班达水电站中坝址区岸坡卸荷形成机制物理模拟研究

2019-01-23赖远超丁军浩

人民珠江 2019年1期

刘东，邓辉，苏航，赖远超，丁军浩

(1.成都理工大学地质灾害防治与地址环境保护国家重点实验室，四川成都 610059；2. 成都市勘察测绘研究院，四川成都 610081)

在中国,物理模拟试验作为一种研究方法运用于工程地质领域起始于20世纪70年代。因其具有能够真实反映地质构造和工程结构的空间关系和力学关系,准确地模拟地质过程的演变以及试验结果直观等特点而受到广泛运用。在边坡稳定性问题上，这种方法应用最为广泛，如石豫川[1]等通过建立边坡模型研究了缓倾角顺层边坡的变形破坏机制；就岩爆这一工程地质问题，李天斌[2]等用大尺寸的隧洞开挖模型进行了岩爆物理模拟研究，得出了隧洞开挖过程中围岩应力发生突变的两种表现方式；前人也曾将这种研究方法应用在路基稳定性问题上，如冯文凯[3]等利用物理模拟研究中的底摩擦试验方法，对在基岩斜坡上填筑路堤时所产生的几种不均匀沉降模式及其对路面结构的影响等演变过程和力学机制进行了研究。虽然这一研究方法在工程地质问题上得到了广泛运用，但在开挖卸荷这一问题上并不多见，人们多用数值模拟的方法对其进行研究，仅能从理论上对实际问题进行分析。但还是有少数人运用了物理模拟方法对卸荷问题进行过研究，如黄达[4]等用该方法研究了裂隙岩体卸荷变形破坏、强度及裂隙扩展演化过程；马洪生[5]等通过开展含软弱夹层顺层岩质边坡的静力开挖试验，研究了不同开挖角度对边坡位移松弛区范围大小的影响。但他们没有深入地对卸荷过程中岩体的应力变化和位移变化进行分析，同时，人们运用物理模拟方法对河谷下切卸荷的研究相对来说也是极少的，本文结合河谷演化历史，以班达水电站中坝址为原型，从实际出发，通过地质力学模型试验研究了河谷下切使得岸坡发生卸荷变形的机理，并深入地分析了河谷下切过程中岸坡的应力变化以及位移变化，总结了岸坡卸荷的形成机制。

1 原型基本特征

本模型试验模拟的地质原型为班达水电站的中坝址区域，其位于色汝小河口上游约0.6 km的澜沧江河段内。坝址区河谷总体呈对称的“V”形谷，河道顺直且水流湍急，两岸岸坡地形陡峻，多形成陡壁或陡坎，临江坡高可达2 000 m以上，岸坡岩体主要为强度较高的英安岩，局部有角砾火山岩和凝灰岩出露。左岸岸坡自然坡角一般为50°左右，右岸岸坡2 900 m高程以下自然坡度约60°左右，2 900 m高程以上自然坡度则在35°～40°之间。喜马拉雅构造时期以来，澜沧江流域河流下切侵蚀作用总体十分强烈，河流上游河段及外围区域河段形成大起伏-极大起伏的侵蚀高差。由区域资料可知及研究区附近河流阶地发育情况可知，本区段流域共发生过5次地壳抬升，同时也形成了五级基座阶地，其中Ⅰ级阶地在该坝址区的拔河高度为9 m左右，Ⅴ级阶地阶地拔河高度为100 m左右，说明该流域在历史上大致经历了5次河谷下切卸荷过程[6-7]。坝址区两岸可见明显的岩体卸荷现象，岸坡卸荷以高程3 000 m左右为界线，上部岩体卸荷松弛现象明显，如碎裂松动、崩塌、危岩体、变形体等的发育，而下部岩体则以浅表部结构面开裂为主要方式，从岸坡的浅表部到深部，其岩体卸荷程度逐渐减弱。两岸岩体强卸荷在低高程发育较浅，发育深度一般在20 m左右，局部无强卸荷，弱卸荷带深度30 m左右；中、高高程卸荷发育较强烈，特别是高高程部位，强卸荷带深度可达100 m左右，弱卸荷带深度达150 m左右。在强卸荷带内岩体大量松动、碎裂，局部架空明显，结构面较发育且裂隙张开度较大，一般在5～10 cm之间。两岸顺坡向倾坡外陡倾角节理呈微弱对称，表明卸荷作用产生的新生裂隙发育不明显，坝区卸荷裂隙多数是在原生及构造结构面基础上进一步改造扩展或张开形成的。由于坝址区内发育的英安岩的溢流面(似层面)总体缓倾左岸，导致河谷下切卸荷过程中右岸倾坡外的结构面较左岸要发育，使得右岸卸荷现象明显强于左岸。

2 模型试验

本次三维地质力学物理模型试验属于非线性破坏试验,需要在几何条件、力学参数等方面满足一定的关系,按相似原理,模型与原型之间应该满足的主要相关系为：

Cσ=Cγ·CL

(1)

