高陡顺层边坡开挖动态响应及预警研究

陆高明　王哲鑫　刘伯全　王永明　任金明　胡小禹　周勇

摘要：为揭露大型高陡顺层边坡开挖变形规律、提出实际施工动态响应方法，以杨房沟水电站石料场边坡动态设计为例，利用3DEC计算程序，结合边坡开挖变形监测手段，对边坡变形安全稳定性进行了数值模拟动态分析。结果表明：边坡在3個阶段的开挖支护变形范围模拟值为10～25 mm，与监测结果相近。根据边坡开挖监测数据及数值分析成果，建立了边坡安全预警响应机制。研究成果可为大型顺层边坡开挖支护设计及施工提供参考。

关键词：高陡边坡； 顺层节理； 动态分析； 杨房沟水电站

中图法分类号：TV221 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.04.012

文章编号：1006-0081（2024）04-0073-05

0 引 言

在大型岩质边坡开挖施工区域内，若出现顺层节理为优势节理的地质条件，其与组合偶发断层组合形成的大型块体会严重影响工程的安全建设和运营。Huang等［1］统计了中国近100个滑坡发现，顺层边坡滑坡占比为42%，反倾边坡滑坡占比为33%，说明工程实践中遇到的大多数为顺层边坡。目前，对于顺层边坡的失稳理论和机制研究已较为成熟［2-4］，包括用梁板弯曲理论、压杆稳定理论分析溃屈失稳机制，用黏弹性理论分析直立边坡稳定等；也不乏对开挖体型、风化情况等因素与顺层边坡稳定关系的研究［5-9］，提出了多个敏感性因素。对于顺层边坡的特点，不少学者进行相关研究，如开展地震波对顺层边坡破坏性的分析［10-11］。然而，各个工程在开挖边坡时均存在自身的特殊性，有各不相同的特点［12-14］，导致不同工程难以采用可靠的单一理论来指导实际开挖支护。

杨房沟水电站石料场总体开挖高度为257 m，由于其顺层陡倾角发育，分析其安全稳定性至关重要。本文结合杨房沟水电工程顺层边坡开挖实践，利用非连续数值计算及强度折减法，分析了边坡动态开挖支护过程的整体稳定性，结合开挖区内断层与优势顺层节理形成的大型块体，提出了工程边坡实际变形预警响应机制，为工程开挖稳定提供了有效安全保障。

1 分析方法

过去的多年研究中，非连续介质力学方法（离散元、DDA等）发展迅速，并随着计算机技术的发展，在岩石工程分析中的应用越来越普遍。其中，离散元3DEC程序具有分析复杂岩体结构三维效应和各向异性方面的优势［15］，其采用可测量的岩块和结构面参数，较真实地模拟复杂节理裂隙网络（DFN），同时可获得工程边坡可能存在的破坏面和稳定安全系数，以指导工程实践。强度折减法虽在一定程度有待商榷，但实践表明，其处理方式简单有效，可以有效揭示工程中的实际问题。

本文采用离散元计算方法和强度折减法进行分析［16-18］，通过对岩体和结构面强度参数进行折减，计算随边坡变形增加至出现失稳征兆的临界状态，并根据临界状态的变形场分布或变形速率分布情况，判断边坡潜在失稳模式，以达到评价边坡稳定性的目的。

2 数值模型及基本条件

杨房沟水电站石料场位于坝址上游左岸，距坝址约1.5 km，自然边坡总体走向约N10°～15°E，坡度40°～50°。坡面起伏相对较小，岸坡较顺直，沿江长约600 m。顺坡小断层、节理发育，料场发育Ⅲ级结构面13条，开挖边坡断层走向以NNW、NNE、NE向为主，其中NNW、NNE向以中、缓倾角为主，NE向以顺层陡倾角为主。断层宽度一般0.5～4.0 cm，一般延伸长度10～40 m，长的可达70 m以上。

2.1 模型建立

杨房沟水电站料场边坡开挖数值计算模拟的数值计算模型范围：600 m×800 m×600 m（x×y×z），模型底部高程为1 900 m。模型的坐标系y轴为N-S向，坐标系x轴为E-W向，z轴为铅直向。根据边坡由上至下分期梯段开挖方案，确定了计算模型分序开挖分析方案，对应于数值模拟开挖分析中的各典型开挖步，每开挖步的开挖高差为20 m。

