高陡順層邊坡開挖動態響應及預警研究

陸高明　王哲鑫　劉伯全　王永明　任金明　胡小禹　周勇

摘要：為揭露大型高陡順層邊坡開挖變形規律、提出實際施工動態響應方法，以楊房溝水電站石料場邊坡動態設計為例，利用3DEC計算程序，結合邊坡開挖變形監測手段，對邊坡變形安全穩定性進行了數值模擬動態分析。結果表明：邊坡在3個階段的開挖支護變形范圍模擬值為10～25 mm，與監測結果相近。根據邊坡開挖監測數據及數值分析成果，建立了邊坡安全預警響應機制。研究成果可為大型順層邊坡開挖支護設計及施工提供參考。

關鍵詞：高陡邊坡； 順層節理； 動態分析； 楊房溝水電站

中圖法分類號：TV221 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.04.012

文章編號：1006-0081（2024）04-0073-05

0 引 言

在大型巖質邊坡開挖施工區域內，若出現順層節理為優勢節理的地質條件，其與組合偶發斷層組合形成的大型塊體會嚴重影響工程的安全建設和運營。Huang等［1］統計了中國近100個滑坡發現，順層邊坡滑坡占比為42%，反傾邊坡滑坡占比為33%，說明工程實踐中遇到的大多數為順層邊坡。目前，對于順層邊坡的失穩理論和機制研究已較為成熟［2-4］，包括用梁板彎曲理論、壓桿穩定理論分析潰屈失穩機制，用黏彈性理論分析直立邊坡穩定等；也不乏對開挖體型、風化情況等因素與順層邊坡穩定關系的研究［5-9］，提出了多個敏感性因素。對于順層邊坡的特點，不少學者進行相關研究，如開展地震波對順層邊坡破壞性的分析［10-11］。然而，各個工程在開挖邊坡時均存在自身的特殊性，有各不相同的特點［12-14］，導致不同工程難以采用可靠的單一理論來指導實際開挖支護。

楊房溝水電站石料場總體開挖高度為257 m，由于其順層陡傾角發育，分析其安全穩定性至關重要。本文結合楊房溝水電工程順層邊坡開挖實踐，利用非連續數值計算及強度折減法，分析了邊坡動態開挖支護過程的整體穩定性，結合開挖區內斷層與優勢順層節理形成的大型塊體，提出了工程邊坡實際變形預警響應機制，為工程開挖穩定提供了有效安全保障。

1 分析方法

過去的多年研究中，非連續介質力學方法（離散元、DDA等）發展迅速，并隨著計算機技術的發展，在巖石工程分析中的應用越來越普遍。其中，離散元3DEC程序具有分析復雜巖體結構三維效應和各向異性方面的優勢［15］，其采用可測量的巖塊和結構面參數，較真實地模擬復雜節理裂隙網絡（DFN），同時可獲得工程邊坡可能存在的破壞面和穩定安全系數，以指導工程實踐。強度折減法雖在一定程度有待商榷，但實踐表明，其處理方式簡單有效，可以有效揭示工程中的實際問題。

本文采用離散元計算方法和強度折減法進行分析［16-18］，通過對巖體和結構面強度參數進行折減，計算隨邊坡變形增加至出現失穩征兆的臨界狀態，并根據臨界狀態的變形場分布或變形速率分布情況，判斷邊坡潛在失穩模式，以達到評價邊坡穩定性的目的。

2 數值模型及基本條件

楊房溝水電站石料場位于壩址上游左岸，距壩址約1.5 km，自然邊坡總體走向約N10°～15°E，坡度40°～50°。坡面起伏相對較小，岸坡較順直，沿江長約600 m。順坡小斷層、節理發育，料場發育Ⅲ級結構面13條，開挖邊坡斷層走向以NNW、NNE、NE向為主，其中NNW、NNE向以中、緩傾角為主，NE向以順層陡傾角為主。斷層寬度一般0.5～4.0 cm，一般延伸長度10～40 m，長的可達70 m以上。

2.1 模型建立

楊房溝水電站料場邊坡開挖數值計算模擬的數值計算模型范圍：600 m×800 m×600 m（x×y×z），模型底部高程為1 900 m。模型的坐標系y軸為N-S向，坐標系x軸為E-W向，z軸為鉛直向。根據邊坡由上至下分期梯段開挖方案，確定了計算模型分序開挖分析方案，對應于數值模擬開挖分析中的各典型開挖步，每開挖步的開挖高差為20 m。

