T大型高边坡开挖的变形破裂响应与稳定性控制

大型高边坡开挖的变形破裂响应与稳定性控制

提纲1.前言2.高边坡开挖变形破裂响应的动力学模式3.高边坡变形稳定性及分析评价4.高边坡稳定性的控制5.结束语长江三峡工程船闸高边坡小湾水电站坝址原貌2002年7月开工初期高边坡景观右岸全景澜沧江小湾水电站2004年1月右岸高边坡全景进水口边坡III区边坡拱肩槽边坡水垫塘边坡尾水边坡大椿树沟堆积体边坡岷江紫坪铺水电站岷江紫坪铺水电站是什么样的“力”在驱动岩石高边坡的变形与破坏？这是我们探讨问题的基础！开挖过程中，边坡的变形破裂如何响应？3.岩石高边坡的稳定性如何认识？符合传统极限平衡的思想吗？（是强度的问题还是变形的问题?，拟或两者的关系？）4.岩石边坡的设计应该采用什么样的原则？5.岩石高边坡的稳定性应该如何控制？一、前言审视一下近十年来若干大型工程高边坡的开挖实践，有助于我们对上述问题的理解和回答！工程实实例和和一般般规律律的总总结可可见：：开挖挖边坡坡由于于卸荷荷效应应的影影响，，必然然会产产生一一定量量级的的变形形响应应和伴伴生的的破裂裂现象象。关关键是是要认认识这这种变变形的的性质质及其其对边边坡稳稳定性性的涵涵义。。大量事事例表表明，，人工工边坡坡在开开挖过过程中中的变变形破破裂响响应与与自然然边坡坡在河河谷下下切过过程中中所发发生的的响应应具有有相似似形，，均属属于““卸荷荷”响响应。。从变变形破破坏的的地质质-力学行行表现现上，，这种种变形形具有有两种种基本本性质质：一是““表生生改造造型””的变变形和和破裂裂：即即岩质质高边边坡形形成过过程中中，伴伴随边边坡的的开挖挖，应应力释释放，，从而而驱动动边坡坡岩体体产生生变形形和破破裂，，以适适应新新的平平衡状状态，，这个个过程程我们们称之之为表生改改造。。这个阶阶段驱驱动边边坡变变形和和破裂裂的动动力是是边坡坡开挖挖引起起的内内部应应力释释放，，可以以称为为“释释放应应力””。2.开开挖高高边坡坡变形形破裂裂响应应的动动力学学模式式二是““时效性性质的的变形形”。当边边坡完完成表表生改改造而而形成成新的的应力力场体体系后后，边边坡的的应力力场将将转为为以自自重应应力场场为主主的状状态。。这时时，边边坡可可能有有两种种走向向，一一是由由于没没有进进一步步变形形的条条件从从而形形成新新的稳稳定结结构而而处于于平衡衡状态态；另另一种种走向向就是是边坡坡内存存在不不良的的地质质结构构，边边坡将将在自自重应应力场场的驱驱动下下，继继续发发生随随时间间的变变形破破裂过过程，，这个个过程程我们们称之之为时效变变形。显然然，这这个阶阶段驱驱动边边坡变变形、、破裂裂甚至至破坏坏的““动力力”是是边坡坡的自自重。。最后，，随着着“时时效变变形””的发发展，，边坡坡将进进入以以潜在在滑动动面累累进性性破坏坏、滑滑动面面贯穿穿、滑滑面形形成为为特征征的破坏阶阶段。2.开开挖高高边坡坡变形形破裂裂响应应的动动力学学模式式（1）强烈烈变形形及破破坏区区（2）时效效变形形区（3）表生改造造区（4）应力约束束区破坏区时效变形区区表生改造区区应力约束区区2.开挖高高边坡变形形破裂响应应的动力学学模式边坡岩体的的“表生改改造”和““时效变形形”是边坡坡稳定性地地质-力学学行为的两两个重要方方面。理论论上，在卸卸荷条件下下任何高边边坡都是在在经历表生生改造以后后，才进入入后续的时时效变形阶阶段；也只只有通过时时效变形，，潜在滑动动面才得以以充分发育育并最终贯贯穿，从而而导致边坡坡的最终失失稳。