吉力此且

（1.四川開(kāi)放大學(xué)，四川 成都 610073；2.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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610059）

0 引言

隨著現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，我國(guó)水利水電工程建設(shè)得到了快速發(fā)展，水利工程是保障農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中水利灌溉和水力發(fā)電的重要形式之一。然而在川西地區(qū)建設(shè)的眾多水利工程建設(shè)中普遍存在高陡邊坡治理問(wèn)題，其治理效果直接決定工程施工及后期運(yùn)營(yíng)的安全與穩(wěn)定。鑒于此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者及工程技術(shù)人員對(duì)水利工程中的高陡邊坡變形破壞機(jī)理及影響因素開(kāi)展了研究，并提出了一些高陡邊坡治理與加固防護(hù)的措施。如國(guó)外學(xué)者Donjadee S， Tingsanchali T 等人提出：水利工程建設(shè)中，引起坡面卸荷變化的條件不同，所以坡面產(chǎn)生的荷載條件也不同，因此應(yīng)根據(jù)多邊坡坡面變化的荷載條件形成機(jī)理，采取相應(yīng)的工程防護(hù)措施。國(guó)內(nèi)學(xué)者張建清等（2015）、吳潔等（2016）、楊沛霖（2017）等人按照類比分析法對(duì)整個(gè)工程施工中的高陡邊坡穩(wěn)定性因素分析，構(gòu)建了相應(yīng)的力學(xué)模型，提出基于相應(yīng)穩(wěn)定性因素的分析結(jié)果的高陡邊坡治理及防護(hù)措施。以上國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要通過(guò)構(gòu)建力學(xué)模型進(jìn)行理論研究，其成果在地形地貌、水文及地質(zhì)極其復(fù)雜的川西地區(qū)水利工程高陡邊坡工程中的應(yīng)用難以保障施工及運(yùn)營(yíng)期間高陡邊坡的安全，以及滿足其穩(wěn)定性的要求。因此該文以綿陽(yáng)市平通河水利工程為例，通過(guò)理論研究與實(shí)踐驗(yàn)證相結(jié)合的方式，針對(duì)地形地貌、水文及地質(zhì)極其復(fù)雜的川西地區(qū)高陡邊坡建設(shè)工程對(duì)高陡邊坡變形破壞機(jī)理及影響因素進(jìn)行分析，以便提出科學(xué)合理的、可操作的防護(hù)及治理方案。

1 川西地區(qū)地形地貌及水文地質(zhì)

川西地區(qū)位于橫斷山脈東段，地勢(shì)處于青藏高原與四川盆地之間，第一臺(tái)階向第二臺(tái)階的過(guò)渡地帶。該地帶地形地貌變化明顯，有湍急河流，極高山峰，深切峽谷，低海拔冰川等；海拔高度僅次于青藏高原；高山與峽谷毗連，落差大；季節(jié)和晝夜溫差大，地質(zhì)環(huán)境典型，地表生態(tài)脆弱，從而使這一地區(qū)道路受泥石流沖擊路段較多、冰雪雨水侵蝕，路面損傷、塌方等時(shí)有發(fā)生。

該文研究對(duì)象綿陽(yáng)市平通河水利工程高陡邊坡治理工程所處位置地層主要為（2-9-3）中密卵石、（2-9-2）稍密卵石和（2-9-4）密實(shí)卵石中，實(shí)測(cè)地下穩(wěn)定水位埋深為7.50m～8.00m。該巖石性質(zhì)對(duì)整體工程施工影響不大，從互補(bǔ)優(yōu)化的角度來(lái)講，該巖石屬性屬于堅(jiān)固性屬性，主要成為長(zhǎng)久性石巖固體。

2 水利工程高陡邊坡破壞機(jī)理分析

2.1 卸荷條件下巖體演化機(jī)制

自然界的巖體主要承受三種力的作用，但邊坡工程巖體受力狀態(tài)有較大差異，在一定范圍之內(nèi)會(huì)導(dǎo)致巖體差異回彈變形，同時(shí)差異回彈變形是裂縫發(fā)育的部位及拉應(yīng)力的集中區(qū)。