根據地質資料和已開挖揭露的地質情況（表1～2），模型中主要考慮Ⅳ級及以上結構面和部分優勢節理等，以反映該部位后續開挖卸荷變形特征以及在不同工程荷載下的潛在失穩破壞特點，巖體結構特征見圖1。采用Cable（錨桿）單元對主要支護系統加以模擬。

2.2 物理力學參數

巖體本構模型采用摩爾-庫倫彈塑性本構模型。該準則是傳統Mohr-Coulomb剪切屈服準則與拉伸屈服準則相結合的復合屈服準則。巖土工程數值分析中，對于不連續結構面的模擬基本采用軟弱夾層（實體單元）和接觸分析（無厚度單元）兩種分析方法。兩種方法各有優缺點，且存在“變形等效”的基本性質，因此對變形計算結果的影響不大。其中將結構面中考慮為無厚度節理單元方法反映的變形特征和破壞形態更為直觀，能夠較好地描述結構面的張開、壓縮、剪切滑移等基本現象。本文選用接觸面模型模擬結構面，以摩爾-庫侖剪切強度準則為破壞準則。

3 計算結果與分析

3.1 第一階段開挖響應分析

此梯段（2 330～2 250 m）邊坡開挖對整個開挖變形影響較小，邊坡變形增長主要發生在開挖部位，以向臨空面的卸荷回彈變形為主，未有規模偏大的確定性塊體揭露，開挖面的累計變形3～5 mm，最大變形8 mm。從圖2可以看出，隨著高程2 250～2 270 m的開挖，揭露了一系列的順坡，如中傾角結構面（fj211、fj212、fj14等）后，邊坡變形表現出一定非連續變形特征。

邊坡受斷層fj1影響明顯，當強度折減系數為1.6時，可與該階段揭露的斷層fj212、fj211、fj24組合表現出明顯的潛在塊體變形特征。綜合判斷此開挖階段邊坡整體安全系數在1.5以上。本階段屬于開挖初期，未揭示大量控制性塊體，邊坡處于安全穩定狀態，但開挖期間已取得大量監測數據，對計算模型的修正起到了關鍵作用。

3.2 第二階段開挖響應分析

此階段（2 250～ 2 210 m）開挖對整個邊坡影響較上一階段稍大，邊坡變形增長主要發生在中下部，仍以卸荷回彈變形為主，累計變形5～12 mm。其中，受中傾角順坡結構面（fj211、fj212、fj14、fj69、fj8等）逐步受開挖面揭露的影響，局部開挖卸荷變形增長較為明顯，表現出一定的非連續變形特征，最大變形約18 mm，詳見圖3。

從邊坡強度折減后的變形特征來看，邊坡受長大斷層fj1的影響最明顯。在順坡結構面諸如fj211、fj212、fj14、fj69、fj8等影響下，邊坡易組合形成規模較大的不穩定塊體，對fj1上盤巖體的穩定性較為不利。綜合判斷此階段邊坡整體安全系數在1.4以上。

3.3 第三階段開挖響應分析

第3階段（2 210～2 095 m）的開挖高度累計超過100 m，對整個石料場邊坡下游側的影響較大。此階段邊坡變形增長主要發生在中下部，以卸荷回彈變形為主，開挖累計變形量約10～20 mm，局部存在結構面控制的非連續變形問題。由于此階段開挖均位于坡體靠右側，開挖體與斷層fj1存在較明確的空間相對關系，在開挖過程中，fj1上盤巖體會持續出現向右側方向的側向卸荷變形，若后續與結構面fj69、fj64、fj24、fj23等形成一定規模的不利組合，該部位的開挖變形問題可能會較明顯，這需要在后續開挖階段持續關注。fj1上盤巖體開挖變形普遍增長約5～12 mm，累計變形量約12～25 mm，詳見圖4。

石料場工程邊坡累計開挖高度超過300 m，為典型高陡巖質邊坡，在整個邊坡開挖過程中，現場揭示順坡向不利結構面發育，加之受長大斷層fj1等影響，先后形成了多個較大規模的潛在不穩定組合塊體。

通過深入開展動態開挖支護設計工作，合理調整和優化開挖體型及施工方案，對各潛在不利塊體采取了針對性支護措施，有效確保了施工安全和邊坡穩定。結合部分揭示的地質條件，綜合判斷該邊坡在開挖支護完成后的整體安全系數在1.30以上。

