川西地区高陡边坡变形机理及影响因素研究

吉力此且

（1.四川开放大学，四川 成都 610073；2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都610059）

0 引言

随着现代化经济飞速发展，我国水利水电工程建设得到了快速发展，水利工程是保障农业经济发展中水利灌溉和水力发电的重要形式之一。然而在川西地区建设的众多水利工程建设中普遍存在高陡边坡治理问题，其治理效果直接决定工程施工及后期运营的安全与稳定。鉴于此，国内外学者及工程技术人员对水利工程中的高陡边坡变形破坏机理及影响因素开展了研究，并提出了一些高陡边坡治理与加固防护的措施。如国外学者Donjadee S， Tingsanchali T 等人提出：水利工程建设中，引起坡面卸荷变化的条件不同，所以坡面产生的荷载条件也不同，因此应根据多边坡坡面变化的荷载条件形成机理，采取相应的工程防护措施。国内学者张建清等（2015）、吴洁等（2016）、杨沛霖（2017）等人按照类比分析法对整个工程施工中的高陡边坡稳定性因素分析，构建了相应的力学模型，提出基于相应稳定性因素的分析结果的高陡边坡治理及防护措施。以上国内外学者主要通过构建力学模型进行理论研究，其成果在地形地貌、水文及地质极其复杂的川西地区水利工程高陡边坡工程中的应用难以保障施工及运营期间高陡边坡的安全，以及满足其稳定性的要求。因此该文以绵阳市平通河水利工程为例，通过理论研究与实践验证相结合的方式，针对地形地貌、水文及地质极其复杂的川西地区高陡边坡建设工程对高陡边坡变形破坏机理及影响因素进行分析，以便提出科学合理的、可操作的防护及治理方案。

1 川西地区地形地貌及水文地质

川西地区位于横断山脉东段，地势处于青藏高原与四川盆地之间，第一台阶向第二台阶的过渡地带。该地带地形地貌变化明显，有湍急河流，极高山峰，深切峡谷，低海拔冰川等；海拔高度仅次于青藏高原；高山与峡谷毗连，落差大；季节和昼夜温差大，地质环境典型，地表生态脆弱，从而使这一地区道路受泥石流冲击路段较多、冰雪雨水侵蚀，路面损伤、塌方等时有发生。

该文研究对象绵阳市平通河水利工程高陡边坡治理工程所处位置地层主要为（2-9-3）中密卵石、（2-9-2）稍密卵石和（2-9-4）密实卵石中，实测地下稳定水位埋深为7.50m～8.00m。该岩石性质对整体工程施工影响不大，从互补优化的角度来讲，该岩石属性属于坚固性属性，主要成为长久性石岩固体。

2 水利工程高陡边坡破坏机理分析

2.1 卸荷条件下岩体演化机制

自然界的岩体主要承受三种力的作用，但边坡工程岩体受力状态有较大差异，在一定范围之内会导致岩体差异回弹变形，同时差异回弹变形是裂缝发育的部位及拉应力的集中区。

通过物理实验分析，考虑到单裂缝和双裂缝的影响因素以及主要控制因素的裂缝宽度、双层裂隙之间的距离、裂隙的总体长度和倾角之间的组合。单裂隙岩体模型的卸荷扩展方式主要为张拉贯通和拉剪贯通，初始卸荷阶段裂隙的延展呈逐渐张拉破坏，到一定程度后破坏方式随着倾角的变化而变化。一般陡倾角裂隙呈张拉破坏，中陡倾角裂隙呈剪切破坏。在裂缝和变形的基础上设计单裂隙使倾斜的角度主要为30°、60°两种，经过反复的直剪试验，最终验证了拉剪力受力下裂隙沿着拉应力的方向发展。双裂隙拓展物理实验，能够良好地展示出岩层被破坏的具体结构和过程，卸荷下以拉剪破坏形式为主的岩层其受力以岩层拉剪力为主。据上述可知，剪切破坏一般在缓倾角和陡倾角组合模型中出现，而张拉破坏则一般在陡倾角模型中出现。

