吉牛水電站順層巖質(zhì)邊坡變形體成因機(jī)制及防治效果分析

劉瑞庭, 巨能攀*, 劉恒, 周新, 張成強(qiáng), 王豪

(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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610059;2. 國(guó)能大渡河流域水電開(kāi)發(fā)有限公司, 成都 610093)

滑坡是一種常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害,威脅著中國(guó)1/5～1/4的國(guó)土面積,造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[1]。近年來(lái),隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的快速發(fā)展,人類工程活動(dòng)日益強(qiáng)烈,由此誘發(fā)了大量的工程滑坡[2]。中國(guó)西南地區(qū)的水電工程普遍面臨著高邊坡的安全隱患問(wèn)題,一旦失穩(wěn)破壞將造成災(zāi)難性的后果,嚴(yán)重威脅到人民生命財(cái)產(chǎn)安全及水電工程的安全穩(wěn)定,因此對(duì)此類工程問(wèn)題進(jìn)行研究具有重要意義。

工程滑坡泛指由人類工程活動(dòng)直接誘發(fā)而產(chǎn)生的滑坡[3]。眾所周知,工程擾動(dòng)不僅會(huì)改變坡體的形態(tài)特征、應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng),同時(shí)當(dāng)遇有降雨、外部加載等不利因素疊加作用時(shí),會(huì)起到放大其不利影響的作用,工程擾動(dòng)對(duì)于滑坡的發(fā)生和發(fā)展具有明顯的催化效應(yīng)[4]。目前,對(duì)于滑坡治理,特別是公路及隧道口的滑坡治理已經(jīng)研究有多種措施,包括刷方減載、預(yù)應(yīng)力錨索錨桿、支擋支護(hù)、加固及排水等[5-7],對(duì)工程中遇到的順層滑坡治理也有部分研究[8-9]。針對(duì)工程擾動(dòng)誘發(fā)滑坡的穩(wěn)定性分析及應(yīng)急防治措施研究也取得了一定成果[10-11]。通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析和治理方案分析的研究一直是熱點(diǎn)問(wèn)題,一些學(xué)者認(rèn)為通過(guò)數(shù)值模擬指導(dǎo)邊坡工程治理及對(duì)邊坡坡體在工程治理前后的穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析是合理的、可行的[12-13]。包括對(duì)降雨等誘發(fā)因素進(jìn)行了大量水固間耦合作用[14]方面和不同條件滑坡力學(xué)響應(yīng)模型[15-16]的研究,對(duì)順層邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警方面的研究也取得一定成果[17-19]。離散單元法(discrete element method,DEM)被用于研究對(duì)巖體加載路徑對(duì)含開(kāi)放缺陷巖石試樣開(kāi)裂過(guò)程的影響[20]。此外,通用離散元程序(universal distinct element code,UDEC)還被用于將巖體建模為可變形塊體的組合,從而預(yù)測(cè)節(jié)理巖體強(qiáng)度和變形能力[21]。但是對(duì)于因人類工程擾動(dòng)及其他誘因綜合作用影響的滑坡,通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)其成因機(jī)制和有效防治措施的研究一直是重點(diǎn)和難點(diǎn)[22-24]。

現(xiàn)通過(guò)開(kāi)展邊坡變形體成因機(jī)制及防治研究,結(jié)合離散元數(shù)值模擬方法,為順層巖質(zhì)邊坡變形體工程防治處理提供技術(shù)依據(jù),對(duì)類似的工程擾動(dòng)及降雨綜合誘發(fā)滑移-拉裂式滑坡的成因機(jī)制分析及防治方案選取具有參考意義。

