第四讲：岩石高边坡变形稳定性及其控制

岩石高边坡稳定性及其控制2/6/2023边坡稳定性分析李建中大量事例表明，人工边坡在开挖过程中的变形破裂响应与自然边坡在河谷下切过程中所发生的响应具有相似形，均属于“卸荷”响应。从变形破坏的地质-力学行表现上，这种变形具有两种基本性质：一是“表生改造型”的变形和破裂：即岩质高边坡形成过程中，伴随河谷的下切或边坡的开挖，边坡应力释放，从而驱动边坡岩体产生变形和破裂，以适应新的平衡状态，这个过程我们称之为表生改造。这个阶段驱动边坡变形和破裂的动力是边坡开挖引起的内部应力释放，可以称为“释放应力”。1开挖过程中高边坡变形破坏响应2/6/2023边坡稳定性分析李建中二是“时效性质的变形”。当边坡完成表生改造而形成新的应力场体系后，边坡的应力场将转为以自重应力场为主的状态。这时，边坡可能有两种走向，一是由于没有进一步变形的条件从而形成新的稳定结构而处于平衡状态；另一种走向就是边坡内存在不良的地质结构，边坡将在自重应力场的驱动下，继续发生随时间的变形破裂过程，这个过程我们称之为时效变形。显然，这个阶段驱动边坡变形、破裂甚至破坏的“动力”是边坡的自重。最后，随着“时效变形”的发展，边坡将进入以潜在滑动面累进性破坏、滑动面贯穿、滑面形成为特征的破坏阶段。1开挖过程中高边坡变形破坏响应2/6/2023边坡稳定性分析李建中（1）强烈变形及破坏区

（2）时效变形区（3）表生改造区（4）应力约束区破坏区时效变形区表生改造区应力约束区1开挖过程中高边坡变形破坏响应2/6/2023边坡稳定性分析李建中

边坡岩体的“表生改造”和“时效变形”是边坡稳定性地质-力学行为的两个重要方面。理论上，在卸荷条件下任何高边坡都是在经历表生改造以后，才进入后续的时效变形阶段；也只有通过时效变形，潜在滑动面才得以充分发育并最终贯穿，从而导致边坡的最终失稳。

边坡经表生改造进入时效变形，再由时效变形进入最终的破坏阶段，严格说来，这是任何一个边坡演化都将经历的三个阶段。

1开挖过程中高边坡变形破坏响应2/6/2023边坡稳定性分析李建中

(1)性质和特点

表生改造是与坡体开挖过程相伴生的地质-力学行为，是卸荷回弹性质的变形。有以下特点：

表生改造的变形与边坡的开挖卸荷有很好的对应关系，是一种开挖坡体由于卸荷作用产生的回弹变形，这种变形性质宏观上是“弹性”的，随着开挖的进行，卸荷的过程而产生，一旦开挖过程结束，变形很快就停止，几乎没有后续的变形。变形的方向也是指向与临空面垂直方向的；

会产生与变形相对应的卸荷破裂，但方向是平行临空面的。

表生改造一方面起到释放坡体应力，促进边坡应力场形成的作用；另一方面，这个过程的发生形成了边坡浅表部的“卸荷松弛带”，从而劣化了岩体的工程地质条件，主要表现在：卸荷松弛带破坏了边坡的岩体结构，导致岩体宏观强度和结构面强度的降低，形成边坡继续变形的几何和力学边界条件等。

关于表生改造变形2/6/2023边坡稳定性分析李建中有的边坡表生改造完成后，就会处于稳定状态，不会产生随时间的变形，即进入不了“时效变形”阶段。反映在监测曲线上就是变形随开挖过程而发展，尽管开挖过程中还可能出现较大的变形速率（高应力、快速开挖情形），但开挖结束后，位移速率将迅速降低，并趋于平缓，两者基本同步（“同步型”）；边坡进入不了时效变形，进而也没有整体失稳破坏的可能。因此，这类边坡通常整体是稳定的。

(2)条件

那么，什么样的边坡只产生表生改造变形呢？显然识别这类边坡是很重要的！

边坡内没有特定的不利结构面或结构面组合！关于表生改造变形2/6/2023边坡稳定性分析李建中三峡船闸高边坡1999.05（整体块状结构岩体的边坡）2/6/2023边坡稳定性分析李建中

