上硬下软反倾边坡开挖变形响应的物理模拟
2019-10-14王沁沅李文龙
郑 达,毛 峰,王沁沅,苏 杭,李文龙
(地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学),四川 成都 610059)
某水电站位于西藏玉曲河干流下游河段。水库正常蓄水位2 815 m,总库容10.5×106m3,电站总装机量1 005.2 MW。其厂址边坡为反倾“上硬下软”型岩质高边坡,具有边坡高陡、地应力高和坡体结构复杂等特点,由于边坡开挖引起的卸荷、倾倒变形响应十分复杂,严重制约水电站工程建设和运营安全。
目前对上硬下软边坡的研究主要集中在变形演化过程和失稳模式,且多采用数值计算和理论分析[1-6],鲜有此类边坡开挖响应的研究。吴勇进等[7]采用数值模拟研究了“下软上硬”型反倾边坡的变形演化,提出其变形破坏模式为倾倒-拉裂转为滑移-拉裂。Q.Zaruba[8]发现近水平软弱基座型斜坡上部硬岩的拉裂破坏先发生于软硬岩交界面。毕芬芬[9]运用多种方法对贵州关岭大寨滑坡进行了研究,提出了大寨滑坡的变形演化过程及失稳模式。张倬元等[10]研究了倾坡内软弱基座斜坡陡崖,将其变形破坏分成卸荷回弹形成陡立裂缝、前缘塑流-拉裂变形和深部塑流-拉裂变形3个阶段。郑达等[11]以贵州开阳磷矿崩塌为研究对象,结合数值模拟手段,阐明在地下开采作用下“反倾上硬下软”型斜坡变形破坏的发展过程。黄润秋[12]对溪口滑坡进行了分析,提出大型反倾岩质高边坡失稳模式为 “挡墙溃决型”。
以往研究的上硬下软边坡基座岩体多为泥岩、页岩,而本次研究边坡下部板岩与上述软弱基座岩性存在差异。且下部板岩变形以倾倒弯曲为主,不同于以往软弱基座的压缩,挤出变形。
上述研究成果和手段为边坡开挖响应的研究提供了重要的参考,但类似在开挖条件下反倾上硬下软边坡变形演化目前尚没有较为合理有效的研究成果。因此本文以西藏某水电站厂址边坡为研究对象,通过物理试验的方法对反倾上硬下软边坡在开挖条件下的变形响应展开研究。
1 工程地质背景
1.1 边坡地质概况
本次研究的厂址边坡位于西藏玉曲河右岸,山脊走向近北东向。边坡坡高八百余米,地形坡度30°~50°,岩层倾向坡内,基岩倾角70°~85°,坡表岩体发生倾倒,倾角24°~50°,为典型的反倾岩质高边坡。上部基岩为T3wp4结晶灰岩、大理岩,下部基岩为T3wp3钙质板岩夹碳质板岩;上部硬岩区发育有陡倾坡内断层与两组裂隙(倾坡内、倾坡外),下部软岩区主要发育陡倾坡外断层和切层裂隙。边坡典型地质剖面图如图1所示。
图1 厂址边坡典型地质剖面图Fig.1 Typical geological profiles of slope after site
1.2 边坡变形破坏特征及分区
边坡在结构上呈“上硬下软”组合,在变形上显现出复杂的特征,下部软岩发育倾倒变形,上部硬岩发育卸荷变形。
1.2.1倾倒变形
倾倒变形主要发育于边坡下部板岩区。河谷揭露的下部正常板岩呈薄层状,陡倾坡内(图2a),产状为N22°E/NW∠74°。厂址区Ⅱ级阶地揭露的近水平薄层板岩层面倾倒弯曲迹象明显,产状N29°E/NW∠18°(图2b),拉张裂缝发育,张开2~3 cm,个别填充岩屑,岩体呈碎裂状。
1.2.2卸荷变形
厂址边坡卸荷-拉张变形发育于高程2 600 m以上大理岩、灰岩区的山脊部位,以3#~7#梁顶部及陡缓交界处最为发育。具体分为拉张型卸荷带和剪切松弛型卸荷带,如图3所示。