1 研究區(qū)工程地質(zhì)特征

1.1 研究區(qū)域概況

吉牛水電站位于四川省甘孜藏族自治州丹巴縣境內(nèi),該邊坡變形體位于革什扎河口上游約0.5 km的聶呷鄉(xiāng)甲居村區(qū)域邊坡中上部高程位置、某交通洞洞口上部,為自然邊坡,下方公路開(kāi)挖產(chǎn)生工程擾動(dòng)。2018年5月以來(lái),丹巴地區(qū)進(jìn)入雨季,地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā),受持續(xù)性的降雨影響與工程活動(dòng)擾動(dòng),道路上部基巖邊坡高程2 344～2 394 m范圍內(nèi)巖體發(fā)生強(qiáng)烈滑動(dòng)變形,于5月2日和12日先后發(fā)生兩次滑坡,總方量超過(guò)200 m3,大量塊石對(duì)洞口建筑物、坡角處施工道路混凝土路面及擋墻均造成不同程度的破壞,變形邊坡巖體松動(dòng)、破碎,具備再次崩滑的可能性,對(duì)水電站的正常運(yùn)行和下部道路通行造成嚴(yán)重威脅。正射影像及整體變形示意圖如圖1、圖2所示。

圖1 變形體正射影像位置示意圖Fig.1 Diagram of orthophoto position of deformed body

圖2 整體變形范圍示意圖Fig.2 Schematic diagram of overall deformation range

1.2 水文氣象條件

研究區(qū)域?qū)偾嗖馗咴图撅L(fēng)氣候。流域內(nèi)高山聳峙,溝壑縱橫,系典型的高山峽谷地貌,屬于北亞熱帶氣候。流域氣候的主要特點(diǎn)是:雨熱同季,降雨集中,干濕季分明;氣溫日較差大,年變幅小;日照、光輻射充足,干季多大風(fēng)。據(jù)丹巴縣氣象站(海拔高程1 949.7 m)1952—1991年資料統(tǒng)計(jì),多年平均氣溫14.3 ℃,極端最高氣溫和極端最低氣溫分別為39.0 ℃和-10.6 ℃,多年平均年降水量為593.8 mm,歷年一日最大降水量為43.4 mm,多年平均相對(duì)濕度為52%,歷年最小相對(duì)濕度為零。多年平均蒸發(fā)量為2 553 mm,多年平均風(fēng)速為3.5 m/s。

1.3 工程地質(zhì)條件

變形體分布高程2 300～2 394 m,順坡向長(zhǎng)度約150 m,寬度55～70 m,推測(cè)拉裂卸荷巖體厚度8～13 m,松動(dòng)巖體總體積約2.2萬(wàn)m3。變形體上部地形較陡,斜坡坡度一般為40°～45°。斜坡體上部海拔2 420 m左右,沿N10°W向分布有大型危巖體。坡頂分布覆蓋層厚度一般為1～1.5 m,植被稀疏。中上部段基巖裸露,巖性為灰色片巖,風(fēng)化程度介于強(qiáng)風(fēng)化到中風(fēng)化之間,斜坡上部海拔約2 370 m為斜坡主要風(fēng)險(xiǎn)源所在,有已被裂縫L1貫穿的危巖體,也是斜坡后緣所在位置。在坡底出露志留系茂縣群基巖,巖體表層受風(fēng)化及重力卸荷影響,基巖節(jié)理裂隙發(fā)育呈層狀碎裂結(jié)構(gòu),主要受產(chǎn)狀為130°∠38°及產(chǎn)狀為57°∠78°兩組裂隙控制。

通過(guò)分析變形體的邊界條件、變形破壞特征、監(jiān)測(cè)成果及數(shù)值計(jì)算等資料,將蠕滑變形體及其影響范圍分為3個(gè)區(qū),其中Ⅰ區(qū)為蠕滑拉裂區(qū),為變形強(qiáng)烈的蠕滑拉裂基巖邊坡,以L1裂縫為后緣邊界,基巖陡壁為上游側(cè)邊界,基覆界線為下游側(cè)邊界,道路內(nèi)側(cè)坡腳為前緣;Ⅱ區(qū)為拉裂影響區(qū),為Ⅰ區(qū)后緣及上游側(cè)基巖陡壁邊坡,未見(jiàn)明顯的變形跡象,整體較穩(wěn)定;Ⅲ區(qū)為蠕動(dòng)變形區(qū)及經(jīng)過(guò)抗滑支護(hù)的工程支護(hù)區(qū),其變形深度較淺,程度較弱。工程地質(zhì)平面圖及剖面圖(A-A′剖面)如圖3、圖4所示。