TP21GP02测点（右线南坡15571,高程200m）变形过程线（据[28]）变形监测情况外观点变形2/6/2023边坡稳定性分析李建中开挖引起的卸荷2/6/2023边坡稳定性分析李建中工程概况岷江紫坪铺水电站2/6/2023边坡稳定性分析李建中8007509002/6/2023边坡稳定性分析李建中进水口边坡的岩体结构特征2/6/2023边坡稳定性分析李建中L10边坡中下段上游侧2/6/2023边坡稳定性分析李建中L10L11变形破裂机理—压缩倾倒型2/6/2023边坡稳定性分析李建中硐脸边坡857m便道一带L11下部岩层的倾倒拉裂缝

硐脸边坡顶部因压缩蠕变倾倒引起的墙体拉裂现象变形破裂现象2/6/2023边坡稳定性分析李建中MP1MP2MP3MP4引水发电洞进水口边坡监测布置图边坡变形监测MP52/6/2023边坡稳定性分析李建中MIP1多点位移计时间－位移过程线MIP1多点位移计位移－孔深曲线边坡变形监测2/6/2023边坡稳定性分析李建中MIP4多点位移计位移－孔深曲线MIP4多点位移计时间－位移过程线边坡变形监测2/6/2023边坡稳定性分析李建中

①随着边坡的开挖（约7个月），边坡的变形有明显增大的趋势；在受支护措施控制的情况下，边坡的最大变形量已达55mm以上。从2002年11月30日开始（不包括此前的变形），到2003年5月31日，位于865高程的MIP4测点表面点的位移量为55.8mm，

845m高程的MIP3测点表面点的位移量为32.5mm。随着高程的降低，边坡的变形具有减弱的趋势，表现在边坡的变形量及变形涉及深度均逐渐减小。

②从位移与孔深的关系看，开挖量较大的硐脸边坡，845m高程以上的MIP1、MIP3、MIP4等监测点一带的边坡变形的最大涉及深度一般可达25－30m左右，但变形主体发生在0-10~12米的范围内，如MIP4测点位移主要发生在7.0m以外的坡体，而7~26m位移随深度的增加而递减，26.0m以内的岩体已基本未有变形。边坡变形监测2/6/2023边坡稳定性分析李建中

③2003年2月初，随着开挖量的增大，边坡的变形持续增大，自2003年4月中旬始，随着坡体开挖结束、锚索支护的加强以及进水口处闸室修建等，尤其是边坡上部对穿锚索的施工完毕，边坡的变形明显得到控制，位移曲线逐渐趋于平缓，2003年5月份各支仪器表面点的平均位移速率均小于0.10mm/d，2003年5月份始边坡已趋稳定。

④上述监测资料显示，开挖边坡的变形具有倾倒变形的特征，这与边坡结构分析及边坡的变形迹象所显示的变形特征具有较好的一致性。

边坡变形监测2/6/2023边坡稳定性分析李建中认识（1）边坡的变形随着开挖的进行而发展，开挖的结束而停止，两者基本同步。表明这种变形的产生主要受开挖卸荷的影响，是边坡开挖过程中，坡体的卸荷回弹的调整变形，变形本身具有“弹性性质”。变形的量级最大50-60mm。（2）边坡的变形主要发生在浅表层0-10m的范围内。这个深度相当于开挖引起边坡的“强卸荷区”，显然是在正常的范围之内。（3）尽管边坡中有反倾向坡内的软弱岩带，但是由于倾向坡内，并没有对边坡的整体变形起到控制作用。因此，边坡开挖结束后，由于坡体不存在继续变形的结构条件，变形也就很快停止了。（4）显然，这类边坡只具备开挖卸荷过程中发生表生改造变形(卸荷回弹变形)的动力条件，而不具备发生“时效变形”的结构条件。2/6/2023边坡稳定性分析李建中小湾进水口边坡变形分析2/6/2023边坡稳定性分析李建中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)2/6/2023边坡稳定性分析李建中进水口-拱肩槽联结段边坡裂缝正错(剪胀)现象(EL.1190m马道)正错2cm2/6/2023边坡稳定性分析李建中2/6/2023边坡稳定性分析李建中（1220m高程，靠近f3，变形轻微:总变形量约6mm：0.5mm/月）协调渐变型：1，12号内观点为代表，变形表现一定的连续性和由表及里的渐变性。边坡变形监测2/6/2023边坡稳定性分析李建中

