碎裂松动岩体高边坡稳定分析及防治

2021-05-13郭丽娜曹学兴

水利与建筑工程学报 2021年2期

郭丽娜，曹学兴，贾贺

(1.云南工商学院，云南昆明 651701； 2. 华能澜沧江水电股份有限公司，云南昆明 650051；3.天津大学建筑工程学院，天津 300072)

青藏高原地区，地质结构复杂多样，碎裂松动岩体分布广、强卸荷岩体较为发育、边坡陡峭、岩体受风化作用严重。使得边坡稳定分析困难。目前，针对碎裂松动岩体的定量化指标取值尚无成熟方法；对滑坡的变形机制和模式也在探讨中；对高原岩体滑坡的稳定性分析及治理技术无系统研究，尚不足为高原峡谷地区滑坡风险提供强有力的技术支撑。

黄润秋等[1]通过研究深切高陡峡谷地区河谷岸坡浅表破坏模式发现边坡开挖后强卸荷特点。祁潇等[2]对传统预应力锚索及锚筋桩的数值模拟方法进行改进。郑宗利[3]对以往预应力锚索加固高边坡遇到的问题及解决方法进行分析，给高边坡稳定分析及治理提供了参考。白桃等[4]通过对边坡安全系数的研究，发现安全系数和破坏概率2个指标能够定量化地表述边坡稳定性。张典典等[5]提出MATLAB与瑞典条分法相结合的方法，简化了大量的计算。黄盛铨等[6]提出以边坡滑移位移与强度折减系数曲线的最大曲率所对应的折减系数为边坡安全系数的判别标准, 克服了“位移突变准则”不准确的缺点。文献[7-9]提出了高边坡安全措施，为高边坡安全防护提供了参考经验。文献[10-12]对不同工况下对岩质高边坡安全稳定进行细致的研究。以上文献对高边坡的稳定分析和防护措施进行了大量的研究，但针对碎裂松动岩体高边坡的稳定性分析和防护措施的研究缺少实际的指导经验。

本文以高原地区某水电工程为依托，对碎裂松动岩体边坡基本地质条件和滑动破坏模式进行研究，针对碎裂松动岩体边坡采用基于有限元虚功率法和考虑卸荷条件的有限元法进行稳定分析，定量评价了边坡的稳定安全系数。在掌握了碎裂松动岩体边坡稳定性前提下针对本工程提出了可行的防治技术。可为碎裂松动岩体高边坡稳定研究提供指导作用。

1 碎裂松动岩体变形破坏模式

1.1 碎裂松动岩体的结构特征及变形特征

松动岩体指在全强风化岩体基础上，裂隙面和岩体内部的岩石矿物也发生了风化蚀变，岩石、岩块强度有较大程度的降低，但岩块之间较为紧密。

碎裂松动岩体包含两层意义，一是岩体呈碎裂结构，裂隙间距一般在30 cm左右及以下；二是岩体呈松动状态，即岩体整体有明显的松动、扩容现象，岩块之间各个方向嵌合松驰，从实际应用看，明显松驰分离的块体一般小于1 m，部分为1 m～2 m。碎裂松动岩体包括散体结构、碎裂结构(裂隙间距<10 cm)及块裂结构(裂隙间距10 cm～30 cm)的松动岩体，同时由于地质结构的不均一性，在碎裂松动岩体中局部存在其它结构岩体也是很普遍的。根据某水电工程的平硐勘探，发现正常条件下碎裂松动岩体由表及里呈散体结构-碎裂结构-块裂结构变化，下渐变为卸荷岩体。

通过对某水电工程的平硐和地表调查，选取22处碎裂松动岩体进行变形特征分析，得出碎裂松动岩体分为强变形区和弱变形区：

(1) 强变形区。主要分布于规模较大的碎裂松动岩体浅表部，对应于岩体结构的散体结构区，该区典型特征是碎裂状岩体变形破坏后产生了一定的位移，堆积于碎裂松动岩体表面较缓的斜坡一带或坡脚一带。

(2) 弱变形区。对应于岩体结构的碎裂结构区，岩体被多组裂隙切割，沿大部分结构面产生明显的张裂、扩容或倾倒变形，以形成10 cm～80 cm不等的块体，块体之间基本相互分离，类似于“干砌石”结构。

图1 典型碎裂岩体的变形特征

1.2 碎裂松动岩体边坡破坏模式

根据碎裂松动岩体的机制分析[13]，碎裂松动岩体主要分为倾倒变形为主的碎裂松动岩体、冻融风化为主的碎裂松动岩体两大类，两者具有不同的边坡破坏模式[14-15]。

(1) 倾倒变形为主的碎裂松动岩体边坡破坏模式。剖面由上而下分为二层，各层物质成分和岩体结构不同，具有不同的破坏模式。

① 表层强变形区(坠覆堆积和倾覆堆积区)。岩块完全分离，物质成分以块碎石夹砂土为主，岩块块径为20 cm～40 cm，类似于崩坡积物。该层属散体结构，边坡破坏模式以圆弧形滑移为主，稳定性由圆弧滑动和底界面滑动控制。值得注意的是因碎裂松动岩体大多沿山梁部位分布，现场调查发现向冲沟内滑动现象也时有发生，需注意其向冲沟内的滑动变形。