边坡经表生生改造进入入时效变形形，再由时时效变形进进入最终的的破坏阶段段，严格说说来，这是是任何一个个边坡演化化都将经历历的三个阶阶段。2.开挖高高边坡变形形破裂响应应的动力学学模式(1)性性质和特特点表生改造是是与坡体开开挖过程相相伴生的地地质-力学学行为，是是卸荷回弹弹性质的变变形。有以以下特点：：表生改造的的变形与边边坡的开挖挖卸荷有很很好的对应应关系，是是一种开挖坡坡体由于卸卸荷作用产产生的回弹弹变形，这种变形性性质宏观上上是“弹性性”的，随随着开挖的的进行，卸卸荷的过程程而产生，，一旦开挖挖过程结束束，变形很很快就停止止，几乎没没有后续的的变形。变形的方向向也是指向向与临空面面垂直方向向的；会产生与变变形相对应应的卸荷破破裂，但方方向是平行行临空面的的。关于表生改改造变形表生改造一一方面起到到释放坡体体应力，促促进边坡应应力场形成成的作用；；另一方面面，这个过过程的发生生形成了边边坡浅表部部的“卸荷荷松弛带””，从而劣劣化了岩体体的工程地地质条件，，主要表现现在：卸荷松弛带带破坏了边边坡的岩体体结构，导导致岩体宏宏观强度和和结构面强强度的降低低，形成边边坡继续变变形的几何何和力学边边界条件等等。关于表生改改造变形有的边坡表生改造完完成后，就就会处于稳稳定状态，，不会产生生随时间的的变形，即即进入不了了“时效变变形”阶段段。反映在在监测曲线线上就是变变形随开挖挖过程而发发展，尽管管开挖过程程中还可能能出现较大大的变形速速率（高应应力、快速速开挖情形形），但开开挖结束后后，位移速速率将迅速速降低，并并趋于平缓缓，两者基基本同步（（“同步型型”）；边坡进入不不了时效变变形，进而而也没有整整体失稳破破坏的可能能。因此，，这类边坡坡通常整体体是稳定的的。(2)条条件那么，什么么样的边坡坡只产生表表生改造变变形呢？显显然识别这这类边坡是是很重要的的！边坡内没有有特定的不不利结构面面或结构面面组合！关于表生改改造变形三峡船闸高高边坡1999.05（整体块状状结构岩体体的边坡））TP21GP02测点（右线线南坡15571,高程200m）变形过程线线（据[28]）变形监测情情况外观点变形形开挖引起的的卸荷-卸荷带的划划分卸荷带划分分的定量研研究开挖引起的的卸荷开挖引起的的卸荷对于结构相相对完整，，由微新的的块状或整整体块状岩岩体构成的的岩石高边边坡，开挖挖过程的卸卸荷变形响响应为：（1）边坡坡的变形主主要受开挖挖的影响；；开挖结束束后，变形形很快停止止，“工后后”剩余变变形很小。。这表明，，岩体还主主要是弹性性介质，变变形是开挖挖卸荷所产产生的弹性性恢复，滞滞弹性很小小。也就是是说，没有有随时间发发生的时效效变形。（2）当边边坡内不存存在对变形形不利的控控制性结构构面时，边边坡的变形形总体表现现出较强的的连续性，表现在内观观点的观测测曲线上，，由坡面向向内部，变变形是逐渐渐连续减小小的，除了了浅表部3-5m施工的强烈烈扰动区外外，内部不不存在变形形的“不连连续”现象象。（3）当边边坡内存在在小规模断断层或长大大结构面时时（不构成成控制性破破坏面），，坡体内部部的变形将将会出现相相对的“不不连续现象象”；对本本案而言，，这种特定定的开挖强强卸荷深度度约在13-15m（直立段开挖挖高度约50m）范围。