楊鵬程， 李思達， 韓偉歌， 涂新斌， 王彥兵， 金永軍， 周鯤

(1.國網湖南省電力有限公司經濟技術研究院， 長沙 410004； 2. 能源互聯網供需運營湖南省重點實驗室， 長沙 410004； 3. 湖南經研電力設計有限公司， 長沙 410007； 4.中國科學院地質與地球物理研究所 中國科學院頁巖氣與地質工程重點實驗室， 北京 100029； 5. 國網經濟技術研究院有限公司， 北京 102209)

針對邊坡穩定性分析目前常用的方法有極限平衡法以及有限元數值模擬方法[1-2]。其中，傳統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體的復雜邊坡而言實現難度較大。而有限元數值模擬方法則以強度折減法為主。Zienkiewicz等[3]和Matsui等[4]提出了強度折減法的概念及其實現原理，并將其與極限平衡法進行對比發現兩者獲取的安全系數值較為接近。此后，由于強度折減法實現方法簡單，并且可獲取可靠的安全系數以及邊坡潛在破裂面，在邊坡穩定性分析方面得到了快速發展[5-7]。強度折減法同樣適用于復雜多軟弱層邊坡失穩分析，已有研究表明層理界面是巖石破裂失穩的主要控制因素[8]，而對于多軟弱層復合邊坡失穩過程中巖層界面的角色定位需要進一步研究。同樣，坡體內巖溶體的存在也改變了坡體的結構及完整性，導致邊坡受力更加復雜，研究難度更大。針對含巖溶邊坡問題，國內外學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行了分析；江學良等[10]探討了地下洞室對邊坡的影響規律，并建立了邊坡下伏洞室計算模型。巖溶導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地面塌陷規律。靳紅華等[12]采用強度折減法分析了巖溶蓋層穩定性。而不同溶洞形態分布及治理方法也被大量研究[13-15]。熊超等[16]針對巖溶區基坑開挖導致的層狀邊坡破裂機制進行了分析研究，探討了層狀邊坡變形規律，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機制研究較少，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機制鮮有報道。

現針對某巖溶區變電站場區附近多軟弱層復合邊坡，采用有限元強度折減法開展含巖溶復合邊坡變形破壞機制研究，為更直觀地分析巖溶對邊坡失穩破壞的影響，分別研究多軟弱層復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，揭示復合巖層界面以及巖溶對邊坡變形的影響機制，提出含巖溶復合邊坡治理建議，研究結果對含巖溶邊坡支護設計具有指導意義。

1 強度折減法基本原理

強度折減法基于巖土體黏聚力和內摩擦角參數，采用摩爾-庫倫(Mohr-Coulomb)準則進行單元彈塑性狀態計算，當巖土未到達屈服時，通過折減公式對強度參數進行折減，然后采用折減后的黏聚力和內摩擦角重新計算巖土體彈塑性狀態，從而得到新的彈塑性區分布。通過對強度參數的反復折減，直到巖土體發生失穩破壞，此時的強度折減系數則為邊坡穩定系數。強度折減公式為

(1)

(2)

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

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

采用強度折減法進行邊坡穩定性分析時，邊坡失穩破壞的判識方法至關重要。目前研究結果均表明以邊坡特征點的位移拐點作為邊坡失穩判據可得到誤差較小的安全系數[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，站址區域屬丘陵地貌，地面高程452.71～493.23 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、風化砂巖之下，勘察期間多個鉆孔均揭露有溶洞發育，場區巖溶分布不規律，屬巖溶強發育地段，通過鉆孔發現其內部多被灰黃色流塑-硬塑性黏土充填，物理力學性質較差。

2.2 工程地質條件

綜合區域地質資料，進行現場勘察，獲取鉆探數據，得到擬選站址區域地層分布情況。該區域主要有第四系土層、奧陶系砂巖、泥灰巖、石灰巖等，巖性特征分述如下。

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

(2)強風化砂巖：下奧陶統分鄉組，紫紅色，泥質結構，層狀構造，膠結程度一般，巖芯呈柱狀，錘擊無回彈，屬較軟巖，節理裂隙較發育，巖體較破碎，厚度未完全揭露。

(3)強風化泥灰巖：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，節理裂隙較發育，巖體較破碎。場地較廣泛分布，厚度未完全揭露。

