彎曲傾倒邊坡開挖變形響應機理與反饋預測

陳平志　崔至　褚衛江　劉寧　周勇

摘要：針對苗尾水電站右岸壩基上游邊坡工程實例，開展定性分析，采用允許層面之間發生拉張破壞和剪切滑移、層間巖體可以發生屈服破壞的離散元分析方法模擬邊坡變形破壞現象，剖析變形破壞機理，開展動態反饋分析，并指導邊坡的搶險治理措施設計和后續設計優化。研究表明：邊坡坡腳開挖和雨季強降雨兩種不利條件共同作用下，坡腳垮塌導致變形范圍擴大，是邊坡較高高程部位覆蓋層開裂的主要誘因。基于離散元動態反饋的邊坡變形機理與穩定性狀態，確定了“強錨固固腳鎖腰+排水”的處理策略，在邊坡變形劇烈階段，首先采用壓渣進行處理，同時邊坡上部采用預應力錨固鎖腰，然后對邊坡下部采用錨索、錨拉板、灌漿固結等手段進行鎖腳處理。工程實踐表明，經過治理之后邊坡整體穩定性增強，治理措施有效。

關鍵詞：彎曲傾倒邊坡：離散元方法;變形破壞機理：動態反饋：苗尾水電站

中圖分類號：TU457

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2019.06.034

傾倒變形破壞是巖質邊坡的一種典型破壞失穩形式。傾倒變形邊坡巖體結構的基本特征是普遍發育的反傾層面或反傾結構面，邊坡變形時除了沿著反傾結構面錯動外，邊坡上部的淺表層可能會向臨空方向產生彎曲、折斷，俗稱“點頭現象”。傾倒變形按照其力學模式可以分為塊狀傾倒、彎曲傾倒和塊狀一彎曲組合式傾倒[1-3]。塊狀傾倒發生在硬質巖中，反傾層面間距較大，通常發育與層面垂直的節理。彎曲傾倒在較軟巖和軟巖中比較普遍，如片巖、千枚巖、板巖等，通常反傾層面的間距較小，并且與反傾層面垂直的節理不發育。彎曲傾倒邊坡變形發展一般比較緩慢，但一旦形成破壞規模通常比較大。目前對于傾倒邊坡的分析多采用基于強度理論的剛體極限平衡法[4-5]，但該方法適用于塊狀傾倒邊坡，對于彎曲傾倒邊坡具有一定局限性[6]，使得彎曲傾倒邊坡分析成為水電工程中的技術難題之一[7]。

在瀾滄江苗尾水電站的建設過程中，壩址附近幾處邊坡都不同程度地受到傾倒變形體的影響[8-9]，以左岸壩基邊坡和右岸壩基上游側邊坡為典型的已發生強烈傾倒變形的邊坡，受開挖擾動和降雨的影響最為顯著[1O]。本文以瀾滄江苗尾水電站右岸壩基上游邊坡為研究對象，以可以描述層面彎曲、錯開、滑脫的非連續數值分析為主要研究手段，對邊坡的變形破壞特征進行機理分析，找出對傾倒變形體影響顯著的因素，在此基礎上對邊坡后續開挖中變形特征和潛在問題進行定量預測，并對處理措施的效果進行動態反饋。

1 工程地質條件

瀾滄江苗尾水電站總裝機容量為1400 MW，河流在壩址區域由南北走向急轉成東西走向。右岸壩基上游側邊坡屬于典型的彎曲傾倒變形邊坡，在施工期出現了比較明顯的開挖變形。壩基上游邊坡形態與病害分布見圖1。右岸壩基邊坡開挖高程為1285 -1 398 m.最大坡高約為113 m，邊坡走向為北20一西30°，實際開挖坡度為40° -55°邊坡出露的巖土層為崩坡積含碎石粉質黏土及侏羅系花開左組上段第三亞巖組，坡腳為第四亞巖組，巖性主要為變質砂巖與絹云板巖，其中坡腳處以絹云板巖為主。巖體呈中薄層狀結構，層面平直光滑，巖層產狀受傾倒變形影響為走向北5°—西10°、傾南西角30°- 40°，與邊坡走向夾角為10° - 20°。

壩基上游邊坡工程地質剖面與二維離散元數值模型見圖2。右岸邊坡從坡表向內數十米深度是典型的彎曲傾倒變形體。前期地質研究工作根據彎曲傾倒變形程度（主要是層面傾角和層內張拉裂縫是否發生錯動）將傾倒變形體分成4個區：極強傾倒變形巖體A區、強傾倒變形巖體上部B1區、強傾倒變形巖體下部B2區、弱傾倒變形巖體C區。極強傾倒變形巖體A區在壩線處出露高程1 408 m附近。1 390 -1 450 m高程之間基巖大部裸露，局部為強風化巖體：1 450 m高程以上邊坡地表有厚度小于Sm的覆蓋層分布。