图2 下部板岩倾倒弯曲变形Fig.2 Toppling deformation of lower slab rock
图3 上部硬岩坡表卸荷变形Fig.3 Unloading fissure of upper hard rock slope
1.2.3岩体工程地质分区(类)
通过平硐手段对厂址边坡坡内变形现象及岩体结构进行调查,PD24平硐揭露,边坡高程2 800 m附近大理岩与灰岩发育卸荷拉张变形。硐深80 m处为强卸荷带岩体质量分界处,79.6 m前岩体较破碎,裂隙张开宽度约3~5 cm,79.6 m之后,除172 ~185 m发现卸荷带外,其余部分岩体质量良好。PD25平硐揭露,边坡高程2 160 m附近薄层板岩发育倾倒变形。硐深0~22 m岩体发生极强烈倾倒折断,岩层倾角21°~33°,层内拉张量≥20 mm,呈散体-坠覆结构;22~69 m岩体发生强烈倾倒,岩层倾角36°~43°,层内拉张量5~24 mm,呈碎裂-拉张结构;69 m之后,岩层倾角39°~64°,层内拉张量2~5 mm,整体呈层状结构。
综上,将整个研究区分为两个区域:卸荷变形区(Ⅰ区)和倾倒变形区(Ⅱ区)。同时划分Ⅰ区和Ⅱ区的卸荷及倾倒范围,结果如下,PD24平硐0~79.6 m为强卸荷带,79.6~185 m为弱卸荷带;PD25平硐0~22 m为极强倾倒变形区(A区),22~69 m为强倾倒区(B区),69 m以后为弱倾倒区(C区)(图1)。
2 边坡开挖变形响应试验研究
2.1 模型设计方案
2.1.1模型设计
试验模型在还原边坡实际地质状况时作适当简化,将边坡划分为软岩极强倾倒区(A)、软岩强倾倒区(B)、软岩弱倾倒区(C)及软岩基岩区(D)、硬岩卸荷区(E)、硬岩未卸荷区(F)。对下部软岩,设置正常岩体区(D)倾角为72°,各倾倒区(C、B、A)倾角分别为60°、45°和30°,通过改变岩板倾角、各区岩板强度及节理面发育规模来模拟下部软岩的倾倒变形行为。对上部硬岩,仅设卸荷区与未卸荷区,且忽略大理岩与灰岩岩性差异,选取较厚岩板模拟上部硬岩。另根据上部硬岩的卸荷情况设置3条卸荷裂隙(LX1、LX2、LX3),其中LX1、LX2为中缓倾角裂隙,倾坡外,倾角45°,LX1布置于近岩性交界处,LX2布置于硬岩中部区域。LX3为陡倾角裂隙,倾坡外,倾角75°,布置于坡顶。概化后边坡模型如图4所示。
图4 边坡模型设计图(单位:mm)Fig.4 Diagram showing the slope model design (mm)
模型设计时考虑位移边界条件及初始条件。开挖为边坡变形提供了有利临空条件,坡表附近岩体向临空面的弯曲变形不受约束,视为自由边界;而变形末端岩层嵌固在围岩中,变形及位移微乎其微,将坡体后缘及底部视为固定边界。试验模拟自然条件下上硬下软反倾边坡开挖的变形响应,初始条件设定为模拟自身重力,不施加应力。
根据坡体结构与变形特征在模型不同部位共设6个监测点,1#、2#、3#监测点分别布置于软岩强倾倒区 、弱倾倒区与基岩区,4#监测点布置于岩交界处中上部,5#、6#监测点分别布置于硬岩卸荷区与硬岩未卸荷区。每个监测点布置1只LY-350微型土压力盒,平行层面安装,受压面朝向岩层面外法线方向,监测传感器上部压力变化;1只ZYJ1-WBD-50B百分表式位移计监测该点Y方向(垂直)位移变化。通过连接泰斯特TST3822E静态应变仪采集数据。