通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)分析，考慮到單裂縫和雙裂縫的影響因素以及主要控制因素的裂縫寬度、雙層裂隙之間的距離、裂隙的總體長(zhǎng)度和傾角之間的組合。單裂隙巖體模型的卸荷擴(kuò)展方式主要為張拉貫通和拉剪貫通，初始卸荷階段裂隙的延展呈逐漸張拉破壞，到一定程度后破壞方式隨著傾角的變化而變化。一般陡傾角裂隙呈張拉破壞，中陡傾角裂隙呈剪切破壞。在裂縫和變形的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)單裂隙使傾斜的角度主要為30°、60°兩種，經(jīng)過(guò)反復(fù)的直剪試驗(yàn)，最終驗(yàn)證了拉剪力受力下裂隙沿著拉應(yīng)力的方向發(fā)展。雙裂隙拓展物理實(shí)驗(yàn)，能夠良好地展示出巖層被破壞的具體結(jié)構(gòu)和過(guò)程，卸荷下以拉剪破壞形式為主的巖層其受力以巖層拉剪力為主。據(jù)上述可知，剪切破壞一般在緩傾角和陡傾角組合模型中出現(xiàn)，而張拉破壞則一般在陡傾角模型中出現(xiàn)。

通過(guò)一系列的研究發(fā)現(xiàn)，裂隙發(fā)育空間有一定的規(guī)則，具體如下：1）裂縫發(fā)育方向受到了巖性的影響：柔軟的巖和堅(jiān)硬的巖密度和結(jié)構(gòu)有所差異，前者容易變形后者不易變形。軟巖一般通過(guò)釋放坡體應(yīng)變能來(lái)實(shí)現(xiàn)變形，硬巖則通過(guò)破裂形式實(shí)現(xiàn)變形。2）裂縫發(fā)育強(qiáng)度、速度與地形地勢(shì)的變化有關(guān)聯(lián)。3）裂縫深度受河谷“卸荷基準(zhǔn)線”的影響。

河谷快速侵蝕，會(huì)導(dǎo)致邊坡額承受力發(fā)生改變，并使坡體發(fā)生卸荷回彈，其主要受力的點(diǎn)出現(xiàn)在較脆弱之處。因卸荷產(chǎn)生的力不夠均勻，導(dǎo)致原本的結(jié)構(gòu)面發(fā)生拉長(zhǎng)，最終形成了張裂。上游河流的沖擊導(dǎo)致的小范圍地貌變化使山梁部位的卸荷發(fā)育較強(qiáng)，而底部發(fā)育則較弱。

2.2 破壞模式分析

當(dāng)?shù)氐貐^(qū)的地質(zhì)地貌較為復(fù)雜，同時(shí)地下運(yùn)動(dòng)頻繁，巖質(zhì)高陡邊坡出現(xiàn)破壞的情況多樣化。該研究收集了1980 年以來(lái)重大工程的建設(shè)數(shù)據(jù)，基于此，提出了一系列的高陡邊坡變形破壞的模型，主要有滑移—拉裂、滑移—壓力導(dǎo)致拉裂、滑移—彎曲、彎曲—拉裂等，如圖1～圖4 所示。

圖1 邊緣滑坡—拉裂失穩(wěn)模型

圖2 邊坡滑移—壓致拉裂夫失去穩(wěn)定模式

圖4 邊坡彎曲—拉裂失去穩(wěn)定圖

這種模式常常表現(xiàn)為巖體順著坡體結(jié)構(gòu)發(fā)生濡滑，后緣出現(xiàn)向著深部發(fā)展的拉裂。

這類失去穩(wěn)定性的模式通常主要發(fā)育在巖層中，表現(xiàn)為沿著巖體中柔弱的一側(cè)滑移，在滑移的一面因?yàn)閴毫^(guò)于集中而產(chǎn)生裂隙。

