劉漢東， 趙亞文

(1.華北水利水電大學(xué) 巖土力學(xué)與水工結(jié)構(gòu)研究院，河南 鄭州 450046； 2.河南省巖土力學(xué)與結(jié)構(gòu)工程重點實驗室，河南 鄭州 450046)

巖體工程地質(zhì)力學(xué)豐富了工程地質(zhì)學(xué)和巖體力學(xué)的理論體系。谷德振[1]關(guān)于巖體特性決定巖體穩(wěn)定，巖體特性受巖體結(jié)構(gòu)控制，巖體變形破壞方式、規(guī)模等受巖體自身結(jié)構(gòu)制約的思想為工程地質(zhì)勘察和巖體工程設(shè)計指明了方向。王思敬[2]認(rèn)為巖體穩(wěn)定性分析應(yīng)以巖體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，預(yù)測可能的失穩(wěn)方式，選取合理參數(shù)，正確地確定邊界條件和采用合適的計算分析方法。巖體結(jié)構(gòu)由建造和改造地質(zhì)作用形成[3]。地應(yīng)力、地溫、地下水等賦存環(huán)境影響巖體穩(wěn)定性。邊坡巖體變形和失穩(wěn)的內(nèi)在因素是巖體結(jié)構(gòu)及其賦存環(huán)境，地震、降雨和人類活動是外在因素。在內(nèi)、外因素共同作用下，邊坡的穩(wěn)定性發(fā)生變化[4-5]。

巖體由巖石和結(jié)構(gòu)面組成。結(jié)構(gòu)面是指巖體中各種地質(zhì)界面，包括原生結(jié)構(gòu)面、次生結(jié)構(gòu)面及不連續(xù)面，如斷層、節(jié)理、不整合面、層間錯動帶、劈理、片理、層理和裂隙等。結(jié)構(gòu)面的空間分布狀態(tài)和組合形式構(gòu)成了巖體結(jié)構(gòu)(如圖1所示的石澗水庫右壩肩巖體結(jié)構(gòu))，它是決定巖體工程地質(zhì)、水文地質(zhì)特征、力學(xué)性質(zhì)及其穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。軟弱結(jié)構(gòu)面是巖體力學(xué)分析的邊界，控制著巖體的破壞方式。羅國煜[6]基于巖體工程地質(zhì)力學(xué)結(jié)構(gòu)面理論提出了優(yōu)勢面分析理論與方法。

圖1 石澗水庫右壩肩巖體結(jié)構(gòu)

巖體結(jié)構(gòu)面空間分布具有隨機性和不均勻性，其特征描述復(fù)雜且繁瑣，包括結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、幾何參數(shù)、密度、間距、連通率、優(yōu)勢分組等，出露的巖體結(jié)構(gòu)面不一定能代表整個區(qū)域的結(jié)構(gòu)面特征，難以得到結(jié)構(gòu)面復(fù)雜多變的幾何形態(tài)信息。結(jié)構(gòu)面幾何形態(tài)和分布的復(fù)雜性對精確描述巖體結(jié)構(gòu)面信息造成困難。通過大量的現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，潘別桐等[7]提出了確定巖體節(jié)理規(guī)模的統(tǒng)計窗法，GOODMAN R E[8]提出了不連續(xù)巖體中的工程地質(zhì)方法。隨著攝影、測量、工程探測等技術(shù)的發(fā)展，巖體結(jié)構(gòu)的描述方法日漸豐富，描述精度也有所提高。對于大斷層的調(diào)查，可以依靠區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造作用分析并結(jié)合物探手段進(jìn)行。對于節(jié)理裂隙等結(jié)構(gòu)面的描述，除現(xiàn)場測量外，還可以結(jié)合三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行。劉漢東等[9]根據(jù)三維激光掃描點云數(shù)據(jù)，在前坪水庫右壩肩邊坡共獲取典型節(jié)理裂隙145條，對其中94條裂隙進(jìn)行統(tǒng)計，獲取了優(yōu)勢節(jié)理組。伍法權(quán)[10]將幾何概率理論、斷裂力學(xué)與連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論相結(jié)合，提出了統(tǒng)計巖石力學(xué)，從新的角度分析巖體力學(xué)。陳劍平[11]、葛云峰等[12]在統(tǒng)計巖石力學(xué)基礎(chǔ)上結(jié)合計算機理論和方法發(fā)展了隨機不連續(xù)面三維網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)。