2 彎曲傾倒邊坡開挖響應分析

右岸壩基上游側邊坡于2013年5月初完成切腳開挖。開挖過程中，2013年4月15日發現邊坡中下部的混凝土噴層出現裂縫，5月25日發現噴層裂縫擴大，5月27日發現1 384-1 340 m高程發生淺層滑動。滑塌發生后，邊坡上部高程1 450-1 490 m之間產生較多裂縫。對變形監測數據進行詳細分析后，發現右岸壩基上游邊坡的傾倒變形具有明顯的空間相關性與時間相關性。

2.1 空間相關性

邊坡變形特性在垂直方向具有明顯的分區性，自下而上可以劃分為基本穩定區、滑塌區、傾倒變形影響區、強烈變形/開裂區、基本穩定區5個區域（見圖3）。

基本穩定區位于1490 m高程以上和1 330 m高程以下，受邊坡中部的變形影響較小，最大變形速率小于1 mm/d，與降雨之間的關系不顯著。現場未發現坡表有破壞現象。

滑塌區位于邊坡下部，在邊坡變形破壞的早期已發生淺層滑動，滑塌體厚1-3 m.長約45 m.垂直高度約18 m，初估塌滑方量250- 300 m。

傾倒變形影響區位于邊坡中下部，高程為1 380 -1430 m。在開挖擾動和降雨軟化等因素影響下，一直維持1-3 mm/d的變形速率，且變形持續時間較長，符合傾倒變形的基本特征。

強烈變形/開裂區高程為1 430-1 480 m。巖體在開挖擾動及降雨影響下，以蠕滑為主要變形模式，表現為普遍發育的拉張裂縫，穩定性較低，部分測點的累計變形超過1 m。

2.2 時間相關性

邊坡變形特征按時間可以劃分為階段I（2月至7月中旬）、階段Ⅱ（7月下旬至8月中旬）、階段Ⅲ（8月下旬至9月中旬）3個變形階段（見圖4、圖5）。

階段I累計降雨量不足150 mm。該階段的變形主要受切腳開挖、1 340-1 384 m高程局部滑塌等因素的影響。邊坡中下部1 385 -1 423 m高程之間的巖體平均水平和垂直變形速率均小于1 mm/d，且總體上呈減小趨勢;裂縫區域（1 467 m高程測點）水平變形略大于1 mm/d。總體而言，該階段變形趨于穩定。

階段Ⅱ單日最大降雨量不超過18 mm/d，30 d累計降雨量約300 mm。邊坡1 470 m高程至坡腳位置的變形均增大，其中較高高程裂縫區域的變形增大尤為明顯，該區域的水平變形速率和豎直變形速率量級接近：1 385 -1 423 m高程的變形速率分量為1-3mm/d，該區域在垂直方向上各表觀監測點變形速率的規律性較為一致，都屬于坡面、坡腳巖體軟化導致的傾倒變形響應。

階段Ⅲ最大降雨量為35 mm/d，降雨較為集中，邊坡中下部的測點因坡體破壞而全部損壞，無法測得數據，但邊坡上部的開裂區測點均測到較大的變形速率（最大為1129 mm/d）。9月下旬降雨量減小后，裂縫區域的變形速率顯著降低至6月水平。

2.3 其他監測成果分析

位于1 415 m高程附近的多點位移計監測結果顯示邊坡的變形深度大約為30 m。

1 378 m高程和1 390 m高程的錨索測力計實測荷載從3月到6月持續增大，6月上旬之后逐漸趨于平緩。

3 傾倒變形響應機理分析

3.1 地質分析

從時間和空間的相關性分析，可以初步判斷邊坡變形機理。邊坡下部開挖切腳使支撐傾倒變形的下部巖體厚度變薄，坡腳的板巖在上部重力的作用下發生變形，為傾倒巖體的變形提供了條件，從而導致1 410m高程附近的傾倒變形巖體變形加劇，發生了新的傾倒一拉裂變形。1384 m高程滑坡的發生進一步削弱了下部巖體的強度，導致傾倒變形向較高高程和深部發展，使1 460 -1 480 m高程巖體變形拉裂。因此，可以認為切腳開挖是導致邊坡5-6月發生變形破壞的主要誘因[11]。

在邊坡開挖初期發生一定程度的破壞之后，7-9月持續降雨人滲和施工擾動的影響導致邊坡的穩定性進一步降低，現場表觀監測顯示該階段邊坡大部分區域的變形速率較7月前普遍增大3 - 10倍，尤其是邊坡上部的覆蓋層開裂區域受降雨影響最為明顯。故可認為降雨人滲是邊坡7-9月穩定性持續降低的主要原因。