圖3 工程地質(zhì)平面圖Fig.3 Engineering geological plan

圖4 A-A′工程地質(zhì)剖面圖Fig.4 Engineering geological profile of A-A′

2 變形破壞特征及成因分析

2.1 變形破壞特征

變形體中上部基巖邊坡高程2 344～2 394 m范圍內(nèi)巖體開(kāi)裂顯著,發(fā)育數(shù)條順坡向陡傾卸荷拉裂縫,在空間形態(tài)上大致平行發(fā)育,張拉寬度0.3～6 m,延伸長(zhǎng)度35～55 m,可見(jiàn)深度5～8 m。在坡腳處道路路邊可見(jiàn)內(nèi)側(cè)擋墻后期加高段沿施工縫向外推出2～5 cm,同時(shí)擋墻上部的混凝土噴層有開(kāi)裂現(xiàn)象,覆蓋層邊坡表層局部滑塌,蠕滑變形體邊坡在道路內(nèi)側(cè)坡腳部位巖土體存在位移變形。除此之外,路面、道路下部邊坡滑坡體均未見(jiàn)變形跡象,以此推測(cè)道路內(nèi)側(cè)坡腳為邊坡蠕滑變形的前緣邊界;后緣邊界:蠕滑變形體L1裂縫后緣邊坡坡度42°～47°,高程2 410 m以上呈陡崖?tīng)?。后緣邊坡地表未發(fā)現(xiàn)較大規(guī)模的斷層、擠壓破碎帶,層面產(chǎn)狀正常,坡面未發(fā)現(xiàn)變形現(xiàn)象,后坡整體穩(wěn)定,L1裂縫即為蠕滑變形體后緣邊界。調(diào)查中發(fā)現(xiàn),后坡普遍發(fā)育順坡向卸荷裂隙,巖體長(zhǎng)期暴露于地表,受降雨、臨空面牽引及節(jié)理裂隙等因素的影響,存在卸荷變形的可能。坡中上部基巖坡體變形強(qiáng)烈,中下部覆蓋層邊坡及洞口工程邊坡局部見(jiàn)剪出破壞現(xiàn)象,道路擋土墻局部錯(cuò)位,整體變形特征如圖5所示。

圖5 邊坡變形特征示意圖Fig.5 Schematic diagram of slope deformation characteristics

2.2 成因分析

通過(guò)實(shí)際勘察及理論分析認(rèn)為,邊坡巖體為互層狀結(jié)構(gòu),傾向坡外,巖石軟硬相間,其中的二云片巖屬較軟巖石,具遇水軟化的特性,易產(chǎn)生塑性變形而形成軟弱滑動(dòng)面。強(qiáng)降雨、前緣開(kāi)挖或沖刷、中后緣不合理加載等都會(huì)導(dǎo)致坡腳附近軟弱帶擴(kuò)展和坡體穩(wěn)定性的降低,沿軟弱面的蠕滑?；w前移及表層變形,后緣出現(xiàn)拉裂縫并持續(xù)加深,中部逐漸出現(xiàn)剪應(yīng)力集中。同時(shí)地表形態(tài)是造成邊坡蠕滑變形的重要因素,形成前緣重力過(guò)大的態(tài)勢(shì),由于開(kāi)挖導(dǎo)致下部臨空面支撐力不足,具備下滑的空間。一旦潛在剪切面被剪斷貫通,則發(fā)展為滑坡。蠕滑變形區(qū)中上部的拉裂松動(dòng)巖體邊界主要受結(jié)構(gòu)面控制,并以層面為底滑面順層滑動(dòng),同時(shí)推擠中下部巖土體產(chǎn)生變形,邊坡中上部變形較中下部強(qiáng)烈,變形機(jī)制整體為推移式順層拉裂蠕滑變形。