这类变形总体表现为变形量由坡面向坡内逐渐变形，渐进连续变化。表明坡体的变形是连续的，没有受到特定的结构面控制。总变形量较小，其量级取决于岩体的宏观特性和支护的强度。尽管12号点变形量相对较大，但仍在岩体的正常变形范围内。边坡变形监测2/6/2023边坡稳定性分析李建中浅表松弛型：3，6，8，10，11，13号内观点为代表。变形具有不连续性：0-3m(个别8m)范围内变形相对较大，3-5mm/月，个别（局部）达十余mm；此以内变形量小，总量毫米级，速率低，0.5-2mm/月，属正常变形。边坡变形监测2/6/2023边坡稳定性分析李建中边坡变形监测2/6/2023边坡稳定性分析李建中总的来看，这类点所代表的部位岩体发生的是浅表部的正常卸荷松弛，深度范围3-5m，个别8m，变形量一般3-5mm/月，个别点可达十余mm。浅表部的变形不受某一明显的特定结构面控制，而是形成卸荷松弛带。边坡变形监测2/6/2023边坡稳定性分析李建中1220m高程，靠近f89-1

回弹错动型：变形在距坡面一定深度范围内具有很好的同步性和一致性。表明在这个深度上存在特定的结构面，控制了其外侧边坡在开挖卸荷过程中的整体回弹变形。2/6/2023边坡稳定性分析李建中1220m高程，靠近f89-1边坡变形监测2/6/2023边坡稳定性分析李建中变形方向为NE向，受开挖临空面控制，仍然属于回弹变形，只不过是沿缓面发生，一定深度范围内变形具有同步性、一致性。边坡变形监测2/6/2023边坡稳定性分析李建中小湾水电站饮水沟堆积体变形与灾害防治2/6/2023边坡稳定性分析李建中2/6/2023边坡稳定性分析李建中

2003年11月17日，饮水沟堆积体边坡开始出现异常变形

2003年12月17日，在堆积体下游侧缘附近EL.1420~1480m马道间发现裂缝随后在堆积体上游侧缘、堆积体上部也相继发现裂缝。此外，在1378排水洞洞壁(衬砌)也有裂缝发育。边坡变形开裂迹象总的看来，自2003年12月17日发现裂缝以来，随着边坡变形的发展，不断有新增裂缝出现，分布范围扩大；已有裂缝发生不同程度的位移，甚至出现延伸长度扩展。到2004年3月31日，堆积体坡面上EL.1245~1588m之间先后共出现约150条裂缝。

变形过程及趋势分析2/6/2023边坡稳定性分析李建中●坡面裂缝总体发育特征

1)2003年12月17日～2004年3月31日之间，每天新增裂缝条数及每天发生长度扩展的裂缝条数进行统计发现，裂缝的形成与发展表现出明显的阶段性：裂缝形成→变形累计→裂缝长度扩展、新增裂缝→变形累计(图3-1)。显然，新裂缝出现或已有裂缝发生长度扩展应代表着一种“非稳定扩展”，而裂缝位移的持续增大则代表着一种“稳定扩展”。由此看来，堆积体边坡坡面裂缝的发展，大体从2004年2月下旬即进入了“稳定扩展阶段”。此后，之所以未出现进一步的、新的“非稳定扩展”可能与以下两方面因素有关：一是，它的出现需要一定程度的变形累计；二是，抢险支护在后期逐渐开始发挥作用。变形过程及趋势分析2/6/2023边坡稳定性分析李建中

2)在整个堆积体坡面上，裂缝的空间分布是极不均匀的，随着时间的持续，新增裂缝的分布出现明显的迁移特点(图3-2)。

2003年12月中下旬出现的裂缝，数量较少、延伸长、连通程度高，集中分布于堆积体上下游侧缘及其附近。裂缝形态以纵向裂缝为主，少量弧形、横向、斜向裂缝。以剪性或剪张性为主、少量张性。