认识工程概况岷江紫坪铺铺水电站800750900进水口边坡坡的岩体结结构特征L10边坡中下段段上游侧L10L11变形破裂机机理—压缩缩倾倒型硐脸边坡857m便道一带L11下部岩层的的倾倒拉裂裂缝硐脸边坡顶顶部因压缩缩蠕变倾倒倒引起的墙墙体拉裂现现象变形破裂现现象MP1MP2MP3MP4引水发电洞进水口边坡监测布置图边坡变形监测MP5MIP1多点位移计计时间－位位移过程线线MIP1多点位移计计位移－孔孔深曲线边坡变形监监测认识（1）边坡的的变形随着着开挖的进进行而发展展，开挖的的结束而停停止，两者者基本同步步。表明这这种变形的的产生主要要受开挖卸卸荷的影响响，是边坡坡开挖过程程中，坡体体的卸荷回回弹的调整整变形，变变形本身具具有“弹性性性质”。。变形的量量级最大50-60mm。（2）边坡的变形形主要发生生在浅表层层0-10m的范围内。。这个深度度相当于开开挖引起边边坡的“强强卸荷区””，显然是是在正常的的范围之内内。（3）尽管管边坡中有有反倾向坡坡内的软弱弱岩带，但但是由于倾倾向坡内，，并没有对对边坡的整整体变形起起到控制作作用。因此此，边坡开开挖结束后后，由于坡坡体不存在在继续变形形的结构条条件，变形形也就很快快停止了。。（4）显然然，这类边边坡只具备备开挖卸荷荷过程中发发生表生改改造变形(卸荷回弹弹变形)的的动力条件件，而不具具备发生““时效变形形”的结构构条件。小湾进水口边坡坡变形分析析1150116011701180119012001210122012301245张2.5cm正错2cm拱肩槽层面松弛开裂进水口-拱肩槽联结段边坡裂缝分布(示意)进水口-拱肩槽联结段边坡裂缝正错(剪胀)现象(EL.1190m马道)正错2cm（1220m高程，靠近近f3，变形轻微:总变形量量约6mm：0.5mm/月）协调渐变型型：1，12号号内观点为为代表，变变形表现一一定的连续续性和由表表及里的渐渐变性。边坡变形监监测这类变形总体表表现为变形形量由坡面面向坡内逐逐渐变形，，渐进连续续变化。表表明坡体的的变形是连连续的，没没有受到特特定的结构构面控制。。总变形量量较小，其其量级取决决于岩体的的宏观特性性和支护的的强度。尽尽管12号号点变形量量相对较大大，但仍在在岩体的正正常变形范范围内。边坡变形监监测浅表松弛型型：3，6，8，10，11，13号内观点为为代表。变变形具有不不连续性：：0-3m(个别8m)范围内变形形相对较大大，3-5mm/月，个别（（局部）达达十余mm；此以内变形形量小，总总量毫米级级，速率低低，0.5-2mm/月，属正常常变形。边坡变形监监测总的来看，，这类点所所代表的部部位岩体发发生的是浅浅表部的正正常卸荷松松弛，深度度范围3-5m，个别8m，变形量一般般3-5mm/月，个别点点可达十余余mm。浅表部的变变形不受某某一明显的的特定结构构面控制，，而是形成成卸荷松弛弛带。边坡变形监监测1220m高程，靠近近f89-1回弹错动型型：变形在距坡坡面一定深深度范围内内具有很好好的同步性性和一致性性。表明在在这个深度度上存在特特定的结构构面，控制制了其外侧侧边坡在开开挖卸荷过过程中的整整体回弹变变形。边坡变形监监测1220m高程，靠近近f89-1边坡变形监监测变形方向为为NE向，受开挖挖临空面控控制，仍然然属于回弹弹变形，只只不过是沿沿缓面发生生，一定深深度范围内内变形具有有同步性、、一致性。。边坡变形监监测边坡经表生生改造进入入时效变形形，再由时时效变形进进入最终的的破坏阶段段，严格说说来，这是是任何一个个边坡演化化都将经历历的三个阶阶段。但是是，从是否否具有工程程地质意义义的角度来来讲，边坡坡的演化能能否进入时时效变形阶阶段，并通通过时效变变形进入最最终的破坏坏，主要还还取决于边边坡的地质质结构特征征。