根據(jù)理論分析及實(shí)際勘察將變形劃分為3個(gè)階段:①表層蠕滑:巖層向坡下彎曲,后緣產(chǎn)生拉應(yīng)力;②后緣拉裂:通常造成面向坡下的臺(tái)階;③潛在剪切面剪切擾動(dòng)。

研究認(rèn)為影響因素及作用機(jī)理有地形、巖體條件、卸荷、工程擾動(dòng)及降雨影響。

(1)地形。地表形態(tài)是造成該邊坡蠕滑變形的重要因素,中上部變形強(qiáng)烈的基巖邊坡地形陡峻,自然坡度40°～50°,局部達(dá)55°,而下游側(cè)、下部邊坡坡度較緩,地形相對(duì)較低,導(dǎo)致基巖邊坡在地形上相對(duì)較凸起,形成頭重腳輕的形態(tài),下部支撐力不足,具備下滑的空間。

(2)巖體條件。該邊坡巖體為互層狀結(jié)構(gòu),傾向坡外,巖石軟硬相間,厚薄不等,其中的二云片巖屬較軟巖石,具遇水軟化的特性,易產(chǎn)生塑性變形而形成軟弱滑動(dòng)面。邊坡同時(shí)發(fā)育順坡向的結(jié)構(gòu)面(J1)和與坡向大角度相交、陡傾的結(jié)構(gòu)面(J2、J3)。認(rèn)為對(duì)變形體邊坡邊界起到了分割作用。

(3)卸荷。該邊坡卸荷作用強(qiáng)烈,巖體強(qiáng)卸荷水平深度一般55～60 m,淺表巖體沿邊坡原有結(jié)構(gòu)面張開(kāi)0.5～2 cm,多充填次生泥、巖屑等,整體結(jié)構(gòu)較松弛。

(4)工程擾動(dòng)及降雨影響。工程擾動(dòng)與降雨是誘發(fā)邊坡變形的主要因素。由于地形原因,該變形體的基巖邊坡在地形上相對(duì)較凸起,形成“頭重腳輕”的形態(tài),而公路的開(kāi)挖更增加了滑體前緣向下的臨空面,前緣鎖固段破壞,最終導(dǎo)致下部支撐力不足,公路內(nèi)側(cè)滑體前緣剪出。另外,持續(xù)高強(qiáng)度的降雨,雨水沿現(xiàn)有裂隙、裂縫滲入坡體,導(dǎo)致巖石及潛在滑動(dòng)面的抗剪強(qiáng)度降低,影響邊坡穩(wěn)定。

3 數(shù)值模擬分析及滑坡動(dòng)態(tài)過(guò)程研究

3.1 離散元模型建立及模擬方案選取

巖土體物理力學(xué)參數(shù)的選取將會(huì)直接影響數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性[25]。然而,由于地質(zhì)體具有非連續(xù)、非均勻、流固耦合、未知初始狀態(tài)等特點(diǎn),僅依靠有限的鉆孔數(shù)據(jù)無(wú)法準(zhǔn)確給出滑坡體的滲流參數(shù)及巖土力學(xué)參數(shù)[26]。并且,通過(guò)傳統(tǒng)的確定結(jié)構(gòu)面參數(shù)方法(如試驗(yàn)法、工程類比法和專家經(jīng)驗(yàn)法等)不僅前置要求高,而且包含過(guò)多的主觀因素。因此,通過(guò)基于狄里克萊隨機(jī)向量的加權(quán)統(tǒng)計(jì)方法確定巖體及結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù),方法如下。假設(shè)所求參數(shù)的先驗(yàn)樣本服從未知分布F,未知分布的均值為μ,通過(guò)實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)及文獻(xiàn)收集到服從獨(dú)立同分布的參數(shù)樣本及平均值為