根据地质资料和已开挖揭露的地质情况（表1～2），模型中主要考虑Ⅳ级及以上结构面和部分优势节理等，以反映该部位后续开挖卸荷变形特征以及在不同工程荷载下的潜在失稳破坏特点，岩体结构特征见图1。采用Cable（锚杆）单元对主要支护系统加以模拟。

2.2 物理力学参数

岩体本构模型采用摩尔-库伦弹塑性本构模型。该准则是传统Mohr-Coulomb剪切屈服准则与拉伸屈服准则相结合的复合屈服准则。岩土工程数值分析中，对于不连续结构面的模拟基本采用软弱夹层（实体单元）和接触分析（无厚度单元）两种分析方法。两种方法各有优缺点，且存在“变形等效”的基本性质，因此对变形计算结果的影响不大。其中将结构面中考虑为无厚度节理单元方法反映的变形特征和破坏形态更为直观，能够较好地描述结构面的张开、压缩、剪切滑移等基本现象。本文选用接触面模型模拟结构面，以摩尔-库仑剪切强度准则为破坏准则。

3 计算结果与分析

3.1 第一阶段开挖响应分析

此梯段（2 330～2 250 m）边坡开挖对整个开挖变形影响较小，边坡变形增长主要发生在开挖部位，以向临空面的卸荷回弹变形为主，未有规模偏大的确定性块体揭露，开挖面的累计变形3～5 mm，最大变形8 mm。从图2可以看出，随着高程2 250～2 270 m的开挖，揭露了一系列的顺坡，如中倾角结构面（fj211、fj212、fj14等）后，边坡变形表现出一定非连续变形特征。

边坡受断层fj1影响明显，当强度折减系数为1.6时，可与该阶段揭露的断层fj212、fj211、fj24组合表现出明显的潜在块体变形特征。综合判断此开挖阶段边坡整体安全系数在1.5以上。本阶段属于开挖初期，未揭示大量控制性块体，边坡处于安全稳定状态，但开挖期间已取得大量监测数据，对计算模型的修正起到了关键作用。

3.2 第二阶段开挖响应分析

此阶段（2 250～ 2 210 m）开挖对整个边坡影响较上一阶段稍大，边坡变形增长主要发生在中下部，仍以卸荷回弹变形为主，累计变形5～12 mm。其中，受中倾角顺坡结构面（fj211、fj212、fj14、fj69、fj8等）逐步受开挖面揭露的影响，局部开挖卸荷变形增长较为明显，表现出一定的非连续变形特征，最大变形约18 mm，详见图3。

从边坡强度折减后的变形特征来看，边坡受长大断层fj1的影响最明显。在顺坡结构面诸如fj211、fj212、fj14、fj69、fj8等影响下，边坡易组合形成规模较大的不稳定块体，对fj1上盘岩体的稳定性较为不利。综合判断此阶段边坡整体安全系数在1.4以上。

3.3 第三阶段开挖响应分析

第3阶段（2 210～2 095 m）的开挖高度累计超过100 m，对整个石料场边坡下游侧的影响较大。此阶段边坡变形增长主要发生在中下部，以卸荷回弹变形为主，开挖累计变形量约10～20 mm，局部存在结构面控制的非连续变形问题。由于此阶段开挖均位于坡体靠右侧，开挖体与断层fj1存在较明确的空间相对关系，在开挖过程中，fj1上盘岩体会持续出现向右侧方向的侧向卸荷变形，若后续与结构面fj69、fj64、fj24、fj23等形成一定规模的不利组合，该部位的开挖变形问题可能会较明显，这需要在后续开挖阶段持续关注。fj1上盘岩体开挖变形普遍增长约5～12 mm，累计变形量约12～25 mm，详见图4。

石料场工程边坡累计开挖高度超过300 m，为典型高陡岩质边坡，在整个边坡开挖过程中，现场揭示顺坡向不利结构面发育，加之受长大断层fj1等影响，先后形成了多个较大规模的潜在不稳定组合块体。

通过深入开展动态开挖支护设计工作，合理调整和优化开挖体型及施工方案，对各潜在不利块体采取了针对性支护措施，有效确保了施工安全和边坡稳定。结合部分揭示的地质条件，综合判断该边坡在开挖支护完成后的整体安全系数在1.30以上。

