弯曲倾倒边坡开挖变形响应机理与反馈预测

陈平志　崔至　褚卫江　刘宁　周勇

摘要：针对苗尾水电站右岸坝基上游边坡工程实例，开展定性分析，采用允许层面之间发生拉张破坏和剪切滑移、层间岩体可以发生屈服破坏的离散元分析方法模拟边坡变形破坏现象，剖析变形破坏机理，开展动态反馈分析，并指导边坡的抢险治理措施设计和后续设计优化。研究表明：边坡坡脚开挖和雨季强降雨两种不利条件共同作用下，坡脚垮塌导致变形范围扩大，是边坡较高高程部位覆盖层开裂的主要诱因。基于离散元动态反馈的边坡变形机理与稳定性状态，确定了“强锚固固脚锁腰+排水”的处理策略，在边坡变形剧烈阶段，首先采用压渣进行处理，同时边坡上部采用预应力锚固锁腰，然后对边坡下部采用锚索、锚拉板、灌浆固结等手段进行锁脚处理。工程实践表明，经过治理之后边坡整体稳定性增强，治理措施有效。

关键词：弯曲倾倒边坡：离散元方法;变形破坏机理：动态反馈：苗尾水电站

中图分类号：TU457

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2019.06.034

倾倒变形破坏是岩质边坡的一种典型破坏失稳形式。倾倒变形边坡岩体结构的基本特征是普遍发育的反倾层面或反倾结构面，边坡变形时除了沿着反倾结构面错动外，边坡上部的浅表层可能会向临空方向产生弯曲、折断，俗称“点头现象”。倾倒变形按照其力学模式可以分为块状倾倒、弯曲倾倒和块状一弯曲组合式倾倒[1-3]。块状倾倒发生在硬质岩中，反倾层面间距较大，通常发育与层面垂直的节理。弯曲倾倒在较软岩和软岩中比较普遍，如片岩、千枚岩、板岩等，通常反倾层面的间距较小，并且与反倾层面垂直的节理不发育。弯曲倾倒边坡变形发展一般比较缓慢，但一旦形成破坏规模通常比较大。目前对于倾倒边坡的分析多采用基于强度理论的刚体极限平衡法[4-5]，但该方法适用于块状倾倒边坡，对于弯曲倾倒边坡具有一定局限性[6]，使得弯曲倾倒边坡分析成为水电工程中的技术难题之一[7]。

在澜沧江苗尾水电站的建设过程中，坝址附近几处边坡都不同程度地受到倾倒变形体的影响[8-9]，以左岸坝基边坡和右岸坝基上游侧边坡为典型的已发生强烈倾倒变形的边坡，受开挖扰动和降雨的影响最为显著[1O]。本文以澜沧江苗尾水电站右岸坝基上游边坡为研究对象，以可以描述层面弯曲、错开、滑脱的非连续数值分析为主要研究手段，对边坡的变形破坏特征进行机理分析，找出对倾倒变形体影响显著的因素，在此基础上对边坡后续开挖中变形特征和潜在问题进行定量预测，并对处理措施的效果进行动态反馈。

1 工程地质条件

澜沧江苗尾水电站总装机容量为1400 MW，河流在坝址区域由南北走向急转成东西走向。右岸坝基上游侧边坡属于典型的弯曲倾倒变形边坡，在施工期出现了比较明显的开挖变形。坝基上游边坡形态与病害分布见图1。右岸坝基边坡开挖高程为1285 -1 398 m.最大坡高约为113 m，边坡走向为北20一西30°，实际开挖坡度为40° -55°边坡出露的岩土层为崩坡积含碎石粉质黏土及侏罗系花开左组上段第三亚岩组，坡脚为第四亚岩组，岩性主要为变质砂岩与绢云板岩，其中坡脚处以绢云板岩为主。岩体呈中薄层状结构，层面平直光滑，岩层产状受倾倒变形影响为走向北5°—西10°、倾南西角30°- 40°，与边坡走向夹角为10° - 20°。

坝基上游边坡工程地质剖面与二维离散元数值模型见图2。右岸边坡从坡表向内数十米深度是典型的彎曲倾倒变形体。前期地质研究工作根据弯曲倾倒变形程度（主要是层面倾角和层内张拉裂缝是否发生错动）将倾倒变形体分成4个区：极强倾倒变形岩体A区、强倾倒变形岩体上部B1区、强倾倒变形岩体下部B2区、弱倾倒变形岩体C区。极强倾倒变形岩体A区在坝线处出露高程1 408 m附近。1 390 -1 450 m高程之间基岩大部裸露，局部为强风化岩体：1 450 m高程以上边坡地表有厚度小于Sm的覆盖层分布。

