn)生的原因主要是中厚層狀變質(zhì)片巖的強度較高，邊坡體的橫向?qū)永鞸1沒有貫通，在后部坡體的推力作用下坡體根部的應(yīng)力超過了巖塊的抗拉強度，導(dǎo)致巖體發(fā)生折斷，從而形成了彎折帶. 同時，1號傾倒變形點比2號彎折變形更劇烈，這主要是由于1號點的河流侵蝕深度大于2號點造成的. 可見，河流長期侵蝕導(dǎo)致了邊坡傾倒變形現(xiàn)象的發(fā)生，并且隨侵蝕深度加深，邊坡傾倒變形現(xiàn)象加劇.

由于彎折帶處的巖體易聚積雨水，因此破碎的變質(zhì)片巖會出現(xiàn)泥化現(xiàn)象，且這種現(xiàn)象會逐漸加重，就此形成軟弱帶，巖體的強度因此降低，彎折帶以上巖體的變形增加，形成崩塌等災(zāi)害點，對水庫的正常運營和坡下通過的省道形成了極大的安全隱患.

以上分析可見，黑河庫區(qū)深切河谷岸坡的傾倒變形巖體，其形成主要是巖體力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面分布特征和河流侵蝕共同作用的結(jié)果.

1.2 鎮(zhèn)安縣岸坡薄層巖體傾倒變形

該縣城位于秦嶺的斷裂帶之間，區(qū)域內(nèi)發(fā)育有向斜、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造，且多為巖性較軟的薄層狀千枚巖. 邊坡的位置在縣河的左側(cè)，如圖2所示.

圖2 縣河及薄層巖體傾倒變形Fig.2 Dumping deformations of county river and thin rock mass

邊坡主要有三組結(jié)構(gòu)面，一種為層理面S2，傾角在21°～42°之間，間距在0.5～1.5 cm之間；另外兩種為構(gòu)造剪切節(jié)理面J3、J4，J3傾向232°～286°，傾角73°～85°，J4傾向110°～172°，傾角60°～86°形成1～2 cm的裂隙.

該區(qū)域的地質(zhì)活動強烈，年降雨大，千枚巖巖體破碎，遇水有嚴重的軟化現(xiàn)象，長期沖刷作用下，會在坡腳處向外形成陡臨空面. 而千枚巖裂隙中易儲水，增加巖體自重，在雨水下滲的過程中，形成較大的水力坡度和力矩. 薄層千枚巖儲水后呈現(xiàn)飽和狀態(tài)，此種狀態(tài)下承受水壓力而發(fā)生斷裂，而由于各處斷裂位置不同，不能連接成斷裂帶，因此也不會發(fā)生大面積的滑動. 在長期降雨和河流侵蝕的作用下，邊坡會逐漸地發(fā)生傾倒變形.

由以上分析可見，該邊坡形成傾倒變形現(xiàn)象主要是地表降雨入滲、構(gòu)造作用和河流侵蝕共同作用的結(jié)果. 構(gòu)造作用是基礎(chǔ)，降雨入滲是推動，河流侵蝕則會造成巖體主應(yīng)力方向的變化，這是傾倒變形發(fā)生的根本原因.

綜上所述，河流侵蝕是造成中厚層和薄層巖體邊坡傾倒變形的關(guān)鍵因素，要想揭示該種變形發(fā)生發(fā)展的本質(zhì)，就需要建立起長期河流侵蝕作用下岸坡巖體變形的模型，考慮到河流侵蝕作用是一個漫長的地質(zhì)過程，物理模型試驗等手段很難滿足其要求，數(shù)值分析則為其提供了很好的分析方法.

2 巖石及結(jié)構(gòu)面力學(xué)特性

2.1 巖石力學(xué)特征

黑河庫區(qū)和鎮(zhèn)安縣岸坡的巖性分別以變質(zhì)片巖和千枚巖為主，對其進行飽和重度測試、單軸壓縮試驗和直剪試驗，整理后獲得巖石物理力學(xué)參數(shù)值，如表1所示.