2004年2月中上旬(2月5日~2月17日)新增的裂缝，数量较多、延伸相对较短，连通程度低，大多数分布于EL.1480m马道及其以上的堆积体表面。裂缝形态以横向、斜向裂缝为主，少量纵向裂缝。以张剪性或张性为主。2/6/2023边坡稳定性分析李建中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)变形过程及趋势分析2/6/2023边坡稳定性分析李建中2/6/2023边坡稳定性分析李建中

2号山梁Ⅲ区表面测点位移～时间过程曲线2/6/2023边坡稳定性分析李建中

（1）上述的讨论可以归结为：开挖边坡的演化同样是一个动态的地质-力学过程，边坡通过变形的积累（量变），逐渐发展到破坏的发生（质变，灾变），这个过程具体就表现在上述随时间的三阶段演化上。

从这个意义上讲，高边坡的“稳定性”是随边坡变形-破坏发生、发展的一个动态问题。我们所看到的只是这个“过程”的某个具体“片段”，而需要的则是对这个过程的全面了解和掌握，尤其是伴随这个过程，高边坡的潜在滑动面是怎样孕育和演化的。只有从全过程上、内部作用机理上掌握其变形破坏的演变规律和滑动面贯穿机制，才能对其稳定性现状和今后发展趋势作出合理的评价和预测。2高边坡的变形稳定性及分析评价2/6/2023边坡稳定性分析李建中

（2）基于以上的认识，“岩石高边坡稳定性评价”的核心就是要阐明边坡变形破坏的过程和机理，并从地质-力学的角度进行刻画，而这种刻画的关键是“变形”。因此，与传统意义上的“强度稳定性问题”不同，岩石高边坡稳定性评价更应该是一个“变形稳定性”问题。实际上，传统的基于极限平衡理论的“强度稳定性”是变形发展到累进性破裂阶段、滑动面基本形成后的状态，而对绝大多数岩石高边坡而言，滑动面是伴随变形-破裂发展而逐渐孕育的，在变形的初期或一定阶段，滑动面尚未形成，也就不存在所谓传统的“强度稳定性”问题。因此，岩石高边坡稳定性评价应该采用“变形稳定性分析”的途径。2高边坡的变形稳定性及分析评价2/6/2023边坡稳定性分析李建中轴向应变ea(contraction)轴向应力差DsaDeaDer裂隙压密阶段线弹性阶段微裂隙产生阶段抗压强度微裂隙增加阶段宏观裂缝出现，累进性破坏沿裂隙滑动破坏屈服峰值残余比例2高边坡的变形稳定性及分析评价2/6/2023边坡稳定性分析李建中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2高边坡的变形稳定性2/6/2023边坡稳定性分析李建中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2高边坡的变形稳定性及分析评价2/6/2023边坡稳定性分析李建中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-UpU22高边坡的变形稳定性及分析评价2/6/2023边坡稳定性分析李建中

（3）“变形稳定性分析”包含两方面的涵义：

一方面是通过高边坡变形破坏现象的分析和机制的研究，以滑动面演化过程描述为基础，建立边坡变形破坏的机理模型，从而提出稳定性的判据和失稳准则；另一方面，是充分运用现代数学-力学理论和计算机技术，实现高边坡变形破坏演变的全过程模拟和过程控制，从而根据模拟结果对稳定性现状进行量化评价，并通过模型的时-空延拓进行稳定性预测。实际上，以上两个方面是相互支撑，有机结合的，前者偏重地质分析，后者则强调模型的理论验证和整体分析。2高边坡的变形稳定性及分析评价2/6/2023边坡稳定性分析李建中

根据以上变形稳定性的原理，高边坡稳定性的控制，关键在于控制变形；变形控制住了，不具备进一步发展的条件了，滑动面的演化就会在“孕育”或者“发展”阶段结束，从而进入不了最终的累进性破坏阶段。

3高边坡稳定性的控制原理2/6/2023边坡稳定性分析李建中3.高边坡变形稳定性评价及其控制原理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2/6/2023边坡稳定性分析李建中一般意义上讲，如果边坡中没有不利的地质结构面，边坡只会产生开挖卸荷引起的“表生改造变形”，而后就处于稳定状态；通常情况下，它不会影响边坡的整体稳定性，因此，一般的边坡可以不更多的考虑对它的控制（控制起来难度也比较大！）。但是不是所有情形都这样呢？这关键还要看这种“表生改造”变形的程度和工程的重要性。对重要等级的工程边坡，过大的变形同样会影响边坡的工作状态，这同样也是一个稳定性问题（“变形稳定性”）。因此，在这种情形下，对这类变形进行合理的评价，在开挖过程中采取适当的控制措施仍然是必要的。