2 弯曲倾倒边坡开挖响应分析

右岸坝基上游侧边坡于2013年5月初完成切脚开挖。开挖过程中，2013年4月15日发现边坡中下部的混凝土喷层出现裂缝，5月25日发现喷层裂缝扩大，5月27日发现1 384-1 340 m高程发生浅层滑动。滑塌发生后，边坡上部高程1 450-1 490 m之间产生较多裂缝。对变形监测数据进行详细分析后，发现右岸坝基上游边坡的倾倒变形具有明显的空间相关性与时间相关性。

2.1 空间相关性

边坡变形特性在垂直方向具有明显的分区性，自下而上可以划分为基本稳定区、滑塌区、倾倒变形影响区、强烈变形/开裂区、基本稳定区5个区域（见图3）。

基本稳定区位于1490 m高程以上和1 330 m高程以下，受边坡中部的变形影响较小，最大变形速率小于1 mm/d，与降雨之间的关系不显著。现场未发现坡表有破坏现象。

滑塌区位于边坡下部，在边坡变形破坏的早期已发生浅层滑动，滑塌体厚1-3 m.长约45 m.垂直高度约18 m，初估塌滑方量250- 300 m。

倾倒变形影响区位于边坡中下部，高程为1 380 -1430 m。在开挖扰动和降雨软化等因素影响下，一直维持1-3 mm/d的变形速率，且变形持续时间较长，符合倾倒变形的基本特征。

强烈变形/开裂区高程为1 430-1 480 m。岩体在开挖扰动及降雨影响下，以蠕滑为主要变形模式，表现为普遍发育的拉张裂缝，稳定性较低，部分测点的累计变形超过1 m。

2.2 时间相关性

边坡变形特征按时间可以划分为阶段I（2月至7月中旬）、阶段Ⅱ（7月下旬至8月中旬）、阶段Ⅲ（8月下旬至9月中旬）3个变形阶段（见图4、图5）。

阶段I累计降雨量不足150 mm。该阶段的变形主要受切脚开挖、1 340-1 384 m高程局部滑塌等因素的影响。边坡中下部1 385 -1 423 m高程之间的岩体平均水平和垂直变形速率均小于1 mm/d，且总体上呈减小趋势;裂缝区域（1 467 m高程测点）水平变形略大于1 mm/d。总体而言，该阶段变形趋于稳定。

阶段Ⅱ单日最大降雨量不超过18 mm/d，30 d累计降雨量约300 mm。边坡1 470 m高程至坡脚位置的变形均增大，其中较高高程裂缝区域的变形增大尤为明显，该区域的水平变形速率和竖直变形速率量级接近：1 385 -1 423 m高程的变形速率分量为1-3mm/d，该区域在垂直方向上各表观监测点变形速率的规律性较为一致，都属于坡面、坡脚岩体软化导致的倾倒变形响应。

阶段Ⅲ最大降雨量为35 mm/d，降雨较为集中，边坡中下部的测点因坡体破坏而全部损坏，无法测得数据，但边坡上部的开裂区测点均测到较大的变形速率（最大为1129 mm/d）。9月下旬降雨量减小后，裂缝区域的变形速率显著降低至6月水平。

2.3 其他监测成果分析

位于1 415 m高程附近的多点位移计监测结果显示边坡的变形深度大约为30 m。

1 378 m高程和1 390 m高程的锚索测力计实测荷载从3月到6月持续增大，6月上旬之后逐渐趋于平缓。

3 倾倒变形响应机理分析

3.1 地质分析

从时间和空间的相关性分析，可以初步判断边坡变形机理。边坡下部开挖切脚使支撑倾倒变形的下部岩体厚度变薄，坡脚的板岩在上部重力的作用下发生变形，为倾倒岩体的变形提供了条件，从而导致1 410m高程附近的倾倒变形岩体变形加剧，发生了新的倾倒一拉裂变形。1384 m高程滑坡的发生进一步削弱了下部岩体的强度，导致倾倒变形向较高高程和深部发展，使1 460 -1 480 m高程岩体变形拉裂。因此，可以认为切脚开挖是导致边坡5-6月发生变形破坏的主要诱因[11]。

在边坡开挖初期发生一定程度的破坏之后，7-9月持续降雨人渗和施工扰动的影响导致边坡的稳定性进一步降低，现场表观监测显示该阶段边坡大部分区域的变形速率较7月前普遍增大3 - 10倍，尤其是边坡上部的覆盖层开裂区域受降雨影响最为明显。故可认为降雨人渗是边坡7-9月稳定性持续降低的主要原因。

