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！工程实例和一般般规律的总结可可见：开挖边坡坡由于卸荷效应应的影响，必然然会产生一定量量级的变形响应应和伴生的破裂裂现象。关键是是要认识这种变变形的性质及其其对边坡稳定性性的涵义。大量事例表明，，人工边坡在开开挖过程中的变变形破裂响应与与自然边坡在河河谷下切过程中中所发生的响应应具有相似形，，均属于“卸荷荷”响应。从变变形破坏的地质质-力学行表现上，，这种变形具有有两种基本性质质：一是“表生改造造型”的变形和和破裂：即岩质质高边坡形成过过程中，伴随边边坡的开挖，应应力释放，从而而驱动边坡岩体体产生变形和破破裂，以适应新新的平衡状态，，这个过程我们们称之为表生改改造。。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）表生生改造造区（4）应力力约束束区破坏区区时效变变形区区表生改改造区区应力约约束区区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边坡岩岩体的的“表表生改改造””和““时效效变形形”是是边坡坡稳定定性地地质-力学学行为为的两两个重重要方方面。。理论论上，，在卸卸荷条条件下下任何何高边边坡都都是在在经历历表生生改造造以后后，才才进入入后续续的时时效变变形阶阶段；；也只只有通通过时时效变变形，，潜在在滑动动面才才得以以充分分发育育并最最终贯贯穿，，从而而导致致边坡坡的最最终失失稳。。边坡经经表生生改造造进入入时效效变形形，再再由时时效变变形进进入最最终的的破坏坏阶段段，严严格说说来，，这是是任何何一个个边坡坡演化化都将将经历历的三三个阶阶段。。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)性性质质和特特点表生改改造是是与坡坡体开开挖过过程相相伴生生的地地质-力学学行为为，是是卸荷荷回弹弹性质质的变变形。。有以以下特特点：：表生改改造的的变形形与边边坡的的开挖挖卸荷荷有很很好的的对应应关系系，是是一种开开挖坡坡体由由于卸卸荷作作用产产生的的回弹弹变形形，这种变变形性性质宏宏观上上是““弹性性”的的，随随着开开挖的的进行行，卸卸荷的的过程程而产产生，，一旦旦开挖挖过程程结束束，变变形很很快就就停止止，几几乎没没有后后续的的变形形。变形的的方向向也是是指向向与临临空面面垂直直方向向的；；会产生生与变变形相相对应应的卸卸荷破破裂，，但方方向是是平行行临空空面的的。关于表表生改改造变变形表生改改造一一方面面起到到释放放坡体体应力力，促促进边边坡应应力场场形成成的作作用；；另一一方面面，这这个过过程的的发生生形成成了边边坡浅浅表部部的““卸荷荷松弛弛带””，从从而劣劣化了了岩体体的工工程地地质条条件，，主要要表现现在：：卸荷松松弛带带破坏坏了边边坡的的岩体体结构构，导导致岩岩体宏宏观强强度和和结构构面强强度的的降低低，形形成边边坡继继续变变形的的几何何和力力学边边界条条件等等。关于表表生改改造变变形有的边边坡表生改改造完完成后后，就就会处处于稳稳定状状态，，不会会产生生随时时间的的变形形，即即进入入不了了“时时效变变形””阶段段。反反映在在监测测曲线线上就就是变变形随随开挖挖过程程而发发展，，尽管管开挖挖过程程中还还可能能出现现较大大的变变形速速率（（高应应力、、快速速开挖挖情形形），，但开开挖结结束后后，位位移速速率将将迅速速降低低，并并趋于于平缓缓，两两者基基本同同步（（“同同步型型”））；边坡进进入不不了时时效变变形，，进而而也没没有整整体失失稳破破坏的的可能能。因因此，，这类类边坡坡通常常整体体是稳稳定的的。(2)条条件件那么，，什么么样的的边坡坡只产产生表表生改改造变变形呢呢？显显然识识别这这类边边坡是是很重重要的的！边坡内内没有有特定定的不不利结结构面面或结结构面面组合合！关于表表生改改造变变形三峡船船闸高高边坡坡1999.05（整体体块状状结构构岩体体的边边坡））TP21GP02测点（（右线线南坡坡15571,高程程200m）变形过过程线线（据据[28]）变形监监测情情况外观点点变形形开挖引引起的的卸荷荷-卸荷带带的划划分卸荷带带划分分的定定量研研究开挖引引起的的卸荷荷开挖引引起的的卸荷荷对于结结构相相对完完整，，由微微新的的块状状或整整体块块状岩岩体构构成的的岩石石高边边坡，，开挖挖过程程的卸卸荷变变形响响应为为：（1））边坡坡的变变形主主要受受开挖挖的影影响；；开挖挖结束束后，，变形形很快快停止止，““工后后”剩剩余变变形很很小。。这表表明，，岩体体还主主要是是弹性性介质质，变变形是是开挖挖卸荷荷所产产生的的弹性性恢复复，滞滞弹性性很小小。也也就是是说，，没有有随时时间发发生的的时效效变形形。（2））当边边坡内内不存存在对对变形形不利利的控控制性性结构构面时时，边边坡的的变形形总体体表现现出较较强的的连续续性，表现在在内观观点的的观测测曲线线上，，由坡坡面向向内部部，变变形是是逐渐渐连续续减小小的，，除了了浅表表部3-5m施工的的强烈烈扰动动区外外，内内部不不存在在变形形的““不连连续””现象象。（3））当边边坡内内存在在小规规模断断层或或长大大结构构面时时（不不构成成控制制性破破坏面面），，坡体体内部部的变变形将将会出出现相相对的的“不不连续续现象象”；；对本本案而而言，，这种种特定定的开开挖强强卸荷荷深度度约在在13-15m（直立段段开挖挖高度度约50m）范围。。认识识工程概概况岷江紫紫坪铺铺水电电站800750900进水口口边坡坡的岩岩体结结构特特征L10边坡中中下段段上游游侧L10L11变形破破裂机机理——压缩缩倾倒倒型硐脸边边坡857m便道一一带L11下部岩岩层的的倾倒倒拉裂裂缝硐脸边边坡顶