這種模式主要出現(xiàn)在層狀巖體，主要的表現(xiàn)為巖體有一定的彎曲，在彎曲的部位容易出現(xiàn)層間拉裂的問(wèn)題，且最終將會(huì)壓碎或者被破壞。

圖3 邊坡滑移—彎曲失穩(wěn)模式

這類失去穩(wěn)定的模式是較為常見(jiàn)的薄層狀巖體，層狀的懸臂梁發(fā)生了一定程度的彎曲并且伴有拉裂出現(xiàn)。隨著時(shí)間的推移，將會(huì)發(fā)生進(jìn)一步的變形，在一些彎度較大的地方不斷地出現(xiàn)拉裂，使垂直的層面向外傾斜。

2.3 水利工程高陡邊坡破壞機(jī)理數(shù)值模擬分析

數(shù)值模擬計(jì)算方法廣泛應(yīng)用于各類工程建設(shè)及研究中，該例中應(yīng)用有限元軟件對(duì)水利工程高陡邊坡破壞機(jī)理進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，應(yīng)用數(shù)值模擬軟件可以更立體地體現(xiàn)高陡邊坡破壞形成與發(fā)展的過(guò)程，對(duì)高陡邊坡工程施工起到重要的作用。該文采用有限元法對(duì)綿陽(yáng)市平通河水利工程的相關(guān)數(shù)值進(jìn)行了分析，采用有限元法軟件對(duì)整體工程高陡邊坡破壞機(jī)理進(jìn)行模擬，該軟件是一種較為綜合性的集成模擬軟件，主要包括結(jié)構(gòu)分析、熱分析、電磁分析、流體分析、聲學(xué)分析等一體化通用模擬分析，其主要對(duì)高陡邊坡破壞因素相關(guān)的彈塑性、流變性、黏塑性、大小形態(tài)變形等諸多問(wèn)題進(jìn)行求解。其特點(diǎn)如下：1）能完成多場(chǎng)與多場(chǎng)耦合性研究分析，通過(guò)多場(chǎng)與多場(chǎng)耦合性研究，可對(duì)不同場(chǎng)景下的高陡邊坡破壞情況及形成進(jìn)行對(duì)比；2）能完成非線性問(wèn)題研究，并對(duì)其巖石結(jié)構(gòu)的主體應(yīng)力及大小進(jìn)行結(jié)合應(yīng)用，對(duì)其邊坡變形及穩(wěn)定失衡的形成性、發(fā)育性進(jìn)行模擬；3）能夠?qū)ζ淝茐牟课坏冗M(jìn)行研究，同時(shí)該軟件還可以通過(guò)實(shí)質(zhì)性、立體性對(duì)其巖石層狀介質(zhì)所涉及的邊坡流變效應(yīng)、孔隙水壓、滲流效應(yīng)等進(jìn)行模擬分析。所以，有限元軟件基本分析思路主要是將一個(gè)整體差分成若干離散單元，并結(jié)合實(shí)際情況，針對(duì)不同的整體結(jié)構(gòu)及需求，運(yùn)用相應(yīng)方法求解計(jì)算。其主要單元包括桿件結(jié)構(gòu)單元、三角形結(jié)構(gòu)單元、四邊形結(jié)構(gòu)單元及六面體結(jié)構(gòu)單元等。