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of rock

2.2 結(jié)構(gòu)面力學(xué)特征

對于中厚層和薄層巖體邊坡每組結(jié)構(gòu)面現(xiàn)場測量其輪廓曲線長度Ln（cm）；裂面起伏度Ry（cm），利用巴頓的圖解法獲得其對應(yīng)的JRC 值，在每組結(jié)構(gòu)面上，做回彈試驗，獲得其JCS 值，基于Barton的JRC-JCS模型，獲得了各結(jié)構(gòu)面下剪應(yīng)力和法向應(yīng)力的關(guān)系，進而獲得各結(jié)構(gòu)面的抗剪強度指標，如表2所示.

表2 巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強度估算結(jié)果Tab.2 Estimation results of shear strength of rock mass structural plane

3 非連續(xù)變形理論及改進

在目前的非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法中，二維DDA 方法［20］可以同時考慮塊體之間的不連續(xù)變形、本身的大變形和模擬出單元的轉(zhuǎn)動特性. 在二維DDA方法中，巖體的主要變形是沿結(jié)構(gòu)面的變形，這與結(jié)構(gòu)面對傾倒變形的控制是一致的. 該方法可以使不連續(xù)面所切割的塊體系統(tǒng)重新連接成一個統(tǒng)一的整體進行模擬計算，從而可以對巖體的局部穩(wěn)定性和整體的動態(tài)進行模擬分析，得到較準確的分析.

作為一種數(shù)值模擬方法，二維DDA 方法也有其局限性，此方法只能針對單一的工況做出模擬. 在河流長期的侵蝕下，邊坡發(fā)生傾倒變形現(xiàn)象是一種長期的、連續(xù)的過程，需要建立不同的侵蝕階段，每一階段完成后，邊坡的形狀、節(jié)理、位移場和應(yīng)力場等都會重新分布，而運用二維DDA 方法進行計算時，每一階段都是從原始坡面開始計算，這顯然是不對的.本文為了解決此問題，利用提取坡面數(shù)據(jù)、節(jié)理、單元的應(yīng)力場和位移場數(shù)據(jù)的方法，在DDA 的DC 程序中，對坡面和節(jié)理數(shù)據(jù)進行互相替換，將前一個工況的模擬結(jié)果作為下一個工況的初始模擬條件來達到進行分步下切計算的目的. 該種方法的流程圖如圖3.

圖3 DDA改進方法計算流程圖Fig.3 Calculation flow chart of DDA improvement method

4 巖體傾倒變形演化過程模擬及機理研究

4.1 黑河庫區(qū)邊坡傾倒變形演化過程模擬

黑河庫區(qū)兩岸的邊坡巖體呈中厚層狀，在構(gòu)建DDA 二維模型的時候，節(jié)理J2的間距取為6 m. 根據(jù)資料可以得知，河流對此區(qū)域的侵蝕速率為0.10～0.15 m/ka，由于區(qū)域的巖性比較硬，所以在使用DDA模型進行模擬計算時，侵蝕速率取0.1 m/ka. 以目前的地面為最終的工況，一個侵蝕階段取100 ka，初始工況為向前倒推三個侵蝕階段，即300 ka. 選取邊坡的橫向節(jié)理S1（73°∠28°）、豎向節(jié)理J2（202°∠82°）以及根據(jù)現(xiàn)場的實測剖面和推測地面線，在DDA中構(gòu)建二維模型，見圖8. 在模型的右側(cè)坡面布置了5個監(jiān)測點（圖4），用來監(jiān)測邊坡模擬傾倒變形過程中應(yīng)力場和位移場的變化. 各階段侵蝕示意圖見圖5.

圖4 二維DDA模型Fig.4 Two dimensional DDA model

圖5 各階段侵蝕示意圖Fig.5 Schematic diagram of erosion in each stage

利用二維DDA 的改進方法進行河流侵蝕作用下邊坡傾倒變形過程的模擬. 圖6 分別為初始工況（工況1）、侵蝕100 ka（工況2）、侵蝕200 ka（工況3）、侵蝕300 ka（現(xiàn)在的地面線）（工況4）的模型和模擬計算結(jié)果圖.