X=(X1,X2,…,Xn)

(1)

(2)

(3)

式(3)中:Vi(V1,V2,…,Vn)為服從D(1,1,…,1)分布的狄里克萊隨機(jī)向量。

因此只需通過(guò)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生N組服從D(1,1,…,1)分布的狄里克萊隨機(jī)向量,然后計(jì)算出所有組隨機(jī)向量取均值的隨機(jī)加權(quán)子樣,即可得到所求參數(shù)分布特征的估計(jì)值為

(4)

此方法作為一種適用于小樣本的重采樣技術(shù),消除了傳統(tǒng)方法主觀經(jīng)驗(yàn)的影響,利于確定所求參數(shù)的真實(shí)分布。參數(shù)選取如表1、表2所示。

表1 結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)選取Table 1 Mechanical parameters selection of structural plane

表2 巖體力學(xué)參數(shù)選取Table 2 Selection of rock mass mechanical parameters

數(shù)值模擬方案分為3種情況,如圖6所示。

圖6 邊坡影響因素分析示意圖Fig.6 Schematic diagram of slope impact factors analysis

(1)方案1:強(qiáng)降雨工況下未開(kāi)挖。方案模擬在強(qiáng)降雨工況下,下方道路未開(kāi)挖前處于自然邊坡?tīng)顟B(tài)。

(2)方案2:強(qiáng)降雨工況下開(kāi)挖。方案模擬下方道路開(kāi)挖后,在強(qiáng)降雨及下方工程擾動(dòng)下的狀態(tài)。

(3)方案3:強(qiáng)降雨工況下開(kāi)挖后治理。方案模擬在強(qiáng)降雨工況下,下方道路開(kāi)挖后,經(jīng)過(guò)防治支護(hù)(錨固)后的狀態(tài)。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

在方案1的強(qiáng)降雨工況下,自然狀態(tài)下的模型計(jì)算至10×104時(shí)步時(shí),通過(guò)分析X方向位移云圖(圖7)及邊坡位移矢量圖(圖8),其最大僅在淺表層強(qiáng)風(fēng)化帶之上產(chǎn)生約4.345 cm位移,整體保持穩(wěn)定。雨水作用為沿原有裂隙、裂縫滲入坡體,導(dǎo)致巖石及潛在滑動(dòng)面的抗剪強(qiáng)度降低。邊坡基本穩(wěn)定,可以認(rèn)為降雨對(duì)該邊坡的穩(wěn)定性影響相對(duì)較小。

圖7 數(shù)值模擬方案示意圖Fig.7 Schematic diagram of three simulation schemes

在方案2的強(qiáng)降雨工況下,開(kāi)挖后的模型計(jì)算至?xí)r步step為2.5×104時(shí),邊坡位移矢量圖及X方向位移云圖見(jiàn)圖9(a)、圖10(a)。可以看到,邊坡在坡體前緣開(kāi)挖之后,高程2 300～2 350 m處靠近開(kāi)挖臨空面的淺表部巖體產(chǎn)生了約0.2 m的變形,變形以斷層為后緣邊界,沿著緩傾坡外卸荷結(jié)構(gòu)面向臨空面方向產(chǎn)生剪切變形。高程2 350～2 370 m的坡表碎裂巖體由于受到上部巖體開(kāi)挖卸荷的影響,且?guī)r體極破碎,產(chǎn)生約0.1 m的變形,小于下部巖體變形。開(kāi)挖高程2 310～2 350 m深部1～2 m處巖體由于失去前緣被開(kāi)挖巖體的鎖固作用,向坡外產(chǎn)生變形,變形由高高程向低高程傳遞,越往下部受開(kāi)挖影響越小。開(kāi)挖高程以上的巖體,由于失去被開(kāi)挖巖體的支擋作用,首先在開(kāi)挖面產(chǎn)生變形并逐漸向上部延伸擴(kuò)展。第一階段變形特征:表層蠕滑,巖層向坡下彎曲,后緣產(chǎn)生拉應(yīng)力。