由于巖體強度和變形難以通過直接試驗獲取，因此，在巖體力學(xué)領(lǐng)域許多巖體分類方法被提出來，如Deere的RQD分類、Barton的Q分類[13]、Bieniawski的RMR分類等?，F(xiàn)場結(jié)構(gòu)面調(diào)查手段不斷發(fā)展，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)的模擬，使邊坡分析中的節(jié)理分布形態(tài)得到合理重現(xiàn)，提高了邊坡穩(wěn)定性分析的精度。對節(jié)理巖體強度的研究主要集中在結(jié)構(gòu)面連通率、起伏角、巖橋、不規(guī)則節(jié)理粗糙度系數(shù)、法向應(yīng)力與法向變形、剪切變形和剪切強度等的相互關(guān)系及其本構(gòu)模型。

邊坡穩(wěn)定性問題看似是一個簡單問題，由于巖體具有各向異性、不連續(xù)性和不確定性等特征，雖然經(jīng)過了100 多年的理論研究和實踐發(fā)展，至今仍沒有得到很好的解決。

本文是在第五屆谷德振講座特邀報告《邊坡失穩(wěn)巖體結(jié)構(gòu)控制論》基礎(chǔ)上撰寫的，總結(jié)了巖體工程地質(zhì)力學(xué)研究進(jìn)展，論述了巖體結(jié)構(gòu)對邊坡穩(wěn)定性的控制作用，提出了應(yīng)用巖體結(jié)構(gòu)控制論評價邊坡穩(wěn)定性的方法，并結(jié)合云南省魯?shù)榭h紅石巖滑坡進(jìn)行分析。

1 巖體結(jié)構(gòu)對邊坡穩(wěn)定性的控制作用

國際巖石力學(xué)學(xué)會將巖體中的斷層、軟弱層面、大多數(shù)節(jié)理、軟弱片理和軟弱帶等各種力學(xué)成因的破裂面和破裂帶定義為不連續(xù)面(discontinuity)。巖體結(jié)構(gòu)控制論中，將不連續(xù)面抽象為平面的、沒有厚度的地質(zhì)體，即結(jié)構(gòu)面。結(jié)構(gòu)面與結(jié)構(gòu)體組合排列，形成多種巖體結(jié)構(gòu)，對于巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性，巖體結(jié)構(gòu)的影響更為顯著。

1.1 巖體結(jié)構(gòu)面分級控制邊坡失穩(wěn)

谷德振[1]依據(jù)結(jié)構(gòu)面的規(guī)模及其對巖體穩(wěn)定性所起的作用，將結(jié)構(gòu)面分為5級，見表1。區(qū)域斷裂改造邊坡巖體介質(zhì)類型，控制邊坡變形破壞，影響邊坡兩側(cè)巖體完整性，可形成巖體力學(xué)作用邊界，控制邊坡整體變形破壞模式。小規(guī)模斷層和軟弱夾層形成邊坡巖體變形破壞的邊界，其組合特征影響邊坡整體和局部變形破壞模式。節(jié)理和裂隙影響邊坡巖體結(jié)構(gòu)和巖體的完整性，對邊坡局部塊體穩(wěn)定性有控制作用。微小節(jié)理和隱微裂隙使得巖體力學(xué)性質(zhì)呈非均質(zhì)、各向異性，控制邊坡巖體強度、變形、滲流等特征。

表1 巖體結(jié)構(gòu)分級與邊坡失穩(wěn)[1]