參數(shù)選擇必須結(jié)合實(shí)際工程真實(shí)情況及數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，不可單一片面地對(duì)其進(jìn)行大體估算。該研究根據(jù)《綿陽(yáng)市平通河水利工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》中的地勘數(shù)據(jù)報(bào)告結(jié)果，該力學(xué)參數(shù)是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查及數(shù)據(jù)分析及室內(nèi)試驗(yàn)檢測(cè)得到的，其巖土整體物理力學(xué)相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)建議值為表1。根據(jù)表1 進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體如下：1）該土體物質(zhì)結(jié)構(gòu)較為均勻，并存在相對(duì)的連續(xù)性，并屬于同性彈塑性結(jié)構(gòu)材料。2）對(duì)土體結(jié)構(gòu)與其下伏頁(yè)巖體二者銜接進(jìn)行假設(shè)提出，并且在變形協(xié)調(diào)中保持一致。3）對(duì)該工程邊坡長(zhǎng)度進(jìn)行相對(duì)假設(shè)，假設(shè)其邊坡長(zhǎng)度可以無(wú)限延展，并不會(huì)產(chǎn)生邊角效應(yīng)。4）對(duì)土體結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的液化現(xiàn)象不進(jìn)行過(guò)度考慮，在土體結(jié)構(gòu)諸多散顆粒結(jié)構(gòu)壓實(shí)方面只考慮其作用，而不考慮其影響，不過(guò)多考慮整體邊坡結(jié)構(gòu)的變形現(xiàn)象。

表1 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)綿陽(yáng)市平通河水利工程巖質(zhì)高邊坡工程實(shí)際現(xiàn)狀與具體需求，從多角度分析問(wèn)題，以ANSYS 建模的主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)為主，并結(jié)合FLAC 3D 后處理優(yōu)化性能，采用CAD 進(jìn)行二維模型建立并導(dǎo)入ANSYS 軟件中，對(duì)其工程實(shí)際模擬模型進(jìn)行拉伸處理。同時(shí)，建立整體結(jié)構(gòu)性三維模型，對(duì)其材料單元及結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行科學(xué)、合理的劃分，以ANSYS 軟件形成代碼流為主，將其導(dǎo)入FLAC3D 中進(jìn)行相對(duì)處理。最后，按照強(qiáng)度折減法判斷邊坡穩(wěn)定性，并關(guān)聯(lián)塑性區(qū)貫通為參考依據(jù)，對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行判別，同時(shí)可掌握巖質(zhì)高邊坡可能存在的弊端及不利因素，為下一步高陡邊坡的治理及防護(hù)加固提供依據(jù)，具體如下：通過(guò)模擬模型分析，平通河水利工程高陡邊坡破壞主要向其塑性區(qū)逐漸延伸，該延伸具有較強(qiáng)的貫通性，其狀態(tài)為完全塑流，并且無(wú)法保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

折減系數(shù)會(huì)持續(xù)遞增，其剪切塑性區(qū)主要沿至坡腳向坡頂及后緣出不斷伸展，使其拉伸塑性區(qū)整體面積不斷擴(kuò)大。平通河右岸主體巖質(zhì)結(jié)構(gòu)高邊坡上部形成為第四系全新性統(tǒng)坡殘積層形態(tài)，主要破壞形態(tài)為圓弧折線逐漸性隱藏滑動(dòng)狀態(tài)，該形態(tài)主要由底部光滑頁(yè)巖主體進(jìn)行控制，主體滑坡物質(zhì)前緣與淺層巖體結(jié)構(gòu)變形較為強(qiáng)烈。且下部主要為順層滑動(dòng)牽引塑流屬相、其上部主要為擠壓拉裂推進(jìn)模式時(shí)，該滑坡具有較深深層、較順層及復(fù)合機(jī)制等特征。

3 水利工程高陡邊坡破壞影響因素

3.1 穩(wěn)定性影響因素

影響高陡邊坡巖體穩(wěn)定性和不穩(wěn)定性模式的主要原因體現(xiàn)在以下4 個(gè)方面。

綿陽(yáng)市平通河水利工程左岸的巖石質(zhì)高邊坡巖層呈現(xiàn)310°～330°、8°～10°；砂質(zhì)巖邊坡巖體內(nèi)主要發(fā)育的結(jié)構(gòu)面是橫河向裂隙90°～150°、85°～88°。順層巖質(zhì)受到河流水流和裂隙切割的影響，使巖體長(zhǎng)此以往被分成了許多巖塊。