總的來說，變形后的邊坡并無大規模貫通性裂縫，邊坡變形深度位于B1層巖體內，屬傾倒變形初期階段，傾倒變形邊坡處于應力應變的調整期，邊坡整體處于基本穩定狀態，但局部穩定性差，特別是1 460 -1480 m高程的變形體具有發生局部塌滑的可能。1 390 m-1 440高程的巖體是支承上部巖體的巖橋，對下部巖體的變形擴展也有一定的控制作用，因此邊坡中下部巖體對邊坡變形和發展具有控制作用，如果邊坡中下部巖體的變形不能得到有效控制，巖橋一旦折斷，邊坡上下部位的變形就會貫通，使邊坡整體失穩。

3.2 數值分析

為了定量給出邊坡變形階段的穩定性水平，需要建立一個能夠正確描述邊坡變形發展趨勢的、可靠的數值模型。由于傾倒變形邊坡的變形受控于反傾層面、層內拉張裂隙、順坡向緩傾結構面等巖體結構，因此在數值計算中能否合理地體現各層傾倒變形體的結構特征顯得尤為重要。

本文采用可以模擬大量非連續結構面的平面離散元方法開展邊坡的變形和穩定性分析。選取壩基上游邊坡的中心剖面建立二維數值模型，模型沿橫向長340 m，底部高程為1 230 m，最高點高程為1 530 m。模型中考慮的結構面有主要斷層（ F107）、反傾層面、順坡緩傾結構面、層內張拉破裂等（見圖2）。

巖體力學參數的選取對于數值模擬計算分析有著非常重要的意義。工程前期，地質專業人員根據各巖層物理力學性質試驗成果，結合反演分析，并類比相似工程經驗，確定了各類堆積體、傾倒體、基巖的物理力學參數，作為數值模擬的基本參數（見表1）。

邊坡變形階段I的變形云圖見圖6。數值模擬計算得出該階段的最大累計變形約為9 cm，這與表觀監測點獲得的變形量值基本一致。圖7給出了計算出的塑性區分布情況，可以看出塑性區的分布范圍主要集中于淺層傾倒巖體中，表明坡腳切腳開挖導致的垮塌破壞使得這一部位巖體質量劣化，因此坡腳的變形明顯呈現向上傳遞的趨勢。數值計算驗證了坡腳的垮塌導致的變形范圍擴大是邊坡較高高程部位覆蓋層開裂的主要誘因，利用強度折減法對該階段的邊坡進行穩定性計算，得到邊坡穩定后的安全系數為1.09、潛在滑動面深度為30-40 m。

變形階段Ⅱ～階段Ⅲ為切腳開挖的后續變形過程，數值計算中考慮了降雨導致的邊坡巖體的軟化。圖8給出了邊坡變形階段Ⅱ、階段Ⅲ的變形云圖，最大累計變形約為7 cm，位于1 475 m高程附近的裂縫擴展區：邊坡中下部在錨索加固的作用下，變形位移為1-3 cm，與現場變形監測累計值一致。圖9為邊坡變形階段Ⅱ、階段Ⅲ的塑性區分布情況，可見降雨人滲導致的巖體軟化使邊坡塑性區明顯增大。對邊坡進行強度折減分析表明，邊坡安全系數為1.04，整體穩定性受降雨影響進一步降低，坡體一定深度范圍內處于欠穩定狀態。

4 工程措施與反饋預測分析

4.1 工程處理措施

根據邊坡變形機理與穩定性狀態，確定了“強錨固固腳鎖腰+排水”的工程處理措施。錨固方案主要為“錨拉板或框梁+預應力錨索”。根據邊坡的開挖進度，邊坡加固后的開挖過程主要分為3個階段（見圖10）。

加固階段i：針對邊坡劇烈變形采取搶險加固處置措施，主要包括：①在高程1385 -1415 m范圍內布置8排預應力錨索+框格梁+系統排水孔：②堆渣壓坡，堆渣體頂部高程為1330 m，頂部平臺寬為15 m。

加固階段ii：在潛在破壞帶前緣部位增加支護措施，并深入潛在破壞帶，以起到鎖腳效果，主要在高程1 330-1 348 m范圍內布置6排預應力錨索+錨拉板+系統排水孔+灌漿固結。

加固階段iii：①在高程1 370 m處布置4排錨筋樁+系統排水孔：②在高程1 352-1 368 m范圍內布置6排預應力錨索+聯系縱梁+系統排水孔：③挖除墊渣體，并布置6排預應力錨索+錨拉板+系統排水孔+灌漿固結。