1.2 巖體結(jié)構(gòu)類型控制邊坡破壞模式

巖體結(jié)構(gòu)控制著巖體變形、巖體破壞、巖體力學(xué)性質(zhì)[3]。巖體工程地質(zhì)力學(xué)將巖體結(jié)構(gòu)分為4類，包括塊狀結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)和散體結(jié)構(gòu)。老虎嘴巖體邊坡是典型的塊狀結(jié)構(gòu)，在汶川地震中，坡體內(nèi)部結(jié)構(gòu)面貫通形成滑動的楔形體，產(chǎn)生明顯的崩滑現(xiàn)象[14]。唐家山滑坡、北川新中滑坡、肖家橋滑坡為順層滑坡，在地震力作用下該類滑坡層面對邊坡的破壞起到主要的控制作用[15-17]。而反傾邊坡受層面傾角、層厚、坡度等多個因素影響，容易產(chǎn)生崩塌、傾倒、潰屈等多種破壞[18]。碎裂結(jié)構(gòu)邊坡內(nèi)部發(fā)育多組相交結(jié)構(gòu)面，邊坡完整性降低，若受到地震、降雨等外界因素影響，極易發(fā)生崩塌、落石、滑動等破壞。散體結(jié)構(gòu)的邊坡，坡體結(jié)構(gòu)松散，多數(shù)為堆積體，在不利因素作用下易發(fā)生大規(guī)?；潞土骰琜19]。對不同的巖體結(jié)構(gòu)類型控制邊坡失穩(wěn)的破壞模式總結(jié)如下，見表2。

表2 巖體結(jié)構(gòu)與邊坡破壞模式[1,20]

2 邊坡穩(wěn)定性巖體結(jié)構(gòu)控制評價方法

HOEK E等[21]重視巖體結(jié)構(gòu)面組合研究，提出了邊坡由結(jié)構(gòu)面構(gòu)成的楔形體穩(wěn)定性問題，并給出了計算方法。孫玉科等[4]研究了大量礦山和水電工程邊坡，根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)特性和邊坡失穩(wěn)破壞模式歸納出5 種具有典型意義的工程地質(zhì)模型，即金川模型(反傾邊坡傾倒破壞)、葛洲壩模型(沿水平軟弱巖層整體性滑動)、塘巖光模型(順層邊坡滑動破壞)、白灰廠模型(塌落式平推滑移)、鹽池河模型(滑塌式山崩)。

邊坡失穩(wěn)破壞模式是多種多樣的。通過對大量工程邊坡和自然邊坡滑坡災(zāi)害的調(diào)查統(tǒng)計，邊坡失穩(wěn)破壞模式不僅限于上述5種，邊坡的破壞模式不同，采用的計算方法不同，須采用不同的破壞判據(jù)評定邊坡的穩(wěn)定性。

巖體結(jié)構(gòu)控制論的邊坡穩(wěn)定性評價方法，就是以巖體結(jié)構(gòu)組合為特征，對邊坡失穩(wěn)模式進(jìn)行分類，建立地質(zhì)模型和計算模型，并引入巖體工程地質(zhì)力學(xué)理論與方法，評價邊坡的穩(wěn)定性。主要步驟如下：

1)收集區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和地震烈度區(qū)劃資料，研究Ⅰ、Ⅱ級結(jié)構(gòu)面對邊坡整體變形的控制作用、影響邊坡作用力邊界及賦存環(huán)境；

2)查明研究區(qū)工程地質(zhì)條件(地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水、地應(yīng)力等)，與邊坡穩(wěn)定性直接相關(guān)的Ⅲ、Ⅳ級結(jié)構(gòu)面，針對邊坡失穩(wěn)模式、受力條件及變形機制起控制作用的巖體結(jié)構(gòu)面組合特征，建立邊坡地質(zhì)模型；

3)分析巖體結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)面組合形式，進(jìn)行邊坡巖體分類，依據(jù)現(xiàn)場和室內(nèi)試驗成果合理選取巖體力學(xué)計算參數(shù)；