圖9 方案1位移矢量圖Fig.9 Displacement vector diagram of scheme 1

圖10 方案2位移矢量圖Fig.10 Displacement vector diagram of scheme 2

當(dāng)模型計(jì)算至5×104時(shí)步時(shí),邊坡位移矢量圖及云圖見(jiàn)圖9(b)、圖10(b)。從邊坡X方向位移云圖可以發(fā)現(xiàn),隨著變形的進(jìn)一步增加,在淺表層位移繼續(xù)加大至0.7 m的情況下,由于高程2 300～2 310 m、深部1～2 m處前緣巖體發(fā)生約0.2 m劇烈變形,導(dǎo)致后部巖體失去前緣被開(kāi)挖巖體的鎖固作用,加上較軟巖與中硬巖兩個(gè)層面分界,發(fā)生剪切破壞,滑面貫通,開(kāi)始向前下方變形產(chǎn)生約0.3 m位移。后緣坡內(nèi)的多組長(zhǎng)大裂隙密集發(fā)育,受到前部位移影響,產(chǎn)生約0.1 m的地表裂縫。從邊坡位移的變化可以看出,邊坡變形受控于結(jié)構(gòu)面,以不同巖性層面交界作為潛在滑面,以陡傾結(jié)構(gòu)面為后緣,以淺表層強(qiáng)風(fēng)化帶為主要滑體。第二階段變形特征:后緣拉裂,通常造成面向坡下的臺(tái)階。

當(dāng)模型計(jì)算至7.5×104時(shí)步時(shí),邊坡位移矢量圖及云圖見(jiàn)圖9(c)、圖10(c)?？梢钥闯?隨著變形的加劇,前緣部分已發(fā)生垮塌崩落,其X方向最大位移達(dá)到約1.2 m。

當(dāng)模型計(jì)算至10×104時(shí)步時(shí),邊坡位移矢量圖及云圖見(jiàn)圖9(d)、圖10(d)。由于淺表層巖體向臨空面垮塌崩落,加上滑體前緣深部巖體位移增加至約0.5 m,施工道路已被完全掩埋。前部巖體變形的加劇導(dǎo)致后方巖體脫離,后部裂縫寬度繼續(xù)增加,寬度1.5～2 m,邊坡最終X方向累積最大變形位移達(dá)3 m以上,脫落的碎石巖塊完全掩埋下方施工區(qū)及道路。此時(shí)在后緣高程2 375 m及中部高程2 350 m處,產(chǎn)生寬度分別約為1.5 m和0.5 m的裂縫L1、L2及L3,裂縫所在位置及裂縫寬度與實(shí)際情況高度吻合。此外,方案2在無(wú)降雨影響下(其他條件完全相同),開(kāi)挖后的邊坡在模擬中仍然發(fā)生了較大規(guī)?；瑒?dòng)。因此認(rèn)為,變形體下方道路開(kāi)挖導(dǎo)致的工程切坡對(duì)此滑坡的產(chǎn)生具有較大影響。

4 防治方案及效果分析

4.1 防治方案選取

拉裂的主要影響區(qū)分布高程為2 300～2 408 m,該區(qū)治理范圍包括L1裂縫后緣陡壁、上游側(cè)(至蝶閥室洞口)基巖陡壁。臨空面高陡,裂隙發(fā)育,目前未發(fā)現(xiàn)明顯的變形跡象,總體較穩(wěn)定。但坡體內(nèi)普遍發(fā)育J1卸荷裂隙,變形特征主要表現(xiàn)為向臨空面方向松弛變形,存在崩塌、掉塊的可能性。