通过一系列的研究发现，裂隙发育空间有一定的规则，具体如下：1）裂缝发育方向受到了岩性的影响：柔软的岩和坚硬的岩密度和结构有所差异，前者容易变形后者不易变形。软岩一般通过释放坡体应变能来实现变形，硬岩则通过破裂形式实现变形。2）裂缝发育强度、速度与地形地势的变化有关联。3）裂缝深度受河谷“卸荷基准线”的影响。

河谷快速侵蚀，会导致边坡额承受力发生改变，并使坡体发生卸荷回弹，其主要受力的点出现在较脆弱之处。因卸荷产生的力不够均匀，导致原本的结构面发生拉长，最终形成了张裂。上游河流的冲击导致的小范围地貌变化使山梁部位的卸荷发育较强，而底部发育则较弱。

2.2 破坏模式分析

当地地区的地质地貌较为复杂，同时地下运动频繁，岩质高陡边坡出现破坏的情况多样化。该研究收集了1980 年以来重大工程的建设数据，基于此，提出了一系列的高陡边坡变形破坏的模型，主要有滑移—拉裂、滑移—压力导致拉裂、滑移—弯曲、弯曲—拉裂等，如图1～图4 所示。

图1 边缘滑坡—拉裂失稳模型

图2 边坡滑移—压致拉裂夫失去稳定模式

图4 边坡弯曲—拉裂失去稳定图

这种模式常常表现为岩体顺着坡体结构发生濡滑，后缘出现向着深部发展的拉裂。

这类失去稳定性的模式通常主要发育在岩层中，表现为沿着岩体中柔弱的一侧滑移，在滑移的一面因为压力过于集中而产生裂隙。

这种模式主要出现在层状岩体，主要的表现为岩体有一定的弯曲，在弯曲的部位容易出现层间拉裂的问题，且最终将会压碎或者被破坏。

图3 边坡滑移—弯曲失稳模式

这类失去稳定的模式是较为常见的薄层状岩体，层状的悬臂梁发生了一定程度的弯曲并且伴有拉裂出现。随着时间的推移，将会发生进一步的变形，在一些弯度较大的地方不断地出现拉裂，使垂直的层面向外倾斜。

2.3 水利工程高陡边坡破坏机理数值模拟分析

数值模拟计算方法广泛应用于各类工程建设及研究中，该例中应用有限元软件对水利工程高陡边坡破坏机理进行了数值模拟计算，应用数值模拟软件可以更立体地体现高陡边坡破坏形成与发展的过程，对高陡边坡工程施工起到重要的作用。该文采用有限元法对绵阳市平通河水利工程的相关数值进行了分析，采用有限元法软件对整体工程高陡边坡破坏机理进行模拟，该软件是一种较为综合性的集成模拟软件，主要包括结构分析、热分析、电磁分析、流体分析、声学分析等一体化通用模拟分析，其主要对高陡边坡破坏因素相关的弹塑性、流变性、黏塑性、大小形态变形等诸多问题进行求解。其特点如下：1）能完成多场与多场耦合性研究分析，通过多场与多场耦合性研究，可对不同场景下的高陡边坡破坏情况及形成进行对比；2）能完成非线性问题研究，并对其岩石结构的主体应力及大小进行结合应用，对其边坡变形及稳定失衡的形成性、发育性进行模拟；3）能够对其屈服破坏部位等进行研究，同时该软件还可以通过实质性、立体性对其岩石层状介质所涉及的边坡流变效应、孔隙水压、渗流效应等进行模拟分析。所以，有限元软件基本分析思路主要是将一个整体差分成若干离散单元，并结合实际情况，针对不同的整体结构及需求，运用相应方法求解计算。其主要单元包括杆件结构单元、三角形结构单元、四边形结构单元及六面体结构单元等。