4)根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)類型、邊坡介質(zhì)類型和失穩(wěn)模式，建立計算模型，選取合理的計算方法及相關(guān)數(shù)值分析程序；

5)采用定性評價與定量評價相結(jié)合的方式開展邊坡穩(wěn)定性評價。

3 紅石巖滑坡穩(wěn)定性分析

3.1 滑坡區(qū)工程地質(zhì)條件

2014年8月3日16時30分，云南省魯?shù)榭h龍頭山鎮(zhèn)發(fā)生了6.5級地震，震源深度12 km。魯?shù)榈卣馂樽呋偷卣?，NW向包谷垴—小河斷裂為發(fā)震斷裂。紅石巖滑坡距包谷垴—小河斷裂1.4 km，區(qū)域斷裂對滑坡穩(wěn)定性影響強烈。

魯?shù)榈卣鹫T發(fā)紅石巖左岸古滑坡堆積物表層松動并向河床滑動，右岸山體產(chǎn)生大規(guī)?；拢麦w積達(dá)1.2×107m3，堆積形成堰塞體阻斷牛欄江。右岸滑坡后緣陡壁高約300 m，中部形成橫河向近水平且傾向下游的滑坡臺階，臺階以下為陡崖，如圖2所示。紅石巖滑坡震前坡度為54°～61°，坡頂高程為1 860 m，坡腳高程為1 100 m，相對高差為760 m。右岸巖層傾向坡內(nèi)偏下游，巖層產(chǎn)狀20°～60°/NW∠10°～30°?；麦w上部為厚層、巨厚層狀灰?guī)r、白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r，下部為中厚層狀、薄層狀砂質(zhì)泥巖、頁巖[22]。

圖2 紅石巖右岸滑坡(2020年11月8日無人機傾斜攝影)

通過現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查和鉆探地質(zhì)資料分析，紅石巖滑坡出露F5逆斷層，產(chǎn)狀335°～355°/∠40°～50°，斷層帶寬50～100 cm，由碎裂巖及斷層泥組成，切穿奧陶系、泥盆系、二疊系地層。圖3為紅石巖滑坡平面圖，圖4為Ⅱ—Ⅱ′地質(zhì)剖面圖。

圖3 紅石巖滑坡平面圖

圖4 紅石巖滑坡Ⅱ—Ⅱ′剖面地質(zhì)圖

邊坡主要發(fā)育3組節(jié)理(圖3)：節(jié)理①產(chǎn)狀300°∠15°，為層面節(jié)理，緩傾下游偏右岸，多閉合，延伸長度大，局部為泥化夾層，間距0.8 m，在奧陶系薄層狀、中厚層砂質(zhì)泥巖中最為發(fā)育；節(jié)理②產(chǎn)狀180°∠80°，為順河向節(jié)理，受卸荷作用，在淺部多張開，節(jié)理面起伏、粗糙，延伸長度大，間距2 m；節(jié)理③產(chǎn)狀60°∠80°，為橫河向節(jié)理，多張開，地表為寬大的溶蝕裂隙，并充填有次生泥，間距0.6 m。對紅石巖右岸邊坡結(jié)構(gòu)面進(jìn)行上半球投影，繪制結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計圖，如圖5所示。

