王 俊，趙建軍, 瞿生軍, 廖蕓婧, 汪 果, 樊 奇(.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 60059；.江蘇省工程勘測研究院有限責(zé)任公司，江蘇 揚(yáng)州 5000；.國網(wǎng)四川省電力公司宜賓電公司，四川 宜賓 644000)

巖石高邊坡已經(jīng)不是一個(gè)新的課題，但在我國西南地區(qū)，由于其地形地貌和地質(zhì)條件十分復(fù)雜，常伴隨著高地應(yīng)力、陡坡角等特點(diǎn)，決定了邊坡大規(guī)模開挖之后必然引發(fā)一系列復(fù)雜的邊坡穩(wěn)定性[1]及巖石力學(xué)問題[2]。擬建的西藏如美水電站[3]天然高邊坡達(dá)1000m左右，右壩肩邊坡開挖高度約700m，對(duì)邊坡開挖后出現(xiàn)的卸荷變形、破壞及變形破壞模式等問題進(jìn)行深入研究對(duì)于保證邊坡長期穩(wěn)定性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

邊坡開挖所造成的巖體變形破壞現(xiàn)象及特征，在理論研究和工程實(shí)踐中都極受關(guān)注，國內(nèi)外專家對(duì)此類研究也極多，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[4]、監(jiān)測數(shù)據(jù)[5]和物理模擬試驗(yàn)等[6～7]。Underwood等、Quigley對(duì)于基坑開挖后巖石的側(cè)向變形在文[8]中得到了相應(yīng)的印證；Sembenelli經(jīng)過研究則認(rèn)為其為“二次位移”現(xiàn)象[9]。目前常用來分析高邊坡變形的監(jiān)測數(shù)據(jù)，多僅僅局限于高邊坡的某一個(gè)部位或者是某一個(gè)時(shí)間段[10～11]，且監(jiān)測數(shù)據(jù)較為繁瑣、不直觀。采用數(shù)值模擬分析邊坡開挖之后變形的研究[12～13]雖然比較多，但多不能真實(shí)地反映邊坡巖體的結(jié)構(gòu)，不考慮過多的外界因素。

本文通過對(duì)西藏如美水電站地表、平硐的詳細(xì)調(diào)查，獲得了巖體結(jié)構(gòu)特征、巖體質(zhì)量及巖體物理力學(xué)參數(shù)，采用結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模型模擬邊坡，分四級(jí)開挖對(duì)700m深卸荷邊坡變形進(jìn)行分析，再現(xiàn)了邊坡開挖變形響應(yīng)的全過程，對(duì)類似的工程高邊坡及巖質(zhì)邊坡具有指導(dǎo)意義及參考、實(shí)用價(jià)值。

1 開挖邊坡地質(zhì)原型

開挖邊坡位于西藏芒康縣如美鎮(zhèn)如美水電站右岸壩肩，地形整體較為陡峻，高程2 680 m以下由于河谷深切，基本上呈陡壁，坡度達(dá)70°；2 680～3 050 m高程之間地形較陡，自然坡度達(dá)45°；3 050 m高程以上坡度稍緩，在35°左右。

右壩肩開挖邊坡河谷走向?yàn)镾N，開口線最高高程為3 240 m，壩頂高程2 902 m。開挖邊坡總高程約700 m，壩頂高程以下為臨時(shí)邊坡，高約315 m，壩頂至開口線最高高程為永久邊坡，高約338 m。臨時(shí)邊坡坡比在2 810～2 902 m高程段為1∶1.4，2 810 m高程以下為1∶0.9。永久邊坡2 902～3 240 m原始地形坡度為30°，梯級(jí)坡比為1∶0.5，每15 m設(shè)置3 m寬馬道，每60 m設(shè)置一個(gè)6 m寬馬道，綜合坡比1∶0.7。

開挖邊坡主要巖性為三疊系的英安巖，巖質(zhì)堅(jiān)硬，發(fā)育煌斑巖脈，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，尤其是淺表層的碎裂巖體。由于河谷的深切作用，邊坡卸荷極為發(fā)育且水平深度較深，在高程較高處達(dá)200 m左右，邊坡為典型的深卸荷高邊坡。

