边坡开挖对楔型岩块稳定性的影响

秦邦民， 唐 波， 张莉萍， 许宝田

(1.南京市水利规划设计院股份有限公司， 江苏 南京 210022； 2.南京大学地球科学与工程学院， 江苏 南京 210046)

根据南京城市防洪规划，南京主城防洪标准为200年一遇，由于城市发展需要，大量跨河建筑物的兴建，加上城市主要泄洪河道存在局部缩窄现象，目前城市河道行洪能力不足。为保障南京城市防洪安全，拟在城东地区新开一条河道(秦淮东河)，分秦淮河上游来水，经七乡河、九乡河入长江。秦淮东河新开河道在江宁区铜家山段形成的人工边坡长300m，最大高度接近70m。边坡等级为Ⅰ级。故该段边坡的稳定问题是河道工程的关键技术问题[1-2]。本文从铜家山基本地质条件出发，研究楔型体成因，利用离散元模拟坡形、结构面，以及开挖过程，对楔型滑动条件下的结构体变形发展趋势和稳定性问题进行相关探讨。

岩质边坡稳定性评价是进行加固设计方案确定的前提。掌握边坡的可能失稳模式将有助于进行稳定计算时选择合适的计算方法，同时也可与稳定性计算得到的失稳模式相互印证。岩质边坡可能的失稳模式通常根据岩体结构分为平面型、楔型、倾倒(崩塌)型和圆弧型(碎裂结构)[3]。基于赤平投影法、极限平衡稳定性计算结果，南京秦淮东河工程铜家山边坡开挖后形成规模较大的楔型体，其稳定性对边坡未来安全运行造成隐患。在开挖设计中必须对其变形和稳定性做出正确的评价。实践表明，考虑变形本构关系的离散元法(UDEC)对解释块体的变形机制，分析多组结构面组合条件下形成不同形状结构体的变形和稳定性问题效果良好[3-5]。

1 工程地质条件

铜家山边坡地处南京市江宁区麒麟智慧园东、铜家山山体北侧，东侧紧靠绕越高速，该段以低山丘陵、岗地地貌为主，地势起伏较大，中间高、两端低(东、西侧)。中部铜家山-塔山为低山丘陵区，呈北东向展布，地势起伏明显，地面标高10.0～79.4 m(吴淞，下同)。山体外围地貌类型以岗地为主，地势起伏较缓，在山体西侧表现为东高、西低，山体东侧为西高、东低，两侧地面标高1 232 m，为第四系覆盖区。为满足秦淮东河河道泄洪需要，同时受邻近建(构)筑物条件限制，需要对山体北侧进行开挖，河道开挖形成高边坡，最大绝对高差超过70 m，开挖边坡长度约300 m。

勘察揭示，该段边坡内三叠系黄马青组(T2h)地层厚度超过1 000 m，为影响边坡稳定性最主要的岩体，岩性以紫红色泥质粉细砂岩为主，铁质、泥质胶结，节理、裂隙发育，砂粒状结构，层状、块状构造，岩体中发育包括层面在内的多组结构面。铜家山边坡中切割岩体形成楔型体的结构面主要包括层面和节理面，露头范围内未见有断层。根据统计，优势结构面有以下4组：(1)层面，倾角28°～61°，倾向307°～335°；(2)节理组1，倾角72°～78°，倾向120°～133°；(3)节理组3，倾角48°～64°，倾向201°～212°(4)节理组4，倾角85°～90°，倾向65°～85°。铜家山边坡地形地貌、地层及结构面基本地质特征如图1，岩土基本物理力学性质指标见表1。

表1 岩体物理、力学参数表

2 楔型块体成因

2.1 边坡开挖方案

根据秦淮东河工程规划设计方案，铜家山段现有地表标高约10～80 m，开挖后河底标高为3.0 m，河岸以下放坡坡比为1∶2.5，在8.0 m标高处设置宽2.5 m平台，在13m标高设置宽10.0 m平台，作为未来防洪通道，在平台以上分2～3级放坡，在坡面台阶高度处设置2.0 m宽减压平台，平台上下坡比设计为1∶1。结合现在地形及工程地质剖面，铜家山段河道开挖方案典型剖面如图1所示。

图1 铜家山边坡工程地质剖面示意图

2.2 边坡破坏模式

铜家山边坡开挖的形态要素和岩体结构、力学条件主要作如下考虑：(1)边坡倾向NE45°，且根据《水利水电工程边坡设计规范》(SL386—2007)，在边坡的平均坡度满足抗滑稳定要求下，边坡开挖台阶坡比为1∶1(45°)～1∶0.5(63°)；(2)岩体结构：根据前述分析，含层面在内共4组优势结构面。