圖5 紅石巖滑坡結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計圖

3.2 巖體結(jié)構(gòu)控制滑坡破壞模式

紅石巖滑坡為反傾層狀邊坡，滑坡邊界東側(cè)穩(wěn)定區(qū)出露層狀巖體，如圖6所示。

圖6 滑坡層狀巖體分布

紅石巖滑坡破壞模式受3組優(yōu)勢節(jié)理面控制，層狀巖體上硬下軟，下部軟巖在上部巖體自重的作用下不斷壓縮變形，致使上部脆性巖體拉裂變形。反傾層狀巖質(zhì)邊坡比順傾邊坡更為穩(wěn)定，在強烈的地震作用下，相對滑坡破壞，反傾邊坡更易發(fā)生崩塌破壞。魯?shù)榈卣鹬?，紅石巖右岸邊坡上部巖體的層面節(jié)理、順河向節(jié)理和橫河向節(jié)理開裂或錯動，上部巖體沿順河向節(jié)理產(chǎn)生崩滑，并沿F5斷層和軟弱夾層向牛欄江下游方向滑動。綜合分析認(rèn)為，順河向節(jié)理和反傾的軟弱夾層對邊坡振動破壞的影響最大。因此，在計算模型中主要考慮順河向節(jié)理和反傾的軟弱夾層對邊坡破壞的影響。

3.3 滑坡演化機制分析

根據(jù)滑坡區(qū)工程地質(zhì)條件和失穩(wěn)模式分析，采用FLAC3D模擬地震作用下紅石巖右岸邊坡動力響應(yīng)和演化過程。結(jié)合紅石巖右岸邊坡失穩(wěn)前的地形數(shù)據(jù)，考慮不同的結(jié)構(gòu)面組合建立計算模型，如圖7所示。根據(jù)現(xiàn)場和室內(nèi)試驗成果，選取的計算參數(shù)列于表3，圖7(b)圖例中的編號與表3中的序號意義一致。地震荷載采用魯?shù)榈卣鹬旋堫^山鎮(zhèn)地震臺網(wǎng)記錄的南北、東西和上下3個方向前20 s的實際地震波，地震加速度時程曲線采用SeismoSignal軟件進(jìn)行濾波和基線校正，圖8為地震波加速度時程曲線。計算時，在模型北面、東面以及底面同時施加南北向地震波、東西向地震波以及上下向地震波。

圖7 紅石巖滑坡計算模型

表3 數(shù)值分析計算參數(shù)

圖8 地震波加速度時程曲線

圖9為地震作用下紅石巖邊坡位移矢量圖，沿F5斷層和軟弱夾層向下游滑動，斷層上盤完全崩滑，數(shù)值計算結(jié)果與滑坡實際演化過程一致。

圖9 紅石巖滑坡演化過程

在計算模型內(nèi)部1 030～1 730 m范圍內(nèi)，間隔100 m布設(shè)坡內(nèi)的監(jiān)測點，如圖10(a)所示，以此分析地震波輸入過程中不同高程的邊坡動力響應(yīng)。監(jiān)測點加速度變化曲線如圖10(b)所示，結(jié)果表明，邊坡的三向加速度均出現(xiàn)非線性的放大效應(yīng)，其中南北方向(Y向)加速度最大。由圖10(b)可知，邊坡的高程放大效應(yīng)受巖體結(jié)構(gòu)面控制。以南北方向加速度為例(Y方向加速度)：監(jiān)測點所在1 130～1 230 m范圍內(nèi)為F5斷層位置，南北向地震波穿透F5斷層，地震加速度在斷層附近增大；監(jiān)測點所在1 330～1 430 m為軟弱夾層位置，地震加速度在軟弱夾層附近出現(xiàn)明顯減弱；南北方向最大加速度在坡頂附近位置達(dá)到最大，為73.5 m/s2；南北向地震波輸入最大加速度值為7.28 m/s2，加速度放大系數(shù)可達(dá)10倍左右。

圖10 監(jiān)測點布置及其加速度變化曲線

地震作用下邊坡橫河向剖面和順河向剖面位置如圖11所示，圖12與圖13分別為橫河向和順河向剖面位移云圖。

圖11 橫河向剖面和順河向剖面位置

圖12 橫河向剖面位移云圖

圖13 順河向剖面位移云圖

由圖12可知：初始階段地震時程長5 s時，在軟弱夾層處產(chǎn)生較大位移；地震波輸入時程達(dá)10 s時，坡頂處受卸荷裂隙和下部軟弱夾層變形的影響，出現(xiàn)較大位移。由圖13可知：初始階段地震時程長5 s時,在坡面產(chǎn)生較大位移；隨著地震波輸入時長的增大，坡體受順河向節(jié)理和軟弱夾層切割，沿軟弱夾層向下游滑動。