4 安全預警制定

邊坡失穩是變形不斷積累的結果，可以利用變形量大小和變化趨勢判斷邊坡的穩定性。由于邊坡自身條件和潛在破壞方式的差異，現實中往往缺乏統一的變形判斷標準。就本工程邊坡而言，利用位移確定邊坡穩定性時需考慮兩個方面的因素：數值大小和變化趨勢。其中，數值大小多指某個因素作用下（如假設巖體強度弱化、開挖等）的變形增量。變形增量與邊坡穩定性之間往往不存在確定性關系，因此，這一參數只能作為一個方面的參考。如果增量比較顯著、或者在相似條件下增量變化較大時，對邊坡穩定性的指示意義更強。在本次分析中，通過多次試算對比，把20 mm以上的變形增量、增速增大作為潛在不穩定的判斷依據之一，對本工程邊坡穩定性評價具有一定的適用性。若監測累計位移達到顯著量級水平、強度進一步折減時變形出現加速變化，則認為此時邊坡已經開始出現破壞跡象，邊坡處于“穩定”向“失穩”過渡的臨界狀態；否則，可以認為邊坡仍然可以保持相對穩定。

根據本工程邊坡開挖現場監測布置情況和現有監測數據，結合同類工程經驗和數值反饋分析成果，提出了邊坡后續開挖的變形預警監控指標，為邊坡下一階段開挖過程中監測數據的預警提供了變形增量和變形速率方面的參考指標，可以為邊坡后續開挖變形響應和穩定性評價提供及時有效的預警作用，如表3～4所示。為方便工程現場人員快速辨識和可量化操作，變形監控指標的擬定主要對應于典型工程監測部位（圖5）。

5 結 論

（1） 本文對楊房溝水電站工程邊坡開展開挖動態響應分析，考慮了位移數值大小和變化趨勢兩個因素，結合實際監測數據，提出了相應預警方法。研究結果表明：變形數值增量速率較顯著、或在相似條件下增量變化較大時，對確定邊坡穩定性的指導意義較大。

（2） 邊坡穩定性一般通過變形監測指標判斷。獲得現場變形監測數據后，建立安全預警機制通常有兩種基本方法。一種是直接根據變形監測資料如變形發展趨勢、變形速率、絕對變形量等進行分析。這一方法的優點是直接利用了監測數據，在分析工作深度和質量能得到保障的條件下，具有較高可靠度，其不足是預警性建立在實踐基礎上，對于早期問題判斷和條件變化以后問題的把握相對困難。本文采用另一預警方法，利用獲得的監測資料和詳細地質資料，借助數值模擬手段進行大量的因素分析，建立邊坡變形的預測系統，對比監測資料不斷進行修正，在獲得可靠預測結果基礎上，再建立預警判據和準則，這樣的判據和準則具有高度實用性。

（3） 本文利用大量計算和監測數據多次更新迭代形成預警機制的方法。該方法可隨時應對實際變化情況，提前預警和指出潛在問題原因，對于工程實踐具有指導意義。

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（編輯：高小雲）

Research on dynamic analysis and early warning of high and steep bedding slope

LU Gaoming1，WANG Zhexin2，LIU Boquan1，WANG Yongming1，REN Jinming1，HU Xiaoyu1，ZHOU Yong2

（1.Zhejiang Huadong Construction and Management Corporation Limited，Hangzhou 310030，China； 2.Huadong Engineering Corporation Limited，Hangzhou 311122，China）

Abstract： In order to reveal the regulation to large-scale high，steep and bedding engineering slopes excavation，and come up with a method for dynamic construction，taking the dynamic design of slope in the quarry of Yangfanggou Hydropower Station as an example，3DEC calculation program combined with the slope excavation deformation monitoring methods to conduct numerical simulation dynamic analysis on the safety and stability of slope deformation was used.The result showed that the simulated excavation support deformation range of the slope in three stages was 10～25 millimetre，which was similar with the monitoring value.According to the monitoring data for slope excavation and simulation results，a mechanism of early warning of slope excavation was built.The research result can provide a reference for the design and construction of excavation and support for large-scale bedding slope.

Key words： high and steep slope； bedding joint； dynamic analysis； Yangfanggou Hydropower Station

收稿日期：2023-11-02

作者簡介：陸高明，男，工程師，碩士，主要從事水利水電工程設計工作。E-mail：849592075@qq.com