实践表表明：以下下几类边坡坡的地质结结构非常有有利于边坡坡在完成表表生改造后后，进入时时效变形阶阶段：（1））边坡坡内具具有倾倾向坡坡外的的缓倾倾角结结构面面，且且倾角角与残残余摩摩擦角角接近近。（2））边坡坡具具有有由由软软岩岩构构成成的的软软弱弱基基座座。。（3））由由近近直直立立中中-薄薄层层状状岩岩层层构构成成的的陡陡边边坡坡(尤尤其其是是软软岩岩或或有有软软岩岩夹夹层层)（4））碎裂裂结结构构岩岩体体边边坡坡。。（5））堆堆积积体体（（散散体体））边边坡坡。。关于于时时效效变变形形:2.开开挖挖高高边边坡坡变变形形破破裂裂响响应应的的动动力力学学模模式式“时时效效变变形形””是是在在表表生生改改造造结结束束后后，，紧紧接接着着发发生生的的一一种种随随时时间间逐逐渐渐发发展展的的变变形形。。在在这这种种情情形形下下，，边边坡坡的的变变形形表表现现并并不不伴伴随随开开挖挖过过程程的的终终止止而而停停止止；；而而是是在在开开挖挖结结束束后后，，还还将将发发生生持持续续的的变变形形；；这这种种变变形形不不完完全全取取决决于于““开开挖挖卸卸荷荷过过程程””的的影影响响，，甚甚至至在在量量级级上上会会超超过过开开挖挖卸卸荷荷过过程程中中的的变变形形。。更更有有甚甚者者，，开开挖挖过过程程中中，，几几乎乎没没有有卸卸荷荷响响应应，，而而在在结结束束后后，，会会有有很很大大的的变变形形发发生生。。表表现现在在变变形形监监测测曲曲线线上上，，是是“延延持持型型””，，也就就是是开开挖挖结结束束后后，，位位移移还还在在继继续续发发展展，，并并可可能能保保持持一一定定的的速速率率。。小小湾湾饮饮水水沟沟堆堆积积体体就就是是一一个个典典型型的的实实例例！！。。2.开开挖挖高高边边坡坡变变形形破破裂裂响响应应的的动动力力学学模模式式小湾湾水水电电站站饮饮水水沟沟堆堆积积体体变变形形与与灾灾害害防防治治2003年11月月17日，，饮饮水水沟沟堆堆积积体体边边坡坡开开始始出出现现异异常常变变形形2003年12月月17日，，在在堆堆积积体体下下游游侧侧缘缘附附近近EL.1420~1480m马道道间间发发现现裂裂缝缝随后后在在堆堆积积体体上上游游侧侧缘缘、、堆堆积积体体上上部部也也相相继继发发现现裂裂缝缝。。此外外，，在在1378排水水洞洞洞洞壁壁(衬砌砌)也有有裂裂缝缝发发育育。。边坡坡变变形形开开裂裂迹迹象象总的的看看来来，，自自2003年12月17日发发现现裂裂缝缝以以来来，，随随着着边边坡坡变变形形的的发发展展，，不不断断有有新新增增裂裂缝缝出出现现，，分分布布范范围围扩扩大大；；已已有有裂裂缝缝发发生生不不同同程程度度的的位位移移，，甚甚至至出出现现延延伸伸长长度度扩扩展展。。到到2004年3月31日，，堆堆积积体体坡坡面面上上EL.1245~1588m之间间先先后后共共出出现现约约150条裂裂缝缝。。变形形过过程程及及趋趋势势分分析析2)在整整个个堆堆积积体体坡坡面面上上，，裂裂缝缝的的空空间间分分布布是是极极不不均均匀匀的的，，随随着着时时间间的的持持续续，，新新增增裂裂缝缝的的分分布布出出现现明明显显的的迁迁移移特特点点(图图3-2)。2003年年12月中中下下旬旬出出现现的的裂裂缝缝，，数数量量较较少少、、延延伸伸长长、、连连通通程程度度高高，，集中中分分布布于于堆堆积积体体上上下下游游侧侧缘缘及及其其附附近近。裂裂缝缝形形态态以以纵纵向向裂裂缝缝为为主主，，少少量量弧弧形形、、横横向向、、斜斜向向裂裂缝缝。。