4 安全预警制定

边坡失稳是变形不断积累的结果，可以利用变形量大小和变化趋势判断边坡的稳定性。由于边坡自身条件和潜在破坏方式的差异，现实中往往缺乏统一的变形判断标准。就本工程边坡而言，利用位移确定边坡稳定性时需考虑两个方面的因素：数值大小和變化趋势。其中，数值大小多指某个因素作用下（如假设岩体强度弱化、开挖等）的变形增量。变形增量与边坡稳定性之间往往不存在确定性关系，因此，这一参数只能作为一个方面的参考。如果增量比较显著、或者在相似条件下增量变化较大时，对边坡稳定性的指示意义更强。在本次分析中，通过多次试算对比，把20 mm以上的变形增量、增速增大作为潜在不稳定的判断依据之一，对本工程边坡稳定性评价具有一定的适用性。若监测累计位移达到显著量级水平、强度进一步折减时变形出现加速变化，则认为此时边坡已经开始出现破坏迹象，边坡处于“稳定”向“失稳”过渡的临界状态；否则，可以认为边坡仍然可以保持相对稳定。

根据本工程边坡开挖现场监测布置情况和现有监测数据，结合同类工程经验和数值反馈分析成果，提出了边坡后续开挖的变形预警监控指标，为边坡下一阶段开挖过程中监测数据的预警提供了变形增量和变形速率方面的参考指标，可以为边坡后续开挖变形响应和稳定性评价提供及时有效的预警作用，如表3～4所示。为方便工程现场人员快速辨识和可量化操作，变形监控指标的拟定主要对应于典型工程监测部位（图5）。

5 结 论

（1） 本文对杨房沟水电站工程边坡开展开挖动态响应分析，考虑了位移数值大小和变化趋势两个因素，结合实际监测数据，提出了相应预警方法。研究结果表明：变形数值增量速率较显著、或在相似条件下增量变化较大时，对确定边坡稳定性的指导意义较大。

（2） 边坡稳定性一般通过变形监测指标判断。获得现场变形监测数据后，建立安全预警机制通常有两种基本方法。一种是直接根据变形监测资料如变形发展趋势、变形速率、绝对变形量等进行分析。这一方法的优点是直接利用了监测数据，在分析工作深度和质量能得到保障的条件下，具有较高可靠度，其不足是预警性建立在实践基础上，对于早期问题判断和条件变化以后问题的把握相对困难。本文采用另一预警方法，利用获得的监测资料和详细地质资料，借助数值模拟手段进行大量的因素分析，建立边坡变形的预测系统，对比监测资料不断进行修正，在获得可靠预测结果基础上，再建立预警判据和准则，这样的判据和准则具有高度实用性。

（3） 本文利用大量计算和监测数据多次更新迭代形成预警机制的方法。该方法可随时应对实际变化情况，提前预警和指出潜在问题原因，对于工程实践具有指导意义。

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（编辑：高小雲）

Research on dynamic analysis and early warning of high and steep bedding slope

LU Gaoming1，WANG Zhexin2，LIU Boquan1，WANG Yongming1，REN Jinming1，HU Xiaoyu1，ZHOU Yong2

（1.Zhejiang Huadong Construction and Management Corporation Limited，Hangzhou 310030，China； 2.Huadong Engineering Corporation Limited，Hangzhou 311122，China）

Abstract： In order to reveal the regulation to large-scale high，steep and bedding engineering slopes excavation，and come up with a method for dynamic construction，taking the dynamic design of slope in the quarry of Yangfanggou Hydropower Station as an example，3DEC calculation program combined with the slope excavation deformation monitoring methods to conduct numerical simulation dynamic analysis on the safety and stability of slope deformation was used.The result showed that the simulated excavation support deformation range of the slope in three stages was 10～25 millimetre，which was similar with the monitoring value.According to the monitoring data for slope excavation and simulation results，a mechanism of early warning of slope excavation was built.The research result can provide a reference for the design and construction of excavation and support for large-scale bedding slope.

Key words： high and steep slope； bedding joint； dynamic analysis； Yangfanggou Hydropower Station

收稿日期：2023-11-02

作者简介：陆高明，男，工程师，硕士，主要从事水利水电工程设计工作。E-mail：849592075@qq.com