3.4 滑坡穩(wěn)定性分析及防治

采用巖體結(jié)構(gòu)控制論對紅石巖邊坡的巖體結(jié)構(gòu)組合特征、邊坡失穩(wěn)模式進(jìn)行分析，并建立了地質(zhì)模型和計算模型。通過數(shù)值計算結(jié)果可知，雖然魯?shù)榈卣饍H為6.5級，但紅石巖邊坡內(nèi)部優(yōu)勢節(jié)理面發(fā)育且含有軟弱巖層，這導(dǎo)致紅石巖邊坡失穩(wěn)，出現(xiàn)較大范圍的崩滑。地震波輸入過程中，模型在坡頂和軟弱巖層位置處，有較大位移出現(xiàn)。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，在邊坡頂部多卸荷裂隙張開。在后期滑坡治理過程中，應(yīng)注意坡頂和軟弱巖層位置處的主動防護(hù)；應(yīng)清除坡頂松動巖體，并施加預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行錨固；邊坡中部泥質(zhì)軟弱巖層是引起邊坡崩滑的主要因素，需對該部位地層采取封閉、混凝土置換等處理措施。

4 存在的問題及未來研究展望

1)邊坡穩(wěn)定性問題是一個簡單的科學(xué)問題，但至今100多年來仍沒有得以完善地解決?，F(xiàn)場復(fù)雜的巖體結(jié)構(gòu)是邊坡穩(wěn)定性研究的難點。

2)自然界巖體真實的力學(xué)強度和變形規(guī)律有待進(jìn)一步研究探索，如何準(zhǔn)確描述結(jié)構(gòu)面的特征，僅僅靠測量節(jié)理粗糙度系數(shù)可能是不夠的。隨著模糊數(shù)學(xué)、分形理論、灰色理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等現(xiàn)代數(shù)學(xué)理論的引入，巖體力學(xué)參數(shù)的合理取值有所進(jìn)展，但脫離實際地質(zhì)工作的數(shù)學(xué)游戲是行不通的。

3)邊坡失穩(wěn)定時預(yù)報與地震預(yù)報一樣屬于世界性難題[23]，經(jīng)過40多年來的理論研究和實踐有了一定進(jìn)展，但與期待的準(zhǔn)確預(yù)報還有很大差距。

4)邊坡穩(wěn)定性分析中存在巖體非均質(zhì)各向異性和不確定性，邊坡賦存環(huán)境復(fù)雜，目前對地下水的影響研究較多，但對地應(yīng)力的影響研究較少。邊坡開挖引起的卸荷效應(yīng)以及高地應(yīng)力區(qū)的巖爆現(xiàn)象，都是地應(yīng)力對巖體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不可忽視的影響，值得進(jìn)一步關(guān)注。

5)邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析方法的應(yīng)用較為混亂，有限元法、有限差分法、離散元法等已成為巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析的常用手段。但是，在數(shù)值分析時，應(yīng)明確邊坡體的介質(zhì)類型(連續(xù)介質(zhì)、非連續(xù)介質(zhì))，并結(jié)合巖體結(jié)構(gòu)類型和結(jié)構(gòu)面組合特征選取合適的計算方法。

6)巖體結(jié)構(gòu)效應(yīng)對邊坡失穩(wěn)啟動和運動過程的影響機制是未來的研究方向，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步研究巖體結(jié)構(gòu)效應(yīng)與滑坡動力學(xué)關(guān)鍵參數(shù)、動力學(xué)機制和過程模型的相關(guān)關(guān)系[24]。

7)鎖固型滑坡的研究有助于進(jìn)一步探討滑面的特征和高速滑坡的機理[25]。強震區(qū)邊坡失穩(wěn)的地震動力響應(yīng)規(guī)律與破壞機理研究有利于地震災(zāi)區(qū)的防災(zāi)減災(zāi)[26]。