以以剪剪性性或或剪剪张张性性为为主主、、少少量量张张性性。。2004年2月中中上上旬旬(2月月5日日~2月月17日日)新增增的的裂裂缝缝，，数数量量较较多多、、延延伸伸相相对对较较短短，，连连通通程程度度低低，，大多多数数分分布布于于EL.1480m马道及其其以上的的堆积体体表面。裂缝形形态以横横向、斜斜向裂缝缝为主，，少量纵纵向裂缝缝。以张张剪性或或张性为为主。①②③④①变形启动阶段（03年11月17日～04年1月13日）②时效变形快速发展阶段（1月13日～1月31日）③均匀蠕滑阶段（1月31日～3月31日）④变形趋稳阶段（4月1日以来）变形阶段(以TP-35#为例)变形过程程及趋势势分析2号山梁Ⅲ区表面测点点位移～～时间过过程曲线线(1)高边坡的的“稳定定性”是是随边坡坡变形-破坏发发生、发发展的一一个动态态问题。。我们所所看到的的只是这这个“过过程”的的某个具具体“片片段”，，而需要要的则是是对这个个过程的的全面了了解和掌掌握，尤尤其是伴伴随这个个过程，，高边坡坡的潜在在滑动面面是怎样样孕育和和演化的的。只有有从全过过程上、、内部作作用机理理上掌握握其变形形破坏的的演变规规律和滑滑动面贯贯穿机制制，才能能对其稳稳定性现现状和今今后发展展趋势作作出合理理的评价价和预测测。3.高边坡坡的变形稳定定性及分析评评价（2）基于以以上的认识，，与传统意义义上的“强度稳定性性问题”不同，高边坡坡稳定性评价价更应该是一一个“变形稳定性性”问题。实际上上，传统的基基于极限平衡衡理论的“强强度稳定性””是变形发展展到累进性破破裂阶段、滑滑动面基本形形成后的状态态，而对绝大大多数岩石高高边坡而言，，滑动面是伴伴随变形-破破裂发展而逐逐渐孕育的，，在变形的初初期或一定阶阶段，滑动面面尚未形成，，也就不存在在所谓传统的的“强度稳定定性”问题。。因此，岩石石高边坡稳定定性评价应该该采用“变形形稳定性分析析”的途径。。3.高边坡坡的变形稳定定性及分析评评价3.高边坡坡的变形稳定定性及分析评评价损伤的产生损伤发展阶段断续的损伤相互贯通形成累进性破坏潜在滑面贯穿滑坡发生变形量U时间T屈服峰值强度边坡潜在滑动面随时间形成和发展的物理机制3.高边坡坡的变形稳定定性及分析评评价损伤的产生损伤发展阶段潜在滑面贯穿滑坡发生变形量U时间T加速蠕变阶段等速蠕变阶段初始蠕变阶段时效变形阶段表生阶段大变形及累进性破坏阶段断续的损伤相互贯通形成累进性破坏边坡变形-破坏的阶段划分3.高边坡坡的变形稳定定性及分析评评价损伤的产生损伤发展阶段潜在滑面贯穿滑坡发生变形量U时间T加速蠕变阶段等速蠕变阶段初始蠕变阶段时效变形阶段表生阶段大变形及累进性破坏阶段边坡变形稳定性的评价原理UmaxUpU1t变形稳定性系数：K1=U1/Up,K2=U2-Up/Umax-UpU23.高边坡坡的变形稳定定性及分析评评价根据以上变形形稳定性的原原理，高边坡坡稳定性的控控制，关键在在于控制变形形；变形控制制住了，不具具备进一步发发展的条件了了，滑动面的的演化就会在在“孕育”或或者“发展””阶段结束，，从而进入不不了最终的累累进性破坏阶阶段。4.高边坡坡稳定性的控控制潜在滑面贯穿滑坡发生变形量U时间T加速蠕变阶段等速蠕变阶段初始蠕变阶段时效变形阶段累进性破坏阶段表生阶段变形控制的主要对象从时间和代价均不宜控制的变形4.高边坡坡稳定性的控控制一般意义上讲讲，如果边坡坡中没有不利利的地质结构构面，边坡只只会产生开挖挖卸荷引起的的“表生改造造变形”，而而后就处于稳稳定状态；通通常情况下，，它不会影响响边坡的整体体稳定性，因因此，一般的的边坡可以不不更多的考虑虑对它的控制制（控制起来难难度也比较大大！）