极射赤平投影法确定边坡岩体沿结构面可能发生的破坏模式的判定方法(图2)，表明岩体有发生楔型块体滑动的可能性。

图2 边坡破坏模式确定

围成楔型体的结构面组合为层面(倾向NW)和节理组J1(倾向SE)，层面倾角28°～61°，倾向307°～335°，节理(J1)倾角72°～78°，倾向120°～133°，两组结构面交线产状受结构面产状变化影响，总体上倾向NE，倾角大约在30°～50°之间。在结构面交线倾角一定的情况下，坡面倾角越大，楔型体体积也越大，稳定性越差，下滑力越大。

滑体尺寸受坡角和坡高两个因素控制：(1)当坡面倾角减小时，可能失稳的结构体尺寸减小；(2)边坡高度越小，滑体体积越小，边坡开挖后，设置的台阶越多、台阶宽度越大，滑体体积越小。当坡面倾角大于27°时，铜家山边坡即可能发生楔型或倾倒型破坏。

3 离散元模拟

3.1 离散元(UDEC)软件及特点

离散单元法(UDEC)兴起于1971年，近50多年中已在岩土工程领域得到充分的发展与应用。与其他软件不同，UDEC更加注重岩体中的裂隙、节理等不连续结构面对岩体工程的影响及边坡的变形破坏过程[4-5]。

UDEC自身内置多种变形体材料模型，如弹性模型、德鲁克—普拉格塑性模型、库伦—摩尔塑性模型等。节理模型包括：库仑滑移模型、连续屈服模型、具有残余强度库仑滑移模型等。此外，UDEC还内置节理自动生成器，更加细化了节理化模型的建立。故离散单元分析法主要用于模拟离散型介质的数值模拟，能够在反映岩块之间的大位移的同时还可对其内部变形、应力进行计算分析，且不受岩体材料限制。大量工程实践和研究成果表明，为了分析边坡开挖后的变形和稳定性发展趋势，可采用块体离散元法对其变形特征进行模拟[5]。

3.2 铜家山边坡几何模型

根据开挖前后山体几何特征，建立相关几何模型，模型长度400 m，宽度350 m，高度145 m，开挖台阶设置情况与前述边坡开挖方案一致。

坐标轴设置：y轴正方向为正N，x轴正方向为正E，z方向为垂直方向。开挖台阶走向NW(315°)-SE，开挖后坡脚标高3.0 m，东侧坡底标高约30 m(自然标高)，西侧坡底标高约20 m，几何模型如图3。

图3 铜家山边坡楔型体结构几何模型

4 楔型结构体开挖变形特征

基于上述离散元模型，模拟两种情况下铜家山边坡稳定性计算：(1)结构面切割围成的块体为刚体，结构体发生的变形或破坏主要位于结构面上，在模拟过程中块体只发生位移或转动，不发生形状和体积的改变；(2)结构体为可变形块体，结构面和块体均可能发生变形或破坏。

4.1 刚性体结构体变形特征

结合极射赤平投影分析，受节理几何和坡面几何的影响，结构面切割形成的楔型体可分为以下两种情况：(1)并排型楔型体，同一台阶高度范围内，相邻结构面形成的楔型体并排，并有相互嵌入情况，最上一级台阶内楔型体为标准“四面体”，体积受地形和节理间距影响而变化；(2)连串型楔型体：结构面切割形成的楔型体跨越至少2个(或多个)台阶，导致楔型体形状为不规则四面体。

对刚性结构体稳定性进行分析时，输入岩体重度，结构面刚度和强度参数，对模型底部位移进行约束，模型东、西侧和南、北侧水平方向进行约束。在坡顶，上部两个台阶上设置水平、垂直位移监测点共3个。计算时只考虑岩体自重的影响，不考虑地震、地下水的影响，对开挖前岩体的自重应力进行计算后，将开挖前岩体变形设为0，13m标高以上台阶坡角设为45°，采用强度折减法计算出边坡楔型体稳定性系数为4.08，楔型体稳定，无破坏迹象。