該區(qū)域坡度較陡,針對(duì)順層巖質(zhì)邊坡破壞模式和破壞特征,主要考慮對(duì)前緣臨空陡壁面采取加支護(hù)措施進(jìn)行治理。主要治理措施為:在蠕滑區(qū)域前緣臨空陡壁部位采用包括深層錨索、中層錨筋束、淺層錨桿、表層噴護(hù)等深淺層結(jié)合的措施進(jìn)行綜合加固,在拉裂影響區(qū)設(shè)置一道截水溝,同時(shí)在坡度相對(duì)緩的部位設(shè)置一道被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)。

4.2 防治效果綜合分析

該邊坡共有9個(gè)GNSS測(cè)點(diǎn),其中GP01、GP02、GP05測(cè)點(diǎn)位于拉裂影響區(qū),GP03、GP04位于蠕滑變形區(qū),GP06、GP07、GP08、GP09位于邊坡下部的工程支護(hù)區(qū)。治理后模型監(jiān)測(cè)點(diǎn)從左向右開(kāi)始編號(hào),前緣設(shè)置點(diǎn)3#,中部設(shè)置點(diǎn)2#,后緣設(shè)置點(diǎn)1#。數(shù)值模擬方案3的監(jiān)測(cè)點(diǎn)及位移云圖如圖11、圖12所示。

圖11 方案2位移云圖Fig.11 Displacement nephogram of scheme 2

圖12 方案3監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖Fig.12 Schematic diagram of monitoring points

變形體拉裂影響區(qū)在2019年7—11月處于勻加速變形階段,目前處于穩(wěn)定階段。蠕滑拉裂區(qū)X方向的最大位移達(dá)到了876 mm,累計(jì)沉降最大值為600.89 mm。蠕滑變形區(qū)處于穩(wěn)定階段,截至目前累計(jì)變形量在800～1 600 mm。坡腳工程支護(hù)區(qū)處于勻速變形階段,截至目前累計(jì)變形量最大為180.29 mm。

該變形體于2020年6月左右完成蠕滑拉裂區(qū)及變形體后緣的支護(hù)措施。在進(jìn)行支護(hù)防治之后,現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到的位移數(shù)據(jù)顯示該滑坡的變形得到了較好的控制,GPS01、GPS03及GPS04在治理后均趨于平緩(GPS02由于外界干擾導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常),如圖13所示。同時(shí),由數(shù)值模擬方案3監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的位移數(shù)據(jù)(圖14)表明,在加固防治之后,該滑坡的變形得到了有效控制,監(jiān)測(cè)點(diǎn)1累計(jì)位移量控制在X方向3.23 cm以下,監(jiān)測(cè)點(diǎn)2累計(jì)位移量控制在X方向0.89 cm以下,監(jiān)測(cè)點(diǎn)3累計(jì)位移量控制在X方向0.461 cm以下,變形體滑移趨勢(shì)得到良好控制,與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線趨勢(shì)高度吻合。顯然,在進(jìn)行防治之后,該邊坡變形基本得到了控制,在降雨等外部影響下仍然保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài),并未再次發(fā)生滑動(dòng)。

圖13 方案3位移云圖(時(shí)步為100 000)Fig.13 Displacement nephogram of scheme 3

圖14 現(xiàn)場(chǎng)位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線Fig.14 Schematic diagram of creep deformation range

圖15 治理后數(shù)值模擬位移曲線Fig.15 Schematic diagram of creep deformation range

同時(shí),從防治前及防治后的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)均高度擬合的情況來(lái)看,數(shù)值模型是貼近真實(shí)情況的。而巖體及結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)的選取對(duì)二維離散元模型有著決定性的影響,因此從側(cè)面反映了基于狄里克萊隨機(jī)向量的加權(quán)統(tǒng)計(jì)方法在確定數(shù)值模型力學(xué)參數(shù)上的優(yōu)越性。并且,針對(duì)此類具有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的順層邊坡,可以通過(guò)離散元建模從而反演滑坡的演化過(guò)程、穩(wěn)定性系數(shù)、變形特性等,進(jìn)而為支護(hù)防治措施提供進(jìn)一步的理論支撐,提高防治工程的有效性和合理性。此種方法和思路對(duì)工程邊坡治理具有一定參考意義。