总的来说，变形后的边坡并无大规模贯通性裂缝，边坡变形深度位于B1层岩体内，属倾倒变形初期阶段，倾倒变形边坡处于应力应变的调整期，边坡整体处于基本稳定状态，但局部稳定性差，特别是1 460 -1480 m高程的变形体具有发生局部塌滑的可能。1 390 m-1 440高程的岩体是支承上部岩体的岩桥，对下部岩体的变形扩展也有一定的控制作用，因此边坡中下部岩体对边坡变形和发展具有控制作用，如果边坡中下部岩体的变形不能得到有效控制，岩桥一旦折断，边坡上下部位的变形就会贯通，使边坡整体失稳。

3.2 数值分析

为了定量给出边坡变形阶段的稳定性水平，需要建立一个能够正确描述边坡变形发展趋势的、可靠的数值模型。由于倾倒变形边坡的变形受控于反倾层面、层内拉张裂隙、顺坡向缓倾结构面等岩体结构，因此在数值计算中能否合理地体现各层倾倒变形体的结构特征显得尤为重要。

本文采用可以模拟大量非连续结构面的平面离散元方法开展边坡的变形和稳定性分析。选取坝基上游边坡的中心剖面建立二维数值模型，模型沿横向长340 m，底部高程为1 230 m，最高点高程为1 530 m。模型中考虑的结构面有主要断层（ F107）、反倾层面、顺坡缓倾结构面、层内张拉破裂等（见图2）。

岩体力学参数的选取对于数值模拟计算分析有着非常重要的意义。工程前期，地质专业人员根据各岩层物理力学性质试验成果，结合反演分析，并类比相似工程经验，确定了各类堆积体、倾倒体、基岩的物理力学参数，作为数值模拟的基本参数（见表1）。

边坡变形阶段I的变形云图见图6。数值模拟计算得出该阶段的最大累计变形约为9 cm，这与表观监测点获得的变形量值基本一致。图7给出了计算出的塑性区分布情况，可以看出塑性区的分布范围主要集中于浅层倾倒岩体中，表明坡脚切脚开挖导致的垮塌破坏使得这一部位岩体质量劣化，因此坡脚的变形明显呈现向上传递的趋势。数值计算验证了坡脚的垮塌导致的变形范围扩大是边坡较高高程部位覆盖层开裂的主要诱因，利用强度折减法对该阶段的边坡进行稳定性计算，得到边坡稳定后的安全系数为1.09、潜在滑动面深度为30-40 m。

变形阶段Ⅱ～阶段Ⅲ为切脚开挖的后续变形过程，数值计算中考虑了降雨导致的边坡岩体的软化。图8给出了边坡变形阶段Ⅱ、阶段Ⅲ的变形云图，最大累计变形约为7 cm，位于1 475 m高程附近的裂缝扩展区：边坡中下部在锚索加固的作用下，变形位移为1-3 cm，与现场变形监测累计值一致。图9为边坡变形阶段Ⅱ、阶段Ⅲ的塑性区分布情况，可见降雨人渗导致的岩体软化使边坡塑性区明显增大。对边坡进行强度折减分析表明，边坡安全系数为1.04，整体稳定性受降雨影响进一步降低，坡体一定深度范围内处于欠稳定状态。

4 工程措施与反馈预测分析

4.1 工程处理措施

根据边坡变形机理与稳定性状态，确定了“强锚固固脚锁腰+排水”的工程处理措施。锚固方案主要为“锚拉板或框梁+预应力锚索”。根据边坡的开挖进度，边坡加固后的开挖过程主要分为3个阶段（见图10）。

加固阶段i：针对边坡剧烈变形采取抢险加固处置措施，主要包括：①在高程1385 -1415 m范围内布置8排预应力锚索+框格梁+系统排水孔：②堆渣压坡，堆渣体顶部高程为1330 m，顶部平台宽为15 m。

加固階段ii：在潜在破坏带前缘部位增加支护措施，并深入潜在破坏带，以起到锁脚效果，主要在高程1 330-1 348 m范围内布置6排预应力锚索+锚拉板+系统排水孔+灌浆固结。

加固阶段iii：①在高程1 370 m处布置4排锚筋桩+系统排水孔：②在高程1 352-1 368 m范围内布置6排预应力锚索+联系纵梁+系统排水孔：③挖除垫渣体，并布置6排预应力锚索+锚拉板+系统排水孔+灌浆固结。