2.1.2相似条件
本次试验以厂址边坡为原型建立二维框架物理开挖模型,原型边坡研究范围约长900 m,高800 m,实验装置为镀锌刚结构框架模型箱,长1.5 m,宽0.4 m,高1.3 m,综合考虑后选取(几何相似常数)=650,根据本边坡模拟范围与几何相似比确定模型尺寸,坡高1.23 m,坡长1.38 m。选取板岩、大理岩和灰岩的(容重相似常数)=1.1,根据地质力学模型试验应满足的相似判据[13]得(弹性模量相似常数)=715,(抗拉强度相似常数)=715,(黏聚力相似常数)=715,(内摩擦角相似常数)=1。经现场、室内试验和相似比,得到原型与模型物理力学参数,如表1所示。
表1 边坡原型和模型物理力学参数
注:上表中数值为原型/模型
2.1.3相似材料
相似材料选择参考前人研究成果[14],选用重晶石、石英砂、水泥、环氧树脂、聚酰胺、酒精为岩石及层间黏结相似材料的基本原料。采用正交试验方法[15],通过15组试验,最终确定各区岩体相似材料配比,如表2所示。
表2 模型材料配比
本次试验为还原结构面实际接触情况,模拟试块间及层面间黏结强度,选取内聚力C及内摩擦角φ作为相似指标。层间黏结相似材料选取石英砂、水和石膏,各原料比例为3∶1∶2,通过多组摩擦试验[16],确定黏结强度配比。各层(带)间黏结材料用量如表3所示。表3中,C为层面,LJQ为极强-强倾倒分界,LQ为强-弱倾倒分界,LR为弱倾倒-基岩分界,LX为卸荷裂隙。
表3 各层(带)间黏结材料用量
2.2 开挖设计方案
开挖方案设计在保证厂房建设可利用空间基础上,分3次开挖(图5)。由于下部软岩极强倾倒区岩体质量极差,一级开挖优先清除极强倾倒区岩体;二、三级开挖清除强倾倒、弱倾倒及部分正常岩体。考虑空间需求,一级开挖坡比为1∶0.48,高度150 mm,开挖线沿极强倾倒区底界;二、三级开挖坡比均为1∶1,高度175 mm,开挖线基本平行坡面线。在此基础上,为研究“大开挖”对边坡稳定性影响,增加2条开挖线,坡比为1∶0.48,高度175 mm。
图5 边坡开挖方案设计(单位:mm)Fig.5 Design of slope excavation scheme (mm)
2.3 试验过程及现象
边坡历经5级开挖后的形态变化如图6所示。第一级开挖历时10 min,开挖区域为极强倾倒区上半部岩体和少量强倾倒区岩体,使用手持切割机沿极强倾倒区底界进行开挖。一级开挖后,强倾倒区顶部岩体在开挖扰动下发生小幅度位移,层面略微张开(图6a)。一级开挖2 h后进行第二级开挖,历时20 min,开挖区域为剩余极强倾倒区岩体及强倾倒区下部岩体。二级开挖后, 强倾倒底界以上岩体向下弯折变形,层间大幅张开,硬岩区形成约2 cm的张拉裂缝,强倾倒底界处形成约1 cm的剪切裂缝。硬岩区坡表岩体沿LX1发生小幅度滑移变形(图6b)。
图6 5级开挖后模型边坡形态Fig.6 Shape of the model slope after five stage excavations
二级开挖4 h后进行第三级开挖,历时50 min,开挖区域为强倾倒区、弱倾倒区及部分正常岩体。三级开挖后,临空面加大,前缘岩板不断倾倒,后缘层间产生拉张现象;弱倾倒底边界裂隙贯通,形成类似于锯齿状滑带。硬岩区形成一长度约10 cm,贯穿四层岩板的裂隙LX4;上部硬岩沿LX1滑动,最终突破分界处,与下部强倾倒区岩体形成潜在的滑坡体(图6c)。