圖6 各工況下模型及計算結(jié)果Fig.6 Models and calculation results under various working conditions

從圖6所展示的不同階段工況可以看出，在初始工況的計算結(jié)果模型中，豎向組節(jié)理J2已經(jīng)有輕微的拉裂，整個邊坡此時已經(jīng)開始發(fā)生松動；而在侵蝕時間為100 ka時，邊坡上部發(fā)生微小的彎折，更多的節(jié)理的開始拉裂，并且有小范圍的崩塌；在侵蝕時間為200 ka時，邊坡的上部彎折顯著，彎折帶明顯，并且坡角處有輕微的拉裂變形；在侵蝕時間為300 ka時，可以看出傾倒帶從坡體的內(nèi)部一直延長到坡腳，而上部的彎折傾倒繼續(xù)增加，坡腳的巖體也隨之開始松動. 將侵蝕時間為300 ka時的邊坡局部傾倒變形和調(diào)查時現(xiàn)場的圖片作對比（圖7）可以發(fā)現(xiàn)，此時的模擬結(jié)果和實際考察的情況比較接近，這說明了此次模擬比較好地還原出了邊坡的傾倒變形過程.

圖7 現(xiàn)場觀測和模擬結(jié)果對比Fig.7 Comparison of field observation results and simulation results

以侵蝕300 ka（現(xiàn)在地面線）計算結(jié)果作為下一階段初始條件對邊坡的未來變形作預(yù)測，選取不同的侵蝕時間進行計算，發(fā)現(xiàn)繼續(xù)侵蝕時間為150 ka 時（工況5），邊坡的傾倒現(xiàn)象非常顯著，此時已經(jīng)發(fā)生破壞，計算結(jié)果見圖8.

圖8 現(xiàn)有地面線繼續(xù)侵蝕150 ka計算結(jié)果Fig.8 Calculation results of 150 ka continuous erosion of existing ground line

4.2 黑河庫區(qū)邊坡巖體傾倒變形機理研究

五個監(jiān)測點在邊坡傾倒過程中的水平方向和豎直方向的位移隨迭代步數(shù)的關(guān)系曲線以及選取邊坡內(nèi)部的監(jiān)測點1、2、3處塊體單元的轉(zhuǎn)角隨著迭代步數(shù)的變化曲線見圖9.

圖9 監(jiān)測點位移和轉(zhuǎn)角變化圖Fig.9 Displacement and rotation angle change diagrams of monitoring points

邊坡在發(fā)生傾倒變形的過程中會形成彎折帶，通過對邊坡位移和轉(zhuǎn)角隨迭代步數(shù)的變化曲線可以看出，在彎折帶的上方（監(jiān)測點1、4）位移和轉(zhuǎn)角都會有明顯的增大，彎折帶附近的巖體（監(jiān)測點2）在邊坡破壞時位移和轉(zhuǎn)角顯著增大，而下方（監(jiān)測點3、5）變化較小，監(jiān)測點3在整個演化過程中幾乎不變. 在彎折帶出現(xiàn)和貫通時，都會出現(xiàn)位移突然變化的情況，所以豎向位移、水平位移、轉(zhuǎn)角三者與迭代步數(shù)的關(guān)系曲線都呈現(xiàn)出“穩(wěn)定—突變—穩(wěn)定—突變”的特點. 通過以上分析，可以將河流侵蝕作用下中厚層巖體邊坡的彎折傾倒全過程總結(jié)歸納為以下五個階段：應(yīng)力重組階段、初始彎折階段（工況2和工況3的前半段）、彎折突變階段（工況3的后半段）、彎折穩(wěn)定階段（工況4）、破壞階段（工況5）.

從力學(xué)方面研究此邊坡傾倒變形破壞的機制，首先需要提取出邊坡在傾倒變形破壞過程中的應(yīng)力場數(shù)據(jù)，再通過摩爾-庫倫破壞理論得到監(jiān)測點1、4、5處主應(yīng)力大小隨迭代步數(shù)的變化曲線、大主應(yīng)力與x軸正方向的夾角θ的變化曲線（圖10）.