在上述几何模型中再加入J2(201°～212°∠48°～64°)节理组，力学参数取值与J1一致，计算得结构体的稳定性系数小于1.0，结构体不稳定。

通过对岩体应力和变形进行计算，边坡岩体变形结果见图4，楔型体与两侧岩体之间发生明显错动，受J2节理组的影响，在J2节理两侧错动不同步，且在J2结构面上有较大的拉裂和拉伸位移。表明该组节理对结构体的稳定性影响大，滑动块体形状仍然为四面体形，滑动面还是位于层面和J1节理面，滑体的形状和尺寸受结构面切割和坡形影响。在坡体和坡面中间(接近边坡最高处)变形最为明显，形成并排型滑动块体。

图4 考虑3组结构面的岩体变形

在边坡中部沿切坡倾向上设置观测剖面，计算3 000步后得该剖面上的位移等值线图，见图5，结合坡顶岩体沿结构面破坏特征，不稳定结构体的滑动在坡面引起较大的变形，表明如不对坡面不稳定块体采取加固措施，则可能引起大范围的岩体破坏，特别在结构面位置处有位移值突变现象(位移等值线呈不规则形状)。

图5 边坡岩体垂直位移等值线

考虑13 m平台以上放坡坡角为60°时，仍采取上述计算步骤，根据计算结果发现，在只考虑层面和节理组J1时，边坡稳定，如加入节理组J2时，边坡不稳定，楔型结构体变形与破坏特征见图6，滑动块体的体积比45°放坡时大，计算同样3 000步后，块体变形量更大，沿J2节理组也发生较大的拉裂破坏。13 m标高以下坡面没有楔型块体滑动迹象，故河道开挖后边坡的稳定性问题主要集中在13 m平台以上。

图6 块体变形(13 m标高平台以上60°放坡)

4.2 弹塑性结构变形特征

将岩块视为可变形的弹塑性材料，对于一般的岩石力学问题如边坡稳定性和地下开挖，一般采用Mohr-Colum弹塑性模型。

采用四面体网格对块体进行划分，假设块体力学性质服从莫尔-库伦强度准则，计算时输入岩块的抗剪强度、抗拉强度、体积模量和剪切模量，根据台阶设置，由上而下分4步(4级台阶)开挖，计算得不同开挖阶段坡面位移变化，见图7。第一级台阶开挖范围较小，导致的坡面位移变化小，第二级台阶开挖导致的变形速率和变形量最大。与前面假设块体为刚体相比，相应位置岩体的位移量要增大10 cm以上。

图7 坡面监测点位移结果

在边坡中部沿切坡倾向方向设置观测剖面，计算3 000步后得该剖面上的位移等值线图见图8，最大位移位置在13 m标高平台以上坡面，岩体的变形仍主要发生在结构面附近，岩块中也有明显的变形。

图8 中间剖面水平位移等值线

对13 m标高以上台阶按60°放坡考虑，计算得边坡高度最大处横切剖面上水平位移等值线，见图9，坡面位移值比45°放坡时更大，沿J2结构面有剪切错动现象。

图9 13 m标高以上台阶按60°放坡时水平位移

根据3维模型的破坏特征可以看出岩体的破坏包括：

(1)岩块沿形成楔型体结构面的错动(岩层层面和J1节理组)，结构面强度低于岩块强度，结构面组合条件下岩体首先沿结构面发生错动；

(2)侧向结构面J2受拉力作用，加剧了岩体的破坏；

(3)变形块体内的完整岩块的断裂、崩塌，岩块发生位移后，受力不均匀，发生弯曲折断，岩块进一步解体，发生崩塌；

(4)13 m平台以下岩体沿层面的张裂，如岩块抗变形能力差，大角度开挖后侧向变形大，13 m标高以下虽然放坡很缓，受侧向挤压，岩体沿挤压方向发生张裂。

5 结论与建议

(1)结构面对岩质边坡稳定性影响很大，尤其计算楔型体稳定性时，开挖面和层面、节理面等结构面的影响不容忽略。

(2)离散元(UDEC)能很好地模拟岩体结构面的位移、变形以及应力特征，可用于分析边坡开挖变形和稳定性发展趋势。

(3)除开挖坡面外，影响铜家山高边坡楔型岩块稳定的结构面主要为层面和J1、J2节理面。。

(4)铜家山边坡开挖后岩体变形边界受结构面控制，边坡稳定性受岩体结构控制。在假设岩块为可变形固体条件下，边坡开挖后岩体侧向位移比假设岩块为刚体时大大增加，岩体发生变形后岩块也可能发生破裂，加速了岩体的破坏，建议边坡采取加固方案设计，从边坡开挖对楔型岩块变形特征和稳定性影响综合分析入手。