三级开挖5 h后进行第四级开挖,历时10 min,开挖区域为小部分强倾倒区、弱倾倒区岩体。四级开挖后,强倾倒区中下部岩体沿强倾倒区底边界滑出,剩余强倾倒区岩体与上部含LX1的硬质岩区形成潜在大型危岩体。弱倾倒区岩体层间进一步张开,形成断续贯通的长大裂隙;坡体后缘出现锯齿状切层张拉裂隙(图6d)。
四级开挖1 h后进行第五级开挖,历时20 min,开挖区域为小部分正常岩体,并清除前期垮塌掉落的岩体。五级开挖后,弱倾倒区岩体迅速失稳,沿前期形成的滑动带发生滑移,同时带动上部强倾倒区岩体滑塌,坡体后缘LX1上部硬岩随之滑落,边坡发生大规模失稳(图6e)。
2.4 试验现象分析
(1)开挖过程中边坡变形破坏特征:可分成3个阶段:(a)边坡经历了一、二级开挖,下部软岩向临空方向加剧倾倒弯曲;(b)三级开挖后,软岩变形由“倾倒弯曲”转变为“倾倒折断”,上部硬岩沿LX1剪切,形成一贯通卸荷硬岩区的裂隙LX4;(c)四、五级开挖后,下部倾倒软岩沿弱倾倒区底边界滑移,同时上部卸荷硬岩剪断岩性分界部位,折断面贯通,边坡产生大规模失稳。
(2)2种开挖方案的对比:开挖少量极强、强倾倒岩体时,仅开挖面附近岩体发生变形,边坡基本稳定;开挖极强、强、弱、正常岩体,当上部卸荷硬岩变形产生的剪切力突破了岩性分界处岩体的抗剪强度时,会导致下部倾倒岩体滑移与上部卸荷岩体剪断的组合变形,边坡失稳。因此,此类边坡在开挖时,应避免坡脚倾倒岩体“大开挖”,为抑制下部软岩的再次倾倒及上部硬岩的剪切变形,有效的安全措施为开挖面锚固与及中部岩性分界部位岩体置换。
2.5 试验结果分析
2.5.1模型边坡位移特征分析
以一、二、三级边坡开挖为例(图7)。边坡一级开挖各监测点位移曲线如图7a所示。边坡开挖初期1#~5#监测点均存在位移突变,6#点处在硬岩未卸荷区,底部小开挖未对其造成明显影响,位移变化不明显;坡顶位置(5#点)及软岩强倾倒区(1#)位移最大,分别达4.5 mm和3.5 mm,开挖改善了临空条件,促使临空面附近软岩倾倒,进而上部硬岩出现拉裂缝,产生较大位移;软岩弱倾倒区(2#)、软岩基岩区(3#)、岩性交界(4#)在开挖结束后基本保持稳定,但由于上部坡体压力使内部裂隙逐渐闭合,仍产生较小位移。
图7 一、二、三级开挖模型边坡监测点位移变化Fig.7 Displacement change of the monitoring point of the first, second and third stage excavation model slope
二级开挖各监测点位移曲线如图7b所示。此次开挖后,强倾倒区(1#)产生较大位移,二级开挖加大了临空面,开挖面附近软岩倾倒变形加剧,弱倾倒区(2#)、岩性交界(4#)和坡顶位置(5#)位移较小,曲线平缓,推测其变形仍为内部裂隙闭合所致;强倾倒区(1#)位移曲线呈先缓后陡,开挖200 min后达32 mm,体现开挖刚结束时强倾倒区岩体为倾倒弯曲变形,接着突破带间黏结材料抗剪强度,转变为倾倒折断大变形。