開挖邊坡卸荷裂隙以陡傾為主，總體產(chǎn)狀N48°～87°W/SW∠80°、N66°W/NE∠81°。另外發(fā)育兩組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面，一組陡傾，其產(chǎn)狀為N54°W/NE∠76°；一組緩傾，近似流層面，產(chǎn)狀為N10°E/SE∠22°。邊坡開挖的工程地質(zhì)平面圖及剖面圖見圖1、圖2(A-A’剖面)。

2 開挖邊坡卸荷特征及平硐變形現(xiàn)象

2.1 開挖邊坡卸荷特征

早期河谷的間歇性快速下切，使河谷岸坡應(yīng)力場產(chǎn)生新的調(diào)整，伴隨這一過程巖體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一系列新的變化。其結(jié)果是在河谷岸坡一定深度范圍內(nèi)，形成類似于地下硐室圍巖“松動(dòng)圈”的岸坡卸荷帶。根據(jù)平硐現(xiàn)場調(diào)查和已有資料分析，發(fā)現(xiàn)右壩肩邊坡巖體存在大量的卸荷變形破裂現(xiàn)象，且變形破裂特征較為復(fù)雜。

圖3所示，在PD2平硐23 m處，發(fā)育一沿陡傾結(jié)構(gòu)面C3(N50°W/SW∠88°)最寬約20 cm的上寬下窄型張性裂隙，碎裂的塊石在開挖擾動(dòng)下堆積填充在裂隙的底部。破裂面平直光滑，充填碎石到塊石，結(jié)構(gòu)疏松。在PDZ42平硐179.5 m處，發(fā)育一沿陡傾結(jié)構(gòu)面C52(N60°W/NE∠84°)最寬約50 cm的張性裂隙。

邊坡地處深切峽谷地段，開挖邊坡所處河谷深切，相對(duì)高差達(dá)700 m以上，巖體卸荷作用總體上表現(xiàn)得較為強(qiáng)烈，且?guī)r體卸荷帶隨高程增大分布越深。根據(jù)平硐內(nèi)的卸荷裂隙發(fā)育深度的統(tǒng)計(jì)，得出開挖邊坡不同高程(2 700 m、2 800 m、2 900 m、3 000 m)卸荷分帶平切圖(圖4)，可以明顯發(fā)現(xiàn)邊坡的卸荷分布特征：

(1)山脊和溝谷處的卸荷深度表現(xiàn)不同。山脊處卸荷明顯大于溝谷處卸荷。中、高高程山脊處的強(qiáng)卸荷深度深達(dá)200多米，弱卸荷有的也深達(dá)150 m；而溝谷處一般強(qiáng)卸荷特征不明顯或較淺，約20多米，以弱卸荷為主，深度在100 m范圍以內(nèi)。

(2)山脊和溝谷處的卸荷變形破裂方式有所不同。由平硐的卸荷變形現(xiàn)象分析，在山脊部位的近坡表，其卸荷特征主要表現(xiàn)為陡傾結(jié)構(gòu)面的寬張與中緩傾結(jié)構(gòu)面壓剪破裂的組合，向內(nèi)則主要表現(xiàn)為沿陡傾結(jié)構(gòu)面的張裂變形。溝谷部位強(qiáng)卸荷發(fā)育極淺或不發(fā)育。

圖1 右壩肩邊坡工程地質(zhì)平面圖Fig.1 Engineering geological map of the right dam abutment slope

圖2 右壩肩邊坡A-A’工程地質(zhì)剖面圖Fig.2 Engineering geological section along A-A’ of the right abutment slope

圖3 典型卸荷現(xiàn)象Fig.3 Typical unloading phenomenon

(3)隨高程增加，卸荷的強(qiáng)度和深度有所增大。

(4)在中、高高程平硐中，強(qiáng)卸荷段較發(fā)育，一般大于100 m。但強(qiáng)卸荷以后，弱卸荷段普遍較短，且裂隙的張開度明顯減小，主要以微張為主，弱卸荷段的范圍一般不超過50 m。該硐深以里，卸荷不再發(fā)育。

圖4 邊坡卸荷分布平切圖Fig.4 Unloading flat distribution map of the slope

2.2 開挖邊坡典型平硐變形現(xiàn)象

平硐PDZ10中，洞外變形較為明顯的硐段為強(qiáng)卸荷帶。60～62 m硐段因卸荷產(chǎn)生寬大張裂，巖體內(nèi)部產(chǎn)生裂隙，松動(dòng)巖體向外運(yùn)動(dòng)。由于重力作用，產(chǎn)生壓剪變形，逐步形成了大部分張開、局部閉合的陡緩相接的階梯狀裂隙(圖5)。