。但是不是所有有情形都这样样呢？这关键键还要看这种种“表生改造造”变形的程程度和工程的的重要性。必须明确的是是，这种情形形下，所采取取的边坡稳定定性控制措施施是针对浅表表层的“表生生改造”变形形所采取的，，不是针对沿沿着特定破坏坏面的“强度度稳定性”问问题采取的。。两者在设计计的控制范围围和控制的工工程量上应该该有本质的区区别。4.高边坡坡稳定性的控控制工程经验表明明，发生这种种变形的边坡坡在地质上前前提条件是没有显著的失失稳破坏控制制性结构面，通常具有以以下的特点：：（1）结构状状态较好，通通常具有整体体或块状结构构的边坡；（2）反倾层层状结构边坡坡或近水平层层状结构边坡坡；（3）含有陡陡裂面，但通通常产状近直直立。。。。。。。。。4.高边坡坡稳定性的控控制当边坡中存在在不利的地质质结构面，边边坡在完成““表生改造””变形后，将将进入“时效效变形”阶段段。这种边坡坡具有极大的的破坏潜在风风险。对这种种边坡必须采采取强有力的的变形控制措措施，否则坡坡体中的弱面面可能会因为为持续的变形形而逐渐丧失失强度，反过过来又促使边边坡变形进一一步发展，变变形-强度曲曲线跨越了峰峰值，进入累累进性破坏阶阶段，坡体最最终产生整体体滑移性质的的失稳破坏。。对这种性质变变形的控制时时机，理论上上应该是在时时效变形的初初期，而且越越早越好。迟迟了，变形充充分发展，滑滑动面的演化化进入不可逆逆转的状态，，这时，一方方面留给支护护的时间缩短短；另一方面面，支护的强强度也会陡然然增大。4.高边坡坡稳定性的控控制潜在滑面贯穿滑坡发生变形量U时间T加速蠕变阶段等速蠕变阶段初始蠕变阶段时效变形阶段大变形及累进性破坏阶段表生阶段有利的控制阶段不利的控制阶段不可控制阶段边坡变形稳定性的控制原理4.高边坡坡稳定性的控控制①②③④高边坡工程地地质环境条件件研究工程地质-力力学模型地质结构模型岩，土，水静动力学参数数岩土体结构模模型及力学模模型研究实施的技术流流程4.高边坡坡稳定性的控控制边坡变形破坏坏机理概念模模型的建立边坡变形破坏坏全过程模拟拟再现及概念模型的的验证小变形阶段模拟（有限元模拟拟）非连续变形及及运动过程模模拟（DDA,UDEC,DEM）大变形阶段模拟（Flac）边坡失稳及灾灾害形成的机机理模型高边坡变形破坏机制及变形稳定性性分析边坡变形破坏坏现象调查边坡稳定性评评价及预测地质体变形破坏模型防治方案的初步设计规范(静力学)地质体与支挡结构间相互作用分析变形理论整体优化设计防治方案的有效性检验FEM,DEMUDEC,FLAC防治方案的优化监控----反馈设计最优化理论控制论高边坡变形控制设计几个基本的原原则：（1）低开口口（2）高清坡坡（3）缓接坡坡（4）强锁头头（5）紧箍脚脚4.高边坡坡稳定性的控控制（1）低开口口：边坡开口线线确定的原则则一方面是要要考虑边坡本本身的地质条条件；另一方方面也要考虑虑尽量减少对对自然边坡的的影响，尤其其是在开口线线上方存在高高陡边坡的情情形。这就要要求边坡在通通过合理的工工程措施能够够达到设计安安全标准的前前提下，尽量量降低它的开开口线高程，，减小开挖边边坡高度，做做到对自然边边坡尽量小的的干扰。在允允许的情况下下，要不惜采采用强支护措措施实现这一一点。4.高边坡坡稳定性的控控制（2）高清坡坡：边坡开口线线降低后，必必然会在其上上方保留了相相当高度的自自然高陡边坡坡。通常这部部分边坡的问问题主要是表表层由于强烈烈卸荷形成的的