边坡三级开挖各监测点位移曲线如图7c所示。数据分析得出,2#~6#各点位移曲线均上升,说明在第三级开挖后边坡各部位均发生明显位移,其中强倾倒区(2#)变形最剧烈,位移达12 mm。位移曲线在20 min、150 min、250 min产生突变,说明边坡发生大变形往往是瞬时或在短时间内完成的,但前期变形或能量的积累是一个较长的过程。岩性分界(4#)与坡顶位置(5#)位移曲线走势虽相似,变形量值也相近,但岩性分界(4#)位移突变总先于坡顶位置(5#),说明在开挖坡脚条件下,变形从下部软岩开始,并不是立即传递给上部硬岩,需先突破岩性分界处岩体,进而将变形传递。软岩基岩区(3#)和硬岩未卸荷区(6#)位移变化较小,体现本次开挖对正常岩体的影响很小,主要还是 已变形区域岩体的进一步变形。强倾倒区(1#)位移计在开挖前已超过量程,因此其数据不再分析。
2.5.2模型边坡压力特征分析
试验中各监测点的岩体压力数据如图8所示。除1#、4#传感器在第五次开挖后因超过量程和脱落产生明显不正常数据外,其余时间都正常。
图8 试验过程中各监测点压力变化Fig.8 Pressure change of each monitoring point during the test
由图8分析可得,各点的土压力随开挖的进行(第一次至第四次)逐渐增大,说明坡体压力随边坡变形破裂的发展而增加,且增加幅度基本能与开挖活动相呼应。除一级开挖外,土压力随各级开挖呈现实时或延后的突变,这是由于边坡变形前期需要积累较长时间能量。待开挖后模型静置一段时间,土压力曲线基本保持稳定,体现边坡在适应新的应力状态后,会趋于暂态稳定状态。
观察土压力量值分布,发现软岩基岩区(3#)、岩性分界(4#)所受压力最大,峰值约25 kPa,软岩强倾倒区(1#)、软岩弱倾倒区(2#)次之,约5 kPa左右,硬岩卸荷区(5#)、硬岩未卸荷区(6#)所受压力最小,峰值约3 kPa,说明边坡下部软岩在开挖后,临空条件较好,上部硬岩即发生卸荷,挤压下部软岩,上部硬岩所受压力最小,下部临空面周围软岩压力稍大。软岩基岩区由于高程低且水平深度大,受到岩体压力偏大。
2.6 对比分析结论
对比分析试验中位移与压力数据,可以得到:
(1)一级开挖时,边坡未发生大变形,说明清除极强倾倒区岩体对边坡稳定性影响较小;但后续开挖导致边坡变形加剧并发展失稳,说明开挖强倾倒区岩体会使下部软岩强倾倒区迅速失稳并促使上部卸荷硬岩剪切破坏。
(2)边坡在发生大变形之前,处于暂态稳定状态,会有较长时间的小变形和能量积累,而后产生瞬时大变形。
(3)随开挖进行,边坡内部变形发展,各部位压力逐级增大;低高程且深度大的岩体所受压力大。
2.7 讨论
本试验研究得出的开挖条件下反倾上硬下软型边坡的变形特征适用于相同或相似结构的边坡,对此类边坡开挖也有参考价值。但模型设计存在不足:(1)采用层状岩板模拟实际上多为块状构造的大理岩;(2)倾倒分区界面设置过于理想,若界面起伏分布,变形破坏模式则可能产生差异。故如何更好地模拟岩土体性质及倾倒界面的物理力学性质,还原坡体结构特征,还有待后续完善研究。
3 结论
(1)开挖条件下上硬下软型边坡变形破坏过程可分为3阶段:下部软岩倾倒弯曲加剧;软岩倾倒折断,上部卸荷硬岩沿已有裂隙剪切;倾倒软岩滑移,卸荷硬岩剪断岩性分界部位,折断面贯通。其破坏模式为下部软岩倾倒-上部硬岩剪断的组合滑移破坏。
(2)清除极强倾倒区岩体对边坡稳定性影响较小,但开挖强倾倒区岩体会使下部软岩迅速失稳并促使上部硬岩剪切破坏;边坡的大变形在短时间内完成,但前期变形或能量积累是一个较长的过程。坡体内部压力随边坡变形破裂的发展而增大;高程低、水平深度大的部位岩体压力大。
(3)上硬下软边坡开挖时需避免对坡脚倾倒岩体“大开挖”施工。