必须明确的是，这种情形下，所采取的边坡稳定性控制措施是针对浅表层的“表生改造”变形所采取的，不是针对沿着特定破坏面的“强度稳定性”问题采取的。两者在设计的控制范围和控制的工程量上应该有本质的区别。

3高边坡稳定性的控制原理2/6/2023边坡稳定性分析李建中工程经验表明，发生这种变形的边坡在地质上前提条件是没有显著的失稳破坏控制性结构面，通常具有以下的特点：（1）结构状态较好，通常具有整体或块状结构的边坡；（2）反倾层状结构边坡或近水平层状结构边坡；（3）含有陡裂面，但通常产状近直立。。。。。。。。3高边坡稳定性的控制原理2/6/2023边坡稳定性分析李建中

当边坡中存在不利的地质结构面，边坡在完成“表生改造”变形后，将进入“时效变形”阶段。这种边坡具有极大的破坏潜在风险。对这种边坡必须采取强有力的变形控制措施，否则坡体中的弱面可能会因为持续的变形而逐渐丧失强度，反过来又促使边坡变形进一步发展，变形-强度曲线跨越了峰值，进入累进性破坏阶段，坡体最终产生整体滑移性质的失稳破坏。

对这种性质变形的控制时机，理论上应该是在时效变形的初期，而且越早越好。迟了，变形充分发展，滑动面的演化进入不可逆转的状态，这时，一方面留给支护的时间缩短；另一方面，支护的强度也会陡然增大。3高边坡稳定性的控制原理2/6/2023边坡稳定性分析李建中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3高边坡稳定性的控制原理2/6/2023边坡稳定性分析李建中①②③④2/6/2023边坡稳定性分析李建中

上述的分析表明，大部分的情况下，高边坡的“不稳定性”首先表现为随时间持续发展的时效变形过程，当变形量累积到一定程度，边坡才进入快速发展阶段（或加速蠕变阶段）。这个从时效变形转入加速蠕变的转折点，可以认为是潜在滑动面的强度得到最大调动的时候；这之后，潜在滑动面将出现“损伤”的非稳定的扩展，出现累进性的破坏，滑面强度迅速降低，坡体变形快速发展，最终失稳破坏。这时，潜在滑动面的强度通常是在残余点上。由此可见，高边坡稳定性不是一个简单的“强度稳定性”的概念，而是一个变形稳定性问题。这类问题用传统的极限平衡理论往往是很难评价的。实际工程中，在使用这套方法时，常常也出现这样的尴尬，就是将室内或现场试验获得的强度参数做各种认为的折减或整调，来符合所谓的“实际情况”。3高边坡稳定性的控制原理2/6/2023边坡稳定性分析李建中高边坡工程地质环境条件研究工程地质-力学模型地质结构模型岩，土，水静动力学参数岩土体结构模型及力学模型研究4.基于“变形理论”的高边坡变形过程模拟与过程控制技术

实施的技术流程2/6/2023边坡稳定性分析李建中边坡变形破坏机理概念模型的建立边坡变形破坏全过程模拟再现及概念模型的验证小变形阶段模拟（有限元模拟）非连续变形及运动过程模拟（DDA,UDEC,DEM）大变形阶段模拟（Flac）边坡失稳及灾害形成的机理模型高边坡变形破坏机制及变形稳定性分析边坡变形破坏现象调查边坡稳定性评价及预测2/6/2023边坡稳定性分析李建中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2/6/2023边坡稳定性分析李建中几个基本的原则：

（1）低开口

（2）高清坡（3）缓接坡（4）强锁头（5）紧箍脚

5.基于变形控制的岩石高边坡设计原则2/6/2023边坡稳定性分析李建中（1）低开口：边坡开口线确定的原则一方面是要考虑边坡本身的地质条件；另一方面也要考虑尽量减少对自然边坡的影响，尤其是在开口线上方存在