圖5 典型變形現(xiàn)象Fig.5 Typical deformation phenomenon

3 卸荷條件下大規(guī)模開挖響應(yīng)離散元模擬

3.1 邊坡模型的建立

右岸壩肩邊坡大規(guī)模開挖響應(yīng)的模擬主要選取壩軸線剖面，即圖2的邊坡工程地質(zhì)剖面。對(duì)邊坡結(jié)構(gòu)面進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，利用蒙特卡羅原理建立邊坡隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型，模型尺寸1 200 m×1 100 m，邊坡最低高程2 540 m，最高高程3 640 m。模擬中考慮了卸荷，將巖體質(zhì)量劃分為四級(jí)，最終建立了概化模型(圖6)。

圖6 右壩肩邊坡巖體結(jié)構(gòu)模型Fig.6 Rock mass structure model of the right dam abutment slope

3.2 開挖模擬的方案及計(jì)算參數(shù)選取

邊坡開挖規(guī)模巨大，共分為四級(jí)：第一級(jí)從開口線開挖至EL3 040 m，該高程為壩頂以上高程；第二級(jí)從開口線開挖至EL2 092 m，該高程為壩頂高程；第三級(jí)從EL2 902開挖至EL2 810 m，該高程內(nèi)坡比為1∶1.4，為壩頂高程以下；第四級(jí)從EL2 810 m開挖至EL2 587 m，該高程內(nèi)坡比為1∶0.9，開挖至河谷。為了研究邊坡開挖后的變形響應(yīng)，且更清晰地反映開挖部位與變形之間的關(guān)系，對(duì)四級(jí)開挖逐步進(jìn)行。

計(jì)算時(shí)，為分析開挖響應(yīng)，在天然工況計(jì)算基礎(chǔ)上，將位移和速度清零。第一級(jí)開挖清除天然計(jì)算階段的位移和速度，其后的開挖則不需要重置模型的位移和速度。

模型邊界采用位移固定法，通過結(jié)合勘測設(shè)計(jì)研究院、室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及GSI巖體物理力學(xué)參數(shù)建議取值，并參考《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范(GB 50287—2008)》，最終綜合確定右岸壩肩邊坡模型計(jì)算的巖體物理力學(xué)參數(shù)和結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)，見表1～2。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)取值Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass

表2 不同結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)取值Table 2 Mechanical parameters of different structural planes

3.3 基于模擬結(jié)果的開挖響應(yīng)分析

邊坡開挖至EL3 040 m時(shí)，邊坡位移變化見圖 7(a)。從圖中可以看到，邊坡在開挖之后，EL3 040～EL3 340 m處靠近開挖面的淺表部巖體產(chǎn)生了約8 mm的變形，變形以斷層為后緣邊界，沿著緩傾坡外卸荷結(jié)構(gòu)面向臨空面方向產(chǎn)生剪切變形。EL2 840～EL3 040 m的坡表碎裂巖體由于受到上部巖體開挖卸荷的影響且?guī)r體極破碎，產(chǎn)生約2 cm的變形，大于上部巖體變形。開挖高程以下EL2 840～EL3 040 m部位由于失去上部被開挖巖體的鎖固作用，向坡外產(chǎn)生變形，變形由高高程向低高程傳遞，越往下部受開挖影響越小。開挖高程以上的巖體，由于失去被開挖巖體的支擋作用，首先在開挖面產(chǎn)生變形并逐漸向上部延伸擴(kuò)展。

當(dāng)邊坡開挖至EL2 902 m時(shí)，邊坡位移變化見圖 7(b)。從邊坡X方向位移云圖可以發(fā)現(xiàn)，邊坡開挖至EL2 902 m，由于開挖范圍較廣、方量和規(guī)模較大，產(chǎn)生了坡度約50°的臨空面，此臨空條件對(duì)整個(gè)開挖面巖體及上部巖體的影響很大，變形最大的位于開挖下部的一部分碎裂巖體，位移達(dá)25 cm，開挖面巖體產(chǎn)生10 cm左右的變形，開挖上部巖體也產(chǎn)生了約6 cm的變形。前緣緩傾坡內(nèi)的長大裂隙密集發(fā)育，受到開挖擾動(dòng)的影響，產(chǎn)生約10 cm的變形。從邊坡開挖位移的變化可以看出，邊坡變形都受控于結(jié)構(gòu)面，所形成的潛在滑面都是以陡傾結(jié)構(gòu)面為后緣，以緩傾角結(jié)構(gòu)面為底滑面。