(4)中風化石灰巖：下奧陶統分鄉組，青灰色，主要礦物成分為方解石、黏土礦物，塊狀結構，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合邊坡，并且鉆孔數據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多軟弱層復合邊坡變形失穩機制。

3 數值模型

通過區域調查可獲取擬研究邊坡長度約為85 m，整體坡高約30 m。根據鉆孔數據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。采用三維地質建模技術，對鉆孔數據進行光滑插值處理，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剖面，通過AutoCAD軟件繪制邊坡典型地質剖面圖，并將其導出為ABAQUS模擬軟件可識別的DXF格式文件，實現CAD和ABAQUS模擬軟件的數據對接。通過對地質剖面分區處理體現不同地層巖性的差異化，最終得到邊坡剖面數值模型(圖1)。該邊坡主要由黏土、強風化砂巖、強風化泥灰巖、中風化石灰巖和溶洞五部分構成。

邊坡內各巖土層基本物理力學參數通過土工試驗獲取(表1)，對邊坡內五部分區域分別賦予對應材料參數。

圖1 邊坡數值模型Fig.1 The slope numerical model

表1 模擬參數Table 1 Simulation parameter

假設模型為理想彈塑性，對其采用Mohr-Coulomb破壞準則，并采用非對稱完全牛頓進行求解。進一步對邊坡模型進行網格劃分，使其含12 274個四邊形平面應變單元(CPE4R)(圖2)。模擬時，固定坡體兩側水平位移以及模型底部的豎向位移，分別設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，并通過二次開發使其控制邊坡參數的強度折減，強度折減系數由2減小到0.5。

圖2 網絡模型Fig.2 Network model

4 邊坡變形機制分析

為了更直觀地研究含巖溶邊坡變形破壞機制，首先進行不含巖溶時多軟弱層復合邊坡變形失穩分析，從而方便與含巖溶邊坡進行對比研究。

4.1 不含巖溶時復合邊坡變形機制分析

首先，將坡體內巖溶參數設置為中風化石灰巖參數，即此時不考慮巖溶的影響。進行數值模擬，獲取不含巖溶時復合邊坡變形過程。ABAQUS模擬軟件中可通過觀察邊坡塑性區分布情況來反映邊坡失穩狀況。因此，提取不同時刻的塑性區分布圖(圖3、圖4)，由塑性區分布演化可以發現，在強風化砂巖和強風化泥灰巖巖層界面處最先出現局部剪切位錯滑移，隨后塑性區沿著巖層界面處不斷向坡體上下部擴展，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作用，而第二層強風化砂巖層較厚，成為滑坡體主要組成部分。強風化砂巖與強風化泥灰巖的巖性差異使得巖層界面處最易產生滑移變形，形成潛在滑移面。采用數值模擬方法確定邊坡潛在滑移面位置可為后續邊坡防護設計提供重要理論支撐。

基于ABAQUS強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。選取坡腳處節點作為特征點，提取特征點的水平向位移與強度折減系數，獲取強度折減系數與水平位移關系曲線(圖5)，由圖5可以發現模擬初期坡腳處的水平位移保持不變，直到強度折減系數達到1.77時，位移發生突變，此時邊坡失穩。因此，曲線拐點處的強度折減系數即為邊坡的安全系數。而該邊坡在不含巖溶時的安全系數為1.77，較為穩定。

圖3 初始塑性區分布Fig.3 Initial plastic region

圖4 潛在滑移面Fig.4 Potential slip surface

圖5 強度折減系數與水平位移關系Fig.5 The relationship between strength reduction coefficient and displacement

4.2 含巖溶復合邊坡變形機制分析

針對該站址區含巖溶邊坡，開展含巖溶多軟弱層復合邊坡失穩機制分析，并與上述不含巖溶邊坡進行對比分析，以便更準確獲取巖溶對邊坡失穩影響機制。首先獲取含巖溶邊坡塑性區分布圖(圖6)，由圖6可以發現，坡體中部巖溶的存在直接影響邊坡塑性區分布，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，并未產生明顯塑性分布。在該算例中坡體中部溶洞內出現塑性，而由于邊坡體存在多軟弱層，因此在巖層界面處同樣出現塑性區，塑性區集中在坡體下部，而巖溶的存在抑制了塑性區向坡體上部擴展，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險，巖溶決定了邊坡的穩定性，而此時巖溶在邊坡整體穩定性中一定程度上具有積極的影響。