4.2 治理效果预测分析

（1）加固阶段i。利用强度折减法计算边坡稳定安全系数为1.09。图11为边坡加固阶段i强度折减后的边坡临界失稳状态时的位移分布情况。该阶段边坡的潜在失稳模式为倾倒破坏，失稳破坏面为倾倒折断带，潜在破坏区域与变形阶段Ⅲ相比未见有明显增加。加固阶段i新增锚固措施的布置范围位于潜在滑动体的上部区域，其加固效果对边坡整体稳定性提高并不明显，但对布置范围内的局部区域变形能起到一定的约束作用。

（2）加固阶段ii。利用强度折减法计算得到边坡加固阶段ii稳定后的安全系数为1.22。图12为边坡加固阶段ii强度折减后的边坡临界失稳状态时的位移分布情況。加固阶段ii新增锚固措施为变形I区、Ⅱ区施加锚索，布置范围位于潜在失稳体的前缘部位，并深入潜在破坏带，表现出较好的整体加固效果，较大程度地提高了边坡的稳定系数，体现了高边坡支护加固系统的“锁脚”作用。此阶段边坡的潜在失稳模式与加固阶段i—致。

（3）加固阶段iii。此阶段为工程现场处理的重点，需要结合数值分析成果帮助判断堆渣体挖除对边坡的影响程度。利用强度折减法获得的堆渣体挖除前坡体整体稳定系数为1.22，表明堆渣体对边坡整体稳定和坡脚处岩体均起到了较好的锚固效果，边坡处于稳定性较好状态：堆渣体挖除后，边坡坡脚处以回弹变形为主（见图13），主要影响范围为1 360 m高程以下的岩体，最大变形位移约5 cm;坡脚处锚拉板锚索加固完成后，坡脚锚固区充分限制了渣体开挖卸荷变形向较高高程坡体发展，利用强度折减法计算得到堆渣挖除后边坡的整体安全系数由1.22降低至1.19.结合图14可知，加固阶段iii强度折减后变形失稳区域较加固阶段ii（见图12）安全系数降幅小，因此，堆渣体的挖除对整个坡体不会产生显著的扰动。

4.3 实际治理效果

根据以上加固措施，完成了全部边坡开挖，在开挖过程中的监测成果在指导施工安全的同时，为边坡稳定性评价提供了依据。具体表现为：①根据浅层变形在高程1 466 m的表观变形监测数据，边坡从当年12月完成开挖至来年3月，向坡面变形速率小于0.1mm/d.沉降速率小于0.015 m/d;②根据深部变形同期在高程1 408 m的多点位移计监测数据.10 m及30 m深度的变形速率均小于0.010 m/d。

从多点位移计和表观测点监测的位移数据看，右岸坝基上游侧边坡的变形速率在开过过程中保持平稳。右岸坝基坝肩边坡开挖完成后，在施加的支护结构作用下，边坡变形得到控制，总体处于稳定状态。

5 结语

（1）苗尾水电站右岸坝基上游边坡坡脚岩体对整个边坡的稳定起控制作用，边坡中上部的极强倾倒岩体和强倾倒岩体稳定性较差，对坡脚的变形极为敏感，雨季强烈的降雨人渗加剧了边坡变形。两种不利条件综合作用下，坡脚垮塌导致的变形范围扩大是边坡较高高程部位覆盖层开裂的主要诱因。

（2）基于对边坡变形机理的认识与离散元分析得到的边坡稳定状态，确定了“强锚固固脚锁腰+排水”的处理措施。在边坡变形剧烈阶段，首先采用压渣进行处理，同时边坡上部采用预应力锚固锁腰，然后对边坡下部采用锚索、锚拉板、灌浆固结等措施进行锁脚处理。通过数值反馈分析，对边坡加固后的开挖响应情况进行预测，结果与实际开挖变形监测结果基本一致，表明处理之后边坡整体稳定，处理措施有效。

（3）弯曲倾倒边坡变形机理与常规滑动模式的边坡有较大差异，针对常规边坡的传统分析方法、加固治理措施对弯曲倾倒边坡均有一定的局限性。通过苗尾水电站右岸坝基上游边坡实例分析表明，采用允许层面之间发生拉张破坏和剪切滑移、层间岩体允许发生屈服破坏的离散元分析方法模拟边坡变形破坏现象和变形破坏机理是合适的，并基于此开展动态反馈预测分析为指导边坡抢险治理发挥了重要作用，该方法在处理弯曲倾倒边坡问题上具有很好的适用性。

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【责任编辑张华兴】