當(dāng)邊坡開挖至EL2 810 m時(shí)，邊坡位移變化見圖 7(c)?？梢钥闯?，隨著開挖級(jí)數(shù)的增加，邊坡水平向變形也在增加，其X方向最大位移達(dá)到0.3 m。

當(dāng)邊坡開挖至EL2 587 m時(shí)，邊坡位移變化見圖 7(d)。由于開挖將表層碎裂巖體全部挖除，EL2 640～EL2 810 m巖體基本沒有變形。開挖導(dǎo)致裸露的巖體產(chǎn)生一定的松動(dòng)，變形繼續(xù)增加，變形位移量在0.25～0.3 m，邊坡最終開挖完X方向累積最大變形達(dá)0.5 m，位于開口線之上，Y方向垂直變形如圖8所示。

3.4 邊坡開挖變形響應(yīng)機(jī)制分析

卸荷環(huán)境下，大規(guī)模開挖是邊坡變形的主控因素。通過邊坡不同高程開挖的全過程模擬，可以看出邊坡變形響應(yīng)機(jī)制較為復(fù)雜，總體表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：

(1)開挖對(duì)淺表層強(qiáng)卸荷巖體影響最大，其引起的變形主要以橫向位移為主，這是由開挖后巖體應(yīng)力重分布決定的。

(2)開挖引起的累積位移模式為向上傳遞、在后緣累積。

(3)從四級(jí)分布開挖來看，巖體在斷層、卸荷發(fā)育的附近表現(xiàn)出較大的豎向沉降與側(cè)向位移，表明邊坡開挖后以淺表部及深部“滑移-拉裂”響應(yīng)的地質(zhì)-力學(xué)為主導(dǎo)環(huán)境。

4 結(jié)論

(1)右壩肩開挖邊坡總體變形較大，尤其在卸荷極為發(fā)育的表層，分布開挖變形位移分別達(dá)1.6 cm、0.2 m、0.25 m和0.5 m，深部巖體變形量在0.1 m左右。

(2)數(shù)值模擬過程表明，卸荷條件下的高邊坡大規(guī)模開挖之后，邊坡所產(chǎn)生的變形響應(yīng)一般分為三個(gè)階段：變形急速增長階段，在初始開挖時(shí)期，由于卸荷回彈作用，在開挖面上下500 m范圍，所影響的范圍極大；變形較為緩慢的階段，開挖面下部變形較小甚至基本沒有，上部延伸約20 m左右，基本處于變形穩(wěn)定階段。

(3)開挖是邊坡產(chǎn)生較大變形的最主要因素之一，開挖面及其上下淺表部巖體宏觀上表現(xiàn)為卸荷回彈，松動(dòng)變形且變形較大。開挖全部結(jié)束與開始開挖相比，變形很快處于穩(wěn)定階段，越接近開挖結(jié)束，剩余變形就越小。其現(xiàn)象表明邊坡可看成彈性介質(zhì)，邊坡變形是開挖之后造成的彈性恢復(fù)，彈性恢復(fù)滯后極小。

(4)模擬結(jié)果表明，對(duì)于巖質(zhì)堅(jiān)硬的卸荷高邊坡，開挖之后主要變形以側(cè)向(X方向)為主，開挖同一部位，側(cè)向位移明顯大于垂直位移。但開挖邊坡以上的變形應(yīng)特別注意，尤其在卸荷極為發(fā)育的條件下，其變形往往極大，容易影響下部安全。

(5)通過對(duì)高邊坡全過程的開挖模擬，提出了高邊坡大規(guī)模開挖之后的變形性質(zhì)(機(jī)制)，即卸荷條件下總體以淺表層卸荷松弛為主，邊坡變形與開挖表現(xiàn)極為同步，最終由于開挖面的遠(yuǎn)離，邊坡變形逐漸趨于穩(wěn)定。

圖7 邊坡開挖變形位移圖Fig.7 Deformation displacement diagram of slope excavation

圖8 EL2 587 m邊坡開挖變形垂向位移圖Fig.8 Vertical displacement diagram of the excavation deformation of the EL2 587 m slope