從圖10可以看出，隨著傾倒變形過程的發(fā)展，邊坡監(jiān)測點的大小主應(yīng)力整體呈增大趨勢. 坡腳監(jiān)測點5的大小主應(yīng)力都是最大的，說明在河流侵蝕下坡腳卸荷造成應(yīng)力集中現(xiàn)象. 隨著邊坡發(fā)生傾倒變形，坡面處的監(jiān)測點1、4大主應(yīng)力與x軸的夾角逐漸增大，而坡腳監(jiān)測點5大主應(yīng)力與x軸的夾角呈現(xiàn)減小的趨勢，從近乎和坡面平行方向向水平應(yīng)力方向靠近，在工況5邊坡發(fā)生破壞時，大主應(yīng)力方向發(fā)生起伏變化.

圖10 監(jiān)測點主應(yīng)力大小和方向變化圖Fig.10 Changes in the magnitudes and directions of the principal stresses at the monitoring points

4.3 鎮(zhèn)安縣邊坡傾倒變形演化過程模擬

鎮(zhèn)安縣兩岸的邊坡巖體呈薄層，在構(gòu)建DDA 二維模型的時候，河流對此區(qū)域的侵蝕速率取0.15 m/ka.以目前的地面為最終的工況，一個侵蝕階段取50 ka，初始工況為向前倒推三個侵蝕階段即150 ka. 選取邊坡的層理面S2（350°∠30°），豎向節(jié)理J4（142°∠74°）以及根據(jù)現(xiàn)場的實測剖面和推測地面線，在DDA中構(gòu)建二維模型，見圖11. 在模型的右側(cè)坡面布置了八個監(jiān)測點（圖11），用來監(jiān)測邊坡模擬傾倒過程中的應(yīng)力場和位移場變化. 各階段侵蝕示意圖見圖12.

圖11 二維DDA模型Fig.11 Two dimensional DDA model

圖12 各階段侵蝕示意圖Fig.12 Schematic diagram of erosion in each stage

圖13分別為初始工況（工況1）、侵蝕50 ka（工況2）、侵蝕100 ka（工況3）、侵蝕150 ka（工況4）（現(xiàn)有的地面線）的模型和模擬結(jié)果.

圖13 各工況下模型及計算結(jié)果Fig.13 Models and calculation results under various working conditions

從圖13 可以看出，當(dāng)侵蝕50 ka 時，邊坡的后緣出現(xiàn)拉裂縫并沿著豎向節(jié)理J4 向邊坡內(nèi)部延伸. 侵蝕100 ka時，坡體的變形加大，出現(xiàn)更多的豎向裂隙，并且伴有小塊體滑落. 侵蝕150 ka時，坡體的變形劇烈，發(fā)生明顯的傾倒變形現(xiàn)象，大量的小塊體滑落，巖體會順著層理面S2的方向發(fā)生微滑移. 侵蝕150 ka時，坡體向外彎曲形成臨空面，但是沒有沿層理面S2發(fā)生傾倒破壞，為了探究這種原因，對此種工況下的邊坡局部圖進行研究，如圖14. 可以看出，此時豎向節(jié)理J4發(fā)生明顯的彎曲，而層理面S2則變化較小，但是塊體在層理面S2的接觸方式由邊邊接觸變?yōu)檫吔墙佑|，導(dǎo)致層理面S2呈現(xiàn)規(guī)則的“鋸齒”狀，面摩擦變?yōu)樾Σ粒霈F(xiàn)爬坡效應(yīng)，結(jié)構(gòu)面的強度提高.

圖14 侵蝕150 ka邊坡局部特征圖Fig.14 Local characteristic map of slope eroded 150 ka

以侵蝕150 ka（現(xiàn)在地面線）計算結(jié)果作為下一階段初始條件對邊坡的未來變形作預(yù)測，選取不同的侵蝕時間進行計算，發(fā)現(xiàn)繼續(xù)侵蝕時間為110 ka時（工況5），邊坡此時已經(jīng)發(fā)生破壞，計算結(jié)果見圖15.

圖15 現(xiàn)有地面線再侵蝕110 ka計算結(jié)果Fig.15 Calculation results of 110 ka re-erosion of existing ground line

4.4 鎮(zhèn)安縣邊坡巖體傾倒變形機理研究

八個監(jiān)測點在邊坡傾倒過程中的水平方向和豎直方向的位移隨迭代步數(shù)的關(guān)系曲線以及選取邊坡內(nèi)部的監(jiān)測點1～5處塊體單元的轉(zhuǎn)角隨著迭代步數(shù)的變化曲線見圖16.