② 弱变形区。倾倒变形、沿折断面滑移，结合坝址区碎裂松动岩体现状调查，这类强倾倒区破坏也近似呈圆弧形，但稳定性大多受到折断面滑移控制。

(2) 冻融风化为主的碎裂松动岩体边坡破坏模式。

① 强变形区(表层堆积区)。圆弧形滑移或局部的松动掉块。

② 弱变形区(松动区)。进一步松动变形，局部塌滑。

2 基于有限元应力的虚功率法

2.1 边坡稳定安全系数的定义

求地基的承载力时，采用极限分析法。极限分析法是对于设定的刚体或变形体组合机制，通过计算静力许可的应力场或运动许可的速度场，根据虚功原理(外力所做的虚功，等于物体内部的需应变能)来计算极限荷载的。极限状态下的应变能可以作为表征物体承载力的单一指标。对于边坡滑动，边坡极限状态下的应变能与边坡当前状态下的应变能之比值，或极限状态下刚体相对滑动之功率(能量耗散率)与当前状态下之功率之比，可以定义为边坡稳定安全系数。

对于单一圆弧和直线以外的滑动面，包括单一的非圆弧曲线滑动面和折线、滑弧、非圆弧曲线的组合，统称为组合式滑动面。由于不存在单一刚体沿着组合式滑动面的运动许可的速度场，因此，组合式滑动面上的边坡体只能是刚体的组合或刚体与变形体的组合。刚体与刚体之间存在速度间断，即存在相对速度。组合式滑动面的滑动，除了滑动面上有功率以外，刚体之间和变形体内部也存在功率。

2.2 基于有限元应力的虚功率法计算公式

以图2所示的折线组合滑动面为例，ABCDEF滑动面上部的滑动体总的功率可以表示为式(1)：

(1)

其中：τ为滑动面上的剪切力；σn为滑动面上的法向正应力；v为速度间断面上的速度；φ为速度与间断面之间的夹角，由于剪胀而引起，因而又称之为剪胀角，不同部位的剪胀角可以不相同；Γ为所有速度间断面的集合。设边坡的滑动安全系数为F，则：

图2 折线组合式滑动面与速度三角形

(2)

由此，可以得到给定滑动刚体组合的边坡安全系数的显式表达式：

(3)

安全系数定义为总的滑动刚体速度间断面(刚体之间接触面和底滑面)上的抗剪强度功率与总的剪应力功率之比。

依据静力平衡的应力场和运动许可的刚体速度场，可以计算得到安全系数的一个上限值。

3 碎裂松动岩体高边坡防治技术

3.1 工程处理常用措施

根据碎裂松动岩体边坡的地质特性、破坏模式，目前针对碎裂松动岩体边坡专门的处理技术研究不多，碎裂松动岩体边坡的处理技术较多的参考岩质边坡和土质边坡的处理技术。表1列出了常用的针对较为破碎的岩质边坡以及土质边坡的防治措施，这些措施都可以应用于碎裂松动岩体高边坡防治工程。

表1 碎裂岩体边坡常用防治措施

3.2 治理措施研究

综合考虑碎裂松动岩体边坡地形地质特点、碎裂松动岩体物理力学特性和稳定分析成果，边坡治理主要包括：

(1) 边坡整体稳定处理。边坡整体稳定性采用开挖或加固措施处理至稳定性满足设计要求。

(2) 表层防护。防止表层破碎岩体掉块、局部垮塌等，坡面表层进行系统喷锚支护。

(3) 边坡表层排泄水。

① 防止降雨过程中坡面径流水流入碎裂松动岩体范围以内，进而渗入坡内，对边坡稳定不利，在边坡范围以外设置截水沟，将水引至坡外；针对开挖后的人工边坡采用挂网喷混凝土的方式防止后续风化，同时防止外水入渗；针对外开挖的边坡，采用混凝土将地表外露的较大裂隙封闭。

② 针对人工开挖的边坡表层布置排水孔，加强边坡排水，降低坡内孔隙水压力，提高边坡稳定性。

4 工程应用分析

以某水电工程为依托，对碎裂松动高边坡进行边坡稳定分析，并对边坡进行防护处理。

4.1 工程基本概况

边坡开挖边坡总高度约415 m，建基面高程2 592 m至坝顶2 907 m高程为临时开挖边坡，水平挖深15 m～60 m，高315 m；坝顶2 907 m～3 005 m高程为永久人工边坡，最高约100 m，3 005 m高程以上为自然边坡。其中防渗心墙部位开挖边坡顺河向宽度在200 m左右。