参数选择必须结合实际工程真实情况及数据基础，不可单一片面地对其进行大体估算。该研究根据《绵阳市平通河水利工程初步设计报告》中的地勘数据报告结果，该力学参数是通过现场勘查及数据分析及室内试验检测得到的，其岩土整体物理力学相关参数设计建议值为表1。根据表1 进行设计，具体如下：1）该土体物质结构较为均匀，并存在相对的连续性，并属于同性弹塑性结构材料。2）对土体结构与其下伏页岩体二者衔接进行假设提出，并且在变形协调中保持一致。3）对该工程边坡长度进行相对假设，假设其边坡长度可以无限延展，并不会产生边角效应。4）对土体结构所产生的液化现象不进行过度考虑，在土体结构诸多散颗粒结构压实方面只考虑其作用，而不考虑其影响，不过多考虑整体边坡结构的变形现象。

表1 计算参数

根据绵阳市平通河水利工程岩质高边坡工程实际现状与具体需求，从多角度分析问题，以ANSYS 建模的主导优势为主，并结合FLAC 3D 后处理优化性能，采用CAD 进行二维模型建立并导入ANSYS 软件中，对其工程实际模拟模型进行拉伸处理。同时，建立整体结构性三维模型，对其材料单元及结构网格进行科学、合理的划分，以ANSYS 软件形成代码流为主，将其导入FLAC3D 中进行相对处理。最后，按照强度折减法判断边坡稳定性，并关联塑性区贯通为参考依据，对边坡稳定性进行判别，同时可掌握岩质高边坡可能存在的弊端及不利因素，为下一步高陡边坡的治理及防护加固提供依据，具体如下：通过模拟模型分析，平通河水利工程高陡边坡破坏主要向其塑性区逐渐延伸，该延伸具有较强的贯通性，其状态为完全塑流，并且无法保持相对稳定的状态。

折减系数会持续递增，其剪切塑性区主要沿至坡脚向坡顶及后缘出不断伸展，使其拉伸塑性区整体面积不断扩大。平通河右岸主体岩质结构高边坡上部形成为第四系全新性统坡残积层形态，主要破坏形态为圆弧折线逐渐性隐藏滑动状态，该形态主要由底部光滑页岩主体进行控制，主体滑坡物质前缘与浅层岩体结构变形较为强烈。且下部主要为顺层滑动牵引塑流属相、其上部主要为挤压拉裂推进模式时，该滑坡具有较深深层、较顺层及复合机制等特征。

3 水利工程高陡边坡破坏影响因素

3.1 稳定性影响因素

影响高陡边坡岩体稳定性和不稳定性模式的主要原因体现在以下4 个方面。

绵阳市平通河水利工程左岸的岩石质高边坡岩层呈现310°～330°、8°～10°；砂质岩边坡岩体内主要发育的结构面是横河向裂隙90°～150°、85°～88°。顺层岩质受到河流水流和裂隙切割的影响，使岩体长此以往被分成了许多岩块。

由于软岩层的本身质地柔软，容易发生拉裂发生变形，并且其岩层的密度和强度受到了降水、环境等外界因素的影响，一旦层面出现裂隙，则不稳定的因素发生概率极高，其在变形过程中的时间较长，以塑性变形为标志出现明显的变化。

绵阳市平通河水利工程的左岸高边坡的实际高度为160m，自然坡度在38°～75°，因此如果开挖140m 则极容易出现崩塌事故。

风化节理通常广泛地分布在边坡较浅的位置，对边坡的整体影响较小，其主要受到地形和地质结构的控制，在分布上常常以不连续的分布状态展示，严重地影响了边坡的稳定。

地应力逐渐释放产生的构造节理，通过调查研究发现不同边坡的构造节理发育差异性较大，因此构造节理是影响稳定性最主要的因素之一。构造节理又可以进一步细分为张节理和剪节理，通常情况下剪节理对边坡的稳定性有较大的影响，在失去稳定时构造结构发挥了较大的价值。

地应力是影响边坡岩体节理裂隙的形成和岩体变形的主要原因之一。结构面在边坡中有重要意义，结构面的四周会出现应力的足够集中后者受到阻碍的情况，当应力集中的强度超过了岩体的最高承受极限时，边坡的岩体开始变形直至损坏。