Cσ=CγCl

(2)

Cμ=Cε=Cf=1

(3)

Cσ=CE=CC=CRτ=CRC

(4)

(5)

根据该水电站坝址区河谷地形特点、岸坡地质构造特性，结合实验场地大小及试验目的等因素综合考虑后，最后选定几何相似比CL=500。确定试验模型尺寸200 cm×20 cm×100 cm，相当于原型工程1000 m×100 m×500 m时范围，这样大的范围较好地包含了坡体的边界条件。

本次模型材料的选择是通过单轴极限压缩实验和剪切实验测定出所配岩样的相关数据,选出最为满足相似条件的一组岩样，通过筛选确定的一组岩样的材料组分和配合比见表1，表2为其对应的力学参数与地质原型的参数对比。

表1 相似材料配比 %

注：松香酒精溶液浓度为10%

表2 岩体物理力学参数

根据确定的相似材料配比，制备尺寸为20 cm×10 cm×4 cm的预制块，虽然坝址区河谷在历史上实际经历5次下切卸荷，但受实验条件的限制，结合坝址区实际情况以及试验要求设计将模型分3次下切。参考地质原型将试块堆砌在试验设备中，堆载完成的模型见图1。

在试验过程中，需要用到特定的数据采集装置来监测采集模型的应力、位移等一系列指标和数据，数据采集设备见图2。主要利用千分表位移计、微型土压力传感器来测量、采集模型坡体不同部位的应力及位移变化。结合实验需要，监测点的分布位置主要是在现今河谷两岸岸坡的低高程、中高程以及高高程部位，每个高程岸坡内布置2～3个监测点，编号从1号到16号的16个监测点的位置布置见图3。

本次模拟试验主要考虑的荷载类型为自重力和构造力，自重以材料容重与原型容重相等来实现，水平构造力通过液压千斤顶向模型侧面的钢板施加荷载来实现，由于在构造运动中，挤压都是由岩体的一侧传向另一侧，故本次试验选择单侧施加水平荷载。在模型达到一定强度时，对其施加各期次相应的荷载，使其达到预定的应力状态且稳定后方可进行下切开挖。这样能使岩块间挤压密实且岩体中应力能够连续分布，避免了因单个岩块堆砌模型所带来的不均匀性，能够减小与实际岩体存在的差异；同时，岩块间的接触面在一定程度上也能模拟原岩中的原生结构面(如似层面)。在各期次河谷下切开挖试验之前，对模型内部的应力以及位移监测点的原始坐标位置进行初次采集，作为模型监测点的初始位置和应力情况，用于之后的分析。模型共有3次河谷下切开挖，待前一次下切开挖引起的边坡应力、位移及裂隙发育情况在连续数次进行数据采集时稳定不变后，方可认为某期次模型已完成“表生”改造阶段的变形，再进行下期次开挖，之后重复上述过程，直至完成最后一次下切，待模型末期河谷下切即“表生”改造阶段完成后，对各监测数据进行最后一次采集记录。

3 试验结果分析

3.1 变形破裂分析

在河谷下切中，由于原先岩体处于压密状态，在岩体出现临空面时，会产生应力释放、降低，进而发生卸荷回弹，同时也会产生破裂裂隙，河谷下切后模型岸坡岩体的变形、破裂现象见图4、5。随着河谷的下切，两岸岸坡岩体产生了明显的卸荷新生破裂裂隙，特别是坡体的浅表部破裂现象尤为明显，而坡体深部现象较弱甚至无破裂，且岸坡右岸的破裂现象明显较左岸的明显，在下切过程中右岸坡表岩体相对于左岸更为为破碎，由图4和图5对比可知。这说明岩体的卸荷右岸要强于左岸，这与前面交代的英安岩溢流面(似层面)总体缓倾左岸，导致河谷下切卸荷过程中右岸倾坡外的结构面较左岸要发育的情况相符。

3.2 应力变化分析

河谷的下切过程为边坡岩体卸荷提供了有利的临空条件，为坡体向临空面变形提供了空间，同时也破坏了坡体内部原有的应力平衡，这时坡体内部岩体必须通过应力释放来调整应力以达到新的平衡状态。现对模型在下切卸荷过程中两岸坡体的内部应力作以下分析。

随着3次下切的完成，坡体内压力由于卸荷而产生相应的减小。从左岸测点的压力变化曲线来看，见图6，同一高程的测点压力越靠近岸坡坡表，其值越小，如1、2、3号测点的压力值依次增大，4号比5号的压力要低；同样的荷载条件下，靠近坡表岩体压力下降较快，如7、8号及4、5号的测点压力变化情况，靠近坡表的7号测点压力在第2次及第3次下切中明显比8号测点要降低的快，同时4号测点压力较5号测点下降得快，说明靠近坡表岩体卸荷更为强烈；从靠近坡表在不同高程的测点1、4、7号的变化情况来看，处于高高程的7号测点的岩体内部压力变化较处于中高程的4号测点及低高程的1号测点大，说明高程越高，其经历的卸荷阶段越长，卸荷也越为强烈；但在不同阶段，压力的下降值也不同，7号测点的压力变化在第1次及第2次下切中比第3次的变化要大，而1号测点压力在前两次下切中变化不是很明显，在第3次下切中降低的更为迅速，这与各测点在河谷岸坡中所处的相对位置不同有关。