4.1.1 左岸边坡基本地质条件

本区地形为斜坡地形，坡度在30°～70°之间，出露地层岩性主要为三叠系中统竹卡组(T2z)英安岩和花岗岩，强风化带基本上零星分布在2 860 m高程以上的斜坡地带，弱风化上带水平深45 m～90 m居多，少数达140 m～188 m，弱风化下带多60 m～100 m以上，少数达到150 m以上。强卸荷2 650 m以下不明显，2 650 m以上水平深20 m～150 m，弱卸荷深30 m～160 m不等。卸荷形式以陡倾张裂为主，但局部存在中缓倾角破裂现象，陡倾张裂普遍分布于左岸岸坡，而中缓倾角破裂目前仅在PDZ07平硐一带有所揭露。

4.1.2 左岸边坡现状破坏模式调查

现状调查显示，控制边坡稳定的主要是产状N25°～50°W/SW∠24°～35°的缓倾角错动带，共5条，长度在100 m～300 m之间，未张开，结构面充填物主要是岩块、岩屑，结构面厚度多在10 cm以下，其与陡倾角结构面易构成滑移拉裂变形，如图3所示。

图3 结构面产生滑移、拉裂破坏后的形态

4.2 碎裂岩体边坡稳定分析

文中对四处碎裂松动岩体边坡进行安全系数计算，分别为：碎裂松动岩体边坡SL19、碎裂松动岩体边坡SL26、碎裂松动岩体边坡SL22、碎裂松动岩体边坡SL20。四处碎裂松动岩体边坡平面布置图见图4。

4.2.1 四处碎裂松动岩体边坡基本概况

(1) 碎裂松动岩体边坡SL19。碎裂松动岩体边坡SL19位于左岸坝肩边坡，分布在2 920 m～3 095 m高程，分布面积约2万m2，分布区自然坡角35°，顶部可见缓坡平台分布，推测厚度3 m，碎裂松动岩体方量6万m3。表层风化碎裂为块石或巨石，岩块块径多0.3 m～1.5 m，呈散体装，厚约3 m，表现为松动变形，及向两侧的局部滑塌，碎裂松动岩体目前整体基本处于稳定状态。

(2) 碎裂松动岩体边坡SL26。碎裂松动岩体边坡SL26位于右岸上游坝脚上部，分布在2 760 m～3 100 m高程，分布面积约5.5万m2，分布区自然坡角40°～65°，顶部可见缓坡平台分布，推测厚度5 m～25 m，碎裂松动岩体方量74.3万m3。整体表现为沿山脊风化碎裂状态，普遍为松散碎块石，夹少量粉砂土，陡坎及局部突出部位为大块石(1 m～2 m)，少量为巨石，推测总体厚度5 m～15 m。碎裂松动岩体目前整体基本稳定。

(3) 碎裂松动岩体边坡SL22。SL22位于右岸坝肩边坡，分布在2 835 m～3 150 m高程，分布面积约1.82万m2，分布区自然坡角40°，呈长条形分布，推测厚度10 m～15 m不等，碎裂松动岩体方量19.2万m3。整体表现为沿山脊风化碎裂，上部及下部表层风化碎裂严重，岩体已呈现散体状，块径以0.1 m～1.0 m为主，其下部及中间部位岩体松动卸荷明显，低高程见有轻微倾倒变形。碎裂松动岩体目前整体基本稳定。

图4 平面布置图

(4) 碎裂松动岩体边坡SL20。SL20位于右岸坝肩边坡，分布在2 895 m～3 035 m高程，分布面积约1.32万m2，分布区自然坡角30°～45°，推测厚度5 m～10 m不等，碎裂松动岩体方量6.6万m3。整体表现为上部5 m～10 m松动碎裂，略有变形，表层局部风化碎裂成散体结构，岩块块径以10 cm～50 cm为主，局部分布大块石，块径1 m～2 m，推测散体状堆积10 m左右。下部为松动变形，发育缓倾裂隙，易与松动卸荷岩体形成不稳定块体。碎裂松动岩体目前整体基本稳定。

4.2.2 天然状态边坡稳定分析

在持久工况、短暂工况、偶然工况三种工况下，本文分别采用刚体极限平衡法[16]和基于有限元应力的虚功率法对四处岩体边坡进行边坡稳定安全系数计算，计算结果见表2。

表2 稳定计算结果

由表2可知，计算SL19碎裂区域剖面L5在三种工况下，两种滑动模式皆满足设计标准要求。

计算SL26碎裂区域剖面R1由于坡度较陡，且碎裂松动岩体厚度较大，在三种工况下，两种滑动模式皆不满足设计标准要求。内部圆弧滑动滑弧深度约20 m，沿底界滑动时，单宽体积约6 364 m3。

计算SL22碎裂区域剖面R8时，采用基于有限元应力的虚功率法计算所得天然状态时稳定安全系数1.381，偶然状况时1.129，均大于设计标准，无需加固处理。

计算SL20碎裂区域剖面R9时，采用基于有限元应力的虚功率法计算所得天然状态时稳定安全系数1.222，偶然状况时1.051，持久工况仅比设计标准1.25小了2.2%；采用常规刚体极限平衡法计算所得持久工况1.454，短暂工况1.449，偶然工况1.367，远大于设计标准的1.25、1.15和1.05；综合两种计算方法计算结果，该碎裂松动岩体边坡稳定性满足设计要求，无需加固处理。