4.2 治理效果預測分析

（1）加固階段i。利用強度折減法計算邊坡穩定安全系數為1.09。圖11為邊坡加固階段i強度折減后的邊坡臨界失穩狀態時的位移分布情況。該階段邊坡的潛在失穩模式為傾倒破壞，失穩破壞面為傾倒折斷帶，潛在破壞區域與變形階段Ⅲ相比未見有明顯增加。加固階段i新增錨固措施的布置范圍位于潛在滑動體的上部區域，其加固效果對邊坡整體穩定性提高并不明顯，但對布置范圍內的局部區域變形能起到一定的約束作用。

（2）加固階段ii。利用強度折減法計算得到邊坡加固階段ii穩定后的安全系數為1.22。圖12為邊坡加固階段ii強度折減后的邊坡臨界失穩狀態時的位移分布情況。加固階段ii新增錨固措施為變形I區、Ⅱ區施加錨索，布置范圍位于潛在失穩體的前緣部位，并深入潛在破壞帶，表現出較好的整體加固效果，較大程度地提高了邊坡的穩定系數，體現了高邊坡支護加固系統的“鎖腳”作用。此階段邊坡的潛在失穩模式與加固階段i—致。

（3）加固階段iii。此階段為工程現場處理的重點，需要結合數值分析成果幫助判斷堆渣體挖除對邊坡的影響程度。利用強度折減法獲得的堆渣體挖除前坡體整體穩定系數為1.22，表明堆渣體對邊坡整體穩定和坡腳處巖體均起到了較好的錨固效果，邊坡處于穩定性較好狀態：堆渣體挖除后，邊坡坡腳處以回彈變形為主（見圖13），主要影響范圍為1 360 m高程以下的巖體，最大變形位移約5 cm;坡腳處錨拉板錨索加固完成后，坡腳錨固區充分限制了渣體開挖卸荷變形向較高高程坡體發展，利用強度折減法計算得到堆渣挖除后邊坡的整體安全系數由1.22降低至1.19.結合圖14可知，加固階段iii強度折減后變形失穩區域較加固階段ii（見圖12）安全系數降幅小，因此，堆渣體的挖除對整個坡體不會產生顯著的擾動。

4.3 實際治理效果

根據以上加固措施，完成了全部邊坡開挖，在開挖過程中的監測成果在指導施工安全的同時，為邊坡穩定性評價提供了依據。具體表現為：①根據淺層變形在高程1 466 m的表觀變形監測數據，邊坡從當年12月完成開挖至來年3月，向坡面變形速率小于0.1mm/d.沉降速率小于0.015 m/d;②根據深部變形同期在高程1 408 m的多點位移計監測數據.10 m及30 m深度的變形速率均小于0.010 m/d。

從多點位移計和表觀測點監測的位移數據看，右岸壩基上游側邊坡的變形速率在開過過程中保持平穩。右岸壩基壩肩邊坡開挖完成后，在施加的支護結構作用下，邊坡變形得到控制，總體處于穩定狀態。

5 結語

（1）苗尾水電站右岸壩基上游邊坡坡腳巖體對整個邊坡的穩定起控制作用，邊坡中上部的極強傾倒巖體和強傾倒巖體穩定性較差，對坡腳的變形極為敏感，雨季強烈的降雨人滲加劇了邊坡變形。兩種不利條件綜合作用下，坡腳垮塌導致的變形范圍擴大是邊坡較高高程部位覆蓋層開裂的主要誘因。

（2）基于對邊坡變形機理的認識與離散元分析得到的邊坡穩定狀態，確定了“強錨固固腳鎖腰+排水”的處理措施。在邊坡變形劇烈階段，首先采用壓渣進行處理，同時邊坡上部采用預應力錨固鎖腰，然后對邊坡下部采用錨索、錨拉板、灌漿固結等措施進行鎖腳處理。通過數值反饋分析，對邊坡加固后的開挖響應情況進行預測，結果與實際開挖變形監測結果基本一致，表明處理之后邊坡整體穩定，處理措施有效。

（3）彎曲傾倒邊坡變形機理與常規滑動模式的邊坡有較大差異，針對常規邊坡的傳統分析方法、加固治理措施對彎曲傾倒邊坡均有一定的局限性。通過苗尾水電站右岸壩基上游邊坡實例分析表明，采用允許層面之間發生拉張破壞和剪切滑移、層間巖體允許發生屈服破壞的離散元分析方法模擬邊坡變形破壞現象和變形破壞機理是合適的，并基于此開展動態反饋預測分析為指導邊坡搶險治理發揮了重要作用，該方法在處理彎曲傾倒邊坡問題上具有很好的適用性。

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【責任編輯張華興】