為分析產生上述現象的原因，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，當邊坡不含巖溶時坡體位移有沿著潛在滑移面向下發展的趨勢，這同樣也是潛在滑移面形成的原因。而對于含巖溶邊坡，由于巖溶的存在產生局部地面沉降，導致位移云圖有向溶洞發展趨勢，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生塑性滑動面，從而導致邊坡沒有產生完整的圓弧形潛在滑移面。

進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)。由沉降曲線可以發現，巖溶頂部產生了不均勻沉降，越靠近坡腳沉降量越小，而靠近滑坡頂部沉降則呈現先增大后減小的趨勢，在坡體中部位置存在最大沉降量。結合圖7位移云圖可以發現，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生不均勻沉降。針對這一特點可進行針對性的治理。

圖6 塑性區分布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

擬建站址場區處于強巖溶發育區段，巖溶在場區內分布不均勻，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定性的影響至關重要。基于上述模型，將坡體中部巖溶內填充物去除，設置成無填充巖溶，進行含巖溶空洞的邊坡失穩分析，得到位移云圖及塑性區分布圖(圖9)。

由圖9可以發現當邊坡內含有無充填巖溶時，主要破裂模式為坍塌破壞，巖溶區域出現強烈的地面沉降，導致上部坡體直接垮塌。而在巖溶左側邊界處產生塑性區，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構面滑移區，此時坡體以垮塌破壞為主，伴有少許滑移破裂，呈現復合破裂形式，無充填巖溶對邊坡失穩起主導作用。

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

5 含巖溶復合邊坡治理建議

由上述研究結果可以發現：邊坡與巖溶兩者處于相互制約相互影響的關系中，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。當巖溶無充填或充填物強度較弱時，將產生較大沉降量，此時上部坡體會產生大范圍垮塌，此時邊坡呈現崩塌和滑移復合形式破壞。而巖溶內充填物強度較強時則對邊坡有較小的影響。因此，邊坡與溶洞的關系中存在一個平衡點，在某種特殊情況下，坡體中后方的巖溶對滑坡體的穩定將有積極性的影響。即巖溶的沉降量在允許范圍內，并且允許范圍內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定。當然，這種情況受到巖溶大小、位置、內部充填物強度的影響。因此，在處置含巖溶邊坡時，可首先結合三維地質建模技術與數值模擬方法對邊坡進行穩定性分析，確定擬研究邊坡與溶洞是否可達到平衡關系，如果可以則可采用注漿方式治理巖溶，通過向巖溶內注漿控制沉降量，使其達到該平衡點，此時可大幅度節省工程成本。而當巖溶注漿填充強度過高時，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定性影響即可。而治理多軟弱層復合邊坡最有效的方法則是采用抗滑樁[18]，通過數值模擬方法準確獲取潛在滑移面后，可針對性地進行抗滑樁設計，獲取最優布樁方式，節約施工成本。

6 結論

采用ABAQUS數值模擬軟件，基于有限元強度折減法研究了含巖溶多軟弱層復合邊坡失穩機制，得到如下結論。

(1)多軟弱層復合邊坡首先在巖層界面處產生剪切滑移破裂，最終順著巖層界面滑移貫通，產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定性。巖溶無充填或充填物強度較弱時，邊坡呈現垮塌為主和巖層界面滑移為輔的破裂形式，巖溶充填物較強時對邊坡穩定性無較大影響。

(3)理想狀態下坡體內巖溶在某些特殊情況下可對邊坡穩定性產生積極影響。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，則該巖溶的存在對邊坡穩定性是有益的。而特定的條件則與巖溶位置、大小、充填物有關，具體影響規律還有待進一步研究。

(4)得益于三維地質建模技術的發展，針對含巖溶多軟弱層復合邊坡，可有效獲取坡體內部巖層分布、巖溶狀況，并可獲取較為準確的三維地質模型，通過三維地質模型與數值模擬軟件的數據對接，可采用數值模擬手段對擬研究問題進行超前探索，從而有效指導后續施工設計，實現經濟效益的最大化。