5 結(jié)論

基于吉牛水電站邊坡變形體的工程地質(zhì)特征及變形現(xiàn)象,分析不同工況條件下的滑坡變形響應(yīng)過(guò)程、基本破壞規(guī)律及地質(zhì)-力學(xué)模式,確定其主要誘發(fā)因素及形成機(jī)制,結(jié)合防治方案進(jìn)一步檢驗(yàn)治理后的防治效果,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證。得到結(jié)論如下。

(1)變形機(jī)制整體為推移式順層拉裂蠕滑變形。變形體中上部基巖邊坡至邊坡極限平衡狀態(tài)被打破后,蠕滑變形區(qū)中上部的拉裂松動(dòng)巖體邊界主要受結(jié)構(gòu)面控制,受上部基巖滑動(dòng)擠壓以層面為底滑面順層滑動(dòng),同時(shí)推擠中下部巖土體產(chǎn)生變形,主要表現(xiàn)為表層蠕滑,巖層向坡下彎曲,后緣產(chǎn)生拉應(yīng)力,后緣拉裂,潛在剪切面剪切擾動(dòng),至滑面貫通,在坡腳道路處剪出。前緣淺表層巖體向臨空面垮塌崩落,前部巖體變形的加劇導(dǎo)致后方巖體脫離,最終在后緣產(chǎn)生0.5～2 m的裂縫,在前緣水平方向累積最大變形位移達(dá)3 m 以上。

(2)此滑坡主要誘因?yàn)橄路降缆烽_(kāi)挖形成的工程切坡擾動(dòng),次要誘因?yàn)檫B續(xù)高強(qiáng)度降雨。邊坡在下方公路開(kāi)挖后,變形體下部臨空,支撐力不足,以不同巖性層面交界作為潛在滑面,沿著緩傾坡外卸荷結(jié)構(gòu)面向臨空面方向產(chǎn)生剪切變形,對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較大。而持續(xù)高強(qiáng)度的降雨,雨水沿原有裂隙、裂縫滲入坡體,導(dǎo)致巖石及潛在滑動(dòng)面的抗剪強(qiáng)度降低,對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響。

(3)根據(jù)順層巖質(zhì)邊坡破壞模式及破壞特征,結(jié)合離散元數(shù)值模擬結(jié)果,采取預(yù)應(yīng)力錨索等措施進(jìn)行綜合加固。防治后模擬結(jié)果最大累計(jì)位移量控制在3.23 cm以下,且實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線在治理后立即趨于平緩,均表明該滑坡的變形得到了有效控制。在降雨等影響下,仍然保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài),并未再次發(fā)生滑動(dòng)。

(4)防治前后現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)均高度擬合,模型與實(shí)際吻合,從側(cè)面反映基于狄里克萊隨機(jī)向量的加權(quán)統(tǒng)計(jì)方法在確定數(shù)值模型力學(xué)參數(shù)上的優(yōu)越性。針對(duì)此類具有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的順層邊坡,通過(guò)離散元建模從而反演滑坡的演化過(guò)程、穩(wěn)定性系數(shù)、變形特性等,進(jìn)而為工程實(shí)際提供進(jìn)一步的理論支撐,后續(xù)研究可從此展開(kāi)深入。

(5)在進(jìn)行工程活動(dòng)時(shí),應(yīng)考慮到人類工程活動(dòng)(特別是工程切坡)對(duì)自然邊坡造成的影響及導(dǎo)致發(fā)生次生災(zāi)害的可能性。尤其應(yīng)充分考慮工程擾動(dòng)與降雨等自然因素綜合影響下誘發(fā)滑坡的可能性。