3.2 稳定性验算

根据本例高陡边坡设计的相关要求，抗滑稳定验算应当使用极限平衡方法才能符合发展的需要，针对高陡边坡岩质高的特点可用强度指标折减法来提高边坡的稳定性验算，保障施工安全；对土质边坡和易碎结构的边坡，采用陈祖煜法[进行了稳定性验算，当滑动的轨迹是非圆弧时，采用不平衡推力的方法进行稳定性验算；对层状结构的岩质边坡最好使用不平衡推力法进行稳定性验算；针对2 组及以上的边坡可使用楔体法进行稳定验算。

结合工程实际，运用陈祖煜法进行该高陡边坡稳定性验算模式及计算方法，按照楔体法进行稳定性验算。

图5 土坡坡面滑裂面示意图

根据图6，应用莫尔—库伦条件，可得到公式（1）和公式（2）。

图6 土条作用力和坐标示意图

微分方程式（1）（2）的边界条件是如下。

式中：、为滑体左、右端点的坐标； φ′为条块滑面内摩擦角。

式（1）是一个一阶非线性常微分方程，令=，并使用边界条件，应用分部积分法，得到其积分式如下。

其中：

式（2）的积分形式：

式中： h为水平地震力作用点与土条底距离，为水平地震作用系数。

3.3 稳定性评估

本例边坡稳定性评估对左岸高坡的破边进行了系统分析，分别评价了边坡的种类、性质、规模、地形地势、岩土的特性、可能失去稳定及剪口的方位。

沿着划分的土条两侧垂直面上的剪应力不超过在这个面上所能发挥的抗剪能力。

式中： F为沿着土条垂直面的安全系数；为作用在土条垂直的法向有效压力；为作用在土条垂直面的剪力； tan φ′为土条垂直面的有效平均摩擦系数；c ′为土条垂直面的有效黏聚力；tan φ′为tan φ′ 被值除后的值；c ′为 c′被值除后的值；为滑裂面的纵坐标值；为土坡表面的纵坐标值。

为保证在土条接角面上不产生拉力，作用在土条上的有效力的合力作用点不应落在土条垂直面的外面，如图7 所示。

图7 侧向力函数假定

式中：y为作用在土条垂直面上的有效法向力的作用点的纵坐标值。

对式（2）积分可获得式（11）须知y的计算公式

边坡的位置大致在890m 以上、长约200m、宽约85m，上下游的高度较高，最高位置达到了30m。堆积物主要是由岩石的碎块构成，碎块的含量高于85%，且多受到风化的侵蚀。顶部覆盖层上附着了2cm 左右的黏土，在进行工作前的原始地貌为缓坡水田，在其底部存在大量的泥土，层面上出现多处擦痕。

影响堆积体稳定的主要影响因素是降雨产生的地下水，从边坡的地质和地下水的汇集情况综合分析出总体的工况较为稳定，局部也没有太大的问题；暴雨工况下也大体上稳定但是局部存在一定的隐患。浅表局面的部分地形会出现变形或者小范围的体积踏滑。

完成边坡防护治理后高陡边坡的稳定属于碎石稳定的问题，其可能在前缘地区沿着滑动的面进行滑动从而产生破坏。在下游地区容易朝冲沟方向偏移，剪口的位置在边坡下方高度890m 处附近。

4 结语

川西地区高陡边坡岩体受力状态差异较大导致岩体差异回弹变形，而卸荷回弹变形产生的裂缝主要为单裂隙和双裂隙，其中单裂隙岩体模型的卸荷扩展方式主要为张拉贯通和拉剪贯通，初始卸荷阶段裂隙的延展呈逐渐张拉破坏，到一定程度后破坏方式随着倾角的变化而变化；双裂隙能够良好地展示出岩层被破坏的具体结构和过程，卸荷下以拉剪破坏形式为主的岩层其受力以岩层拉剪力为主。综上所述，高陡边坡剪切破坏一般在缓倾角和陡倾角组合模型中出现，而张拉破坏则一般在陡倾角模型中出现，其破坏模型主要为滑移—拉裂、滑移—压力导致拉裂、滑移—弯曲、弯曲—拉裂等。

川西地区高陡边坡稳定性影响因素主要有结构面性状组合、地形地貌、地质的结构岩层的特性和柔韧性、地应力、地质构造、风化及水流的冲刷、高边坡变形失去稳等多种影响因素共同导致的。