圖16 監(jiān)測點位移和轉(zhuǎn)角變化圖Fig.16 Displacement and rotation angle change diagrams of monitoring points

通過對邊坡位移和轉(zhuǎn)角隨迭代步數(shù)的變化曲線可以看出，邊坡淺層的監(jiān)測點（監(jiān)測點1、2、6、7）位移和轉(zhuǎn)角較大，坡頂監(jiān)測點1最大；而坡腳和邊坡深部（監(jiān)測點3、4、5、8）的位移和轉(zhuǎn)角則較小. 通過以上分析，可以將河流侵蝕作用下薄層巖體邊坡的彎折傾倒全過程總結(jié)歸納為以下五個階段：應(yīng)力重組階段、坡頂拉裂變形階段（工況2前半段）、初始傾倒變形階段（工況2后半段和工況3）、傾倒-滑移變形階段（工況4）、破壞階段（工況5）.

從力學(xué)方面研究此邊坡傾倒變形破壞的機制，提取出邊坡在傾倒變形破壞過程中的應(yīng)力場數(shù)據(jù)，再通過摩爾-庫倫破壞理論得到監(jiān)測點1、6、7、8處主應(yīng)力大小隨迭代步數(shù)的變化曲線、大主應(yīng)力與x軸正方向的夾角θ的變化曲線（如圖17）.

圖17 監(jiān)測點主應(yīng)力大小和方向變化圖Fig.17 Changes in the magnitudes and directions of the principal stresses at the monitoring points

從圖17可以看出，隨著傾倒變形過程的發(fā)展，邊坡監(jiān)測點的大小主應(yīng)力整體呈增大趨勢. 坡腳監(jiān)測點8的大主應(yīng)力是最大的，說明了在河流侵蝕下坡腳卸荷造成應(yīng)力集中；而淺表層各測點的小主應(yīng)力在坡體破壞前較小，破壞后出現(xiàn)劇烈的起伏，說明此時的邊坡不穩(wěn)定. 隨著邊坡發(fā)生傾倒變形，坡體淺層的監(jiān)測點1、6、7大主應(yīng)力與x軸的夾角逐漸增大，與坡面保持平行；而坡腳處監(jiān)測點8大主應(yīng)力與x軸的夾角逐漸減小，從近乎和坡面平行方向向水平應(yīng)力方向靠近，在工況5邊坡發(fā)生破壞時，大主應(yīng)力方向發(fā)生起伏變化.

4.5 中厚層和薄層巖體傾倒變形現(xiàn)象對比分析

通過上述分析我們可以得出，在傾倒變形過程中，中厚層巖體會在邊坡內(nèi)形成彎折帶，彎折帶上部和下部的變形存在較大的不同，整個傾倒變形過程可以分為五個階段，在彎折帶出現(xiàn)和貫通時，都會出現(xiàn)位移突然變化的情況. 薄層巖體則不會在邊坡內(nèi)形成彎折帶，坡體內(nèi)各個部分的變形數(shù)據(jù)逐漸增長，整個傾倒變形過程也可以分為五個階段.

在傾倒變形機理分析中，中厚層和薄層巖體邊坡都表明，深切河谷岸坡層狀巖體發(fā)生傾倒變形的根本原因是坡體所受大主應(yīng)力方向的偏轉(zhuǎn)，坡體淺表層大主應(yīng)力的方向隨著傾倒變形的發(fā)展而不斷變化，保持和坡面平行的狀態(tài)，而坡腳處的應(yīng)力集中現(xiàn)象使得此處大主應(yīng)力的方向向坡內(nèi)變化并逐漸趨于水平，也導(dǎo)致此處結(jié)構(gòu)面的強度變大，變形較小. 二者的不同點從剪應(yīng)力的變化曲線上可以看出，如圖18，薄層巖體邊坡由于不存在彎折帶，因此在坡腳處（監(jiān)測點8）剪應(yīng)力最大，在坡體內(nèi)部各監(jiān)測點處則較小，而中厚層巖體邊坡則由于存在彎折帶，導(dǎo)致彎折帶（監(jiān)測點2）附近的剪應(yīng)力最大，而坡腳處的剪應(yīng)力較小，彎折帶隔斷了坡體深部的彎折效應(yīng)，所以中厚層巖體邊坡傾倒變形現(xiàn)象主要存在淺表部.