由于軟巖層的本身質(zhì)地柔軟，容易發(fā)生拉裂發(fā)生變形，并且其巖層的密度和強(qiáng)度受到了降水、環(huán)境等外界因素的影響，一旦層面出現(xiàn)裂隙，則不穩(wěn)定的因素發(fā)生概率極高，其在變形過(guò)程中的時(shí)間較長(zhǎng)，以塑性變形為標(biāo)志出現(xiàn)明顯的變化。

綿陽(yáng)市平通河水利工程的左岸高邊坡的實(shí)際高度為160m，自然坡度在38°～75°，因此如果開(kāi)挖140m 則極容易出現(xiàn)崩塌事故。

風(fēng)化節(jié)理通常廣泛地分布在邊坡較淺的位置，對(duì)邊坡的整體影響較小，其主要受到地形和地質(zhì)結(jié)構(gòu)的控制，在分布上常常以不連續(xù)的分布狀態(tài)展示，嚴(yán)重地影響了邊坡的穩(wěn)定。

地應(yīng)力逐漸釋放產(chǎn)生的構(gòu)造節(jié)理，通過(guò)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)不同邊坡的構(gòu)造節(jié)理發(fā)育差異性較大，因此構(gòu)造節(jié)理是影響穩(wěn)定性最主要的因素之一。構(gòu)造節(jié)理又可以進(jìn)一步細(xì)分為張節(jié)理和剪節(jié)理，通常情況下剪節(jié)理對(duì)邊坡的穩(wěn)定性有較大的影響，在失去穩(wěn)定時(shí)構(gòu)造結(jié)構(gòu)發(fā)揮了較大的價(jià)值。

地應(yīng)力是影響邊坡巖體節(jié)理裂隙的形成和巖體變形的主要原因之一。結(jié)構(gòu)面在邊坡中有重要意義，結(jié)構(gòu)面的四周會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力的足夠集中后者受到阻礙的情況，當(dāng)應(yīng)力集中的強(qiáng)度超過(guò)了巖體的最高承受極限時(shí)，邊坡的巖體開(kāi)始變形直至損壞。

3.2 穩(wěn)定性驗(yàn)算

根據(jù)本例高陡邊坡設(shè)計(jì)的相關(guān)要求，抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算應(yīng)當(dāng)使用極限平衡方法才能符合發(fā)展的需要，針對(duì)高陡邊坡巖質(zhì)高的特點(diǎn)可用強(qiáng)度指標(biāo)折減法來(lái)提高邊坡的穩(wěn)定性驗(yàn)算，保障施工安全；對(duì)土質(zhì)邊坡和易碎結(jié)構(gòu)的邊坡，采用陳祖煜法[進(jìn)行了穩(wěn)定性驗(yàn)算，當(dāng)滑動(dòng)的軌跡是非圓弧時(shí)，采用不平衡推力的方法進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算；對(duì)層狀結(jié)構(gòu)的巖質(zhì)邊坡最好使用不平衡推力法進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算；針對(duì)2 組及以上的邊坡可使用楔體法進(jìn)行穩(wěn)定驗(yàn)算。

結(jié)合工程實(shí)際，運(yùn)用陳祖煜法進(jìn)行該高陡邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算模式及計(jì)算方法，按照楔體法進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。

圖5 土坡坡面滑裂面示意圖

根據(jù)圖6，應(yīng)用莫爾—庫(kù)倫條件，可得到公式（1）和公式（2）。

圖6 土條作用力和坐標(biāo)示意圖

微分方程式（1）（2）的邊界條件是如下。

式中：、為滑體左、右端點(diǎn)的坐標(biāo)； φ′為條塊滑面內(nèi)摩擦角。

式（1）是一個(gè)一階非線性常微分方程，令=，并使用邊界條件，應(yīng)用分部積分法，得到其積分式如下。

其中：

式（2）的積分形式：

式中： h為水平地震力作用點(diǎn)與土條底距離，為水平地震作用系數(shù)。

3.3 穩(wěn)定性評(píng)估

本例邊坡穩(wěn)定性評(píng)估對(duì)左岸高坡的破邊進(jìn)行了系統(tǒng)分析，分別評(píng)價(jià)了邊坡的種類、性質(zhì)、規(guī)模、地形地勢(shì)、巖土的特性、可能失去穩(wěn)定及剪口的方位。