相对于左岸来说，图7中右岸各测点压力变化总体上比左岸要变化幅度更大，波动较明显。从第1次下切开始，由压力曲线图可以看出，压力值整体降低，降幅一般在15 kPa左右。由于起初河谷处于宽谷期，坡面较缓，坡脚被上覆岩体压重，卸荷作用不明显，故应力的变化值不大。待压力值变化幅度较为平稳后进行第2次下切，与第1次相比较，压力变化明显较大，卸荷时间较长，压力迅速降低且降幅较大，一般在30～40 kPa之间，达到了第1次的两倍有余，卸荷现象明显增强。第3次下切过程中，各测点的压力变化较为复杂，不是瞬间释放很大，而是上下波动一段时间，而后总体下降一定数值并最终趋于稳定，说明卸荷并不是一蹴而成，也需要一个较长的过程，第3次下切完成后，各测点压力趋于一个稳定的值。与左岸相同的是，高程越高，测点的压力变化幅度越大，如在高高程15、16号两个测点的压力变化要比中高程的12、14号两个测点的压力变化大，而中高程的两个测点压力又比低高程的9、10、11号3个测点的压力变化大，说明高程越高卸荷越强烈。同时，处于坡表附近的9、12、15号测点的压力要明显比处于对应高程坡内的测点压力降幅大，即坡表卸荷较坡体内部强烈，不同的下切阶段，各测点压力的变化率也不同，并且增加幅度各有差异。

另外从左右两岸对比分析来说，同一高程，两岸相对应位置，其压力变化也不同，右岸的压力降幅明显较左岸大，如高高程的7号与15号测点,其首次下切的压力值降幅分别为10 kPa与20 kPa左右，后期降幅分别在30 kPa与40 kPa左右，且15号下切中的压力值曲线波动较大，7号较为平稳。说明右岸的卸荷总体要比左岸的强烈一些，其变化也较为复杂，这与岩体层面总体倾向左岸有直接的关系。

3.3 位移变化分析

根据千分表位移计记录的变化数据，绘制岩体变形量随试验时间的变化曲线，见图8。本次试验主要测量、记录了左岸1、2、4、7号测点及右岸9、11、12、13、15号测点的变化情况，其具体的位置见图3。

位移以从左岸向右岸方向变化为正值，则负值表示位移方向水平向左岸。从图8分析可以看出：坡体位移总体上表现为随时间的增加，位移量逐渐增大的趋势，即水平构造荷载保持不变的情况下，随着河谷的下切，两岸坡体由于卸荷逐步有向河谷临空方向回弹变形的趋势，其位移逐步增大，同时边坡位移量随着监测仪器埋深的增加而减小，越靠近坡体表面，一般位移量越大，右岸坡顶(15号测点)位移量最大，加载稳定后可达10.5 mm。

第1次下切完成，坡体在卸荷作用下产生向临空面的位移，由位移曲线不难看出坡体不同部位的位移变化不同，如上部测点7、15号测点的位移变化显然要大于下部的4、12号测点及1、9号测点，上部增加最大达2.64 mm，由于处于宽谷期，且各测点基本处于下部，其整体的位移变化不是很大。在第2次下切完成后，河谷处于峡谷期，从位移曲线图可以看出，同一高程距坡表不同距离的部位其变化也不同，靠近开挖面坡表处位移增大较快，而距坡表较远的深处部位位移增加幅度较小，且相比与第1次开挖，部分测点位移变化量明显要较高，曲线变化也较陡较。原因是侧向加载不变，上覆岩体的减少，自重力降低，加之侧向临空面的变陡，更利于坡体向临空方向变形，导致位移量迅速增大；最后一次下切后，从位移曲线变化来看，靠近河谷谷坡坡脚处的增量值较小，这是由于谷底应力集中，阻碍了应力释放，而坡体中高程(4、9、12号测点)及高高程(7、15号测点)位移变化较大，可见坡体顶部要比底部卸荷变形更为强烈。

另外从左右两岸位移变化对比分来看，其两岸同一高程相对应位置的位移变化也不尽相同。如右岸高高程近坡表15号测点的位移变化要比左岸高高程近坡表7号测点位移变化大，中高程右岸12号测点位移大于左岸4号测点位移。表面右岸的回弹变形要明显大于左岸，即右岸卸荷要强于左岸，尤其是在坡体上部中高程及高高程差异相对较明显，推测这可能与坝址区内发育的英安岩溢流面(似层面)总体缓倾左岸使得河谷下切卸荷过程中右岸倾坡外的结构面较左岸要发育有关。