圖18 監(jiān)測點剪應(yīng)力τxy變化曲線Fig.18 Variation curves of shear stress τxy at each monitoring point

4.6 中厚層巖體邊坡支護方案

通過上述研究，選擇中厚層巖體邊坡進行支護設(shè)計模擬，選擇侵蝕300 ka（現(xiàn)有地面線）的結(jié)果進行預(yù)應(yīng)力錨索支護，一共添加六根錨索，從上往下編號為1～6，上面三根長度為60 m，穿過彎折帶，下面三根長度為45 m，錨索添加的方向為與水平面夾角為30°. 錨索參數(shù)：彈性模量25 000 MPa；抗拉強度2000 MPa；預(yù)應(yīng)力值1200 kN，示意圖見圖19.

圖19 錨索支護示意圖Fig.19 Schematic diagram of anchor cable supports

對支護后的邊坡進行迭代求解，在1500步時計算收斂，提取監(jiān)測點1～5的位移數(shù)據(jù)和錨桿的錨固力數(shù)據(jù)，監(jiān)測點1～5的水平和豎向位移在支護后明顯減小，邊坡沒有破壞，起到了很好的支護效果. 從圖20可以看出錨索錨固力隨著迭代而逐漸增大，最靠近坡頂?shù)腻^索1錨固力最大，穿過彎折帶的錨索1～3的錨固力變化明顯，下面三根錨索4～6 變化則較小，錨索6 錨固力最小.

圖20 錨索錨固力變化曲線Fig.20 Variation curves of anchor cable anchoring forces

5 結(jié)論

本文以陜西省西安市黑河庫區(qū)左岸邊坡和鎮(zhèn)安縣縣河左岸邊坡為例，利用DDA數(shù)值方法，探究了深切河谷岸坡層狀巖體邊坡在河流侵蝕下發(fā)生彎折傾倒變形的演化過程和機理，得出以下結(jié)論：

1）根據(jù)實地觀測和分析，黑河庫區(qū)中厚層巖體邊坡發(fā)生傾倒變形主要是巖體力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面分布特征和河流侵蝕共同作用的結(jié)果. 鎮(zhèn)安縣薄層巖體邊坡發(fā)生傾倒變形主要是地表降雨入滲、構(gòu)造作用和河流侵蝕共同作用的結(jié)果.

2）針對二維DDA只能計算單一工況的問題，利用提取坡面數(shù)據(jù)、節(jié)理、單元的應(yīng)力場和位移場數(shù)據(jù)的方法，將前一個工況的模擬結(jié)果作為下一個工況的初始模擬條件進行分步下切計算，成功模擬了邊坡在河流分步侵蝕下的傾倒變形.

3）利用建立起的河流侵蝕岸坡巖體邊坡模型，對巖體傾倒變形演化過程進行了模擬分析，將河流侵蝕作用下中厚層巖體邊坡傾倒變形過程劃分為應(yīng)力重組、初始彎折、彎折突變、彎折穩(wěn)定以及破壞五個階段，薄層巖體邊坡傾倒變形過程中會出現(xiàn)爬坡效應(yīng)，將其劃分為應(yīng)力重組、坡頂拉裂變形、初始傾倒變形、傾倒-滑移變形以及破壞五個階段. 為河流侵蝕作用下巖體傾倒變形邊坡的防護提供了機理參考和防護依據(jù).

4）邊坡發(fā)生傾倒變形的根本原因是坡腳的結(jié)構(gòu)面強度變大，坡頂應(yīng)力釋放導(dǎo)致的主應(yīng)力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn). 傾倒變形的模式則是由剪應(yīng)力分布情況決定的.

5）通過對深切河谷岸坡層狀巖體傾倒變形演化過程和機理的研究，對中厚層巖體傾倒變形邊坡進行錨索支護模擬，相較于預(yù)測工況，計算后邊坡各處的位移明顯減少，從坡頂?shù)狡履_施加的錨索的錨固力逐漸減小.