沿著劃分的土條兩側(cè)垂直面上的剪應(yīng)力不超過(guò)在這個(gè)面上所能發(fā)揮的抗剪能力。

式中： F為沿著土條垂直面的安全系數(shù)；為作用在土條垂直的法向有效壓力；為作用在土條垂直面的剪力； tan φ′為土條垂直面的有效平均摩擦系數(shù)；c ′為土條垂直面的有效黏聚力；tan φ′為tan φ′ 被值除后的值；c ′為 c′被值除后的值；為滑裂面的縱坐標(biāo)值；為土坡表面的縱坐標(biāo)值。

為保證在土條接角面上不產(chǎn)生拉力，作用在土條上的有效力的合力作用點(diǎn)不應(yīng)落在土條垂直面的外面，如圖7 所示。

圖7 側(cè)向力函數(shù)假定

式中：y為作用在土條垂直面上的有效法向力的作用點(diǎn)的縱坐標(biāo)值。

對(duì)式（2）積分可獲得式（11）須知y的計(jì)算公式

邊坡的位置大致在890m 以上、長(zhǎng)約200m、寬約85m，上下游的高度較高，最高位置達(dá)到了30m。堆積物主要是由巖石的碎塊構(gòu)成，碎塊的含量高于85%，且多受到風(fēng)化的侵蝕。頂部覆蓋層上附著了2cm 左右的黏土，在進(jìn)行工作前的原始地貌為緩坡水田，在其底部存在大量的泥土，層面上出現(xiàn)多處擦痕。

影響堆積體穩(wěn)定的主要影響因素是降雨產(chǎn)生的地下水，從邊坡的地質(zhì)和地下水的匯集情況綜合分析出總體的工況較為穩(wěn)定，局部也沒(méi)有太大的問(wèn)題；暴雨工況下也大體上穩(wěn)定但是局部存在一定的隱患。淺表局面的部分地形會(huì)出現(xiàn)變形或者小范圍的體積踏滑。

完成邊坡防護(hù)治理后高陡邊坡的穩(wěn)定屬于碎石穩(wěn)定的問(wèn)題，其可能在前緣地區(qū)沿著滑動(dòng)的面進(jìn)行滑動(dòng)從而產(chǎn)生破壞。在下游地區(qū)容易朝沖溝方向偏移，剪口的位置在邊坡下方高度890m 處附近。

4 結(jié)語(yǔ)

川西地區(qū)高陡邊坡巖體受力狀態(tài)差異較大導(dǎo)致巖體差異回彈變形，而卸荷回彈變形產(chǎn)生的裂縫主要為單裂隙和雙裂隙，其中單裂隙巖體模型的卸荷擴(kuò)展方式主要為張拉貫通和拉剪貫通，初始卸荷階段裂隙的延展呈逐漸張拉破壞，到一定程度后破壞方式隨著傾角的變化而變化；雙裂隙能夠良好地展示出巖層被破壞的具體結(jié)構(gòu)和過(guò)程，卸荷下以拉剪破壞形式為主的巖層其受力以巖層拉剪力為主。綜上所述，高陡邊坡剪切破壞一般在緩傾角和陡傾角組合模型中出現(xiàn)，而張拉破壞則一般在陡傾角模型中出現(xiàn)，其破壞模型主要為滑移—拉裂、滑移—壓力導(dǎo)致拉裂、滑移—彎曲、彎曲—拉裂等。

川西地區(qū)高陡邊坡穩(wěn)定性影響因素主要有結(jié)構(gòu)面性狀組合、地形地貌、地質(zhì)的結(jié)構(gòu)巖層的特性和柔韌性、地應(yīng)力、地質(zhì)構(gòu)造、風(fēng)化及水流的沖刷、高邊坡變形失去穩(wěn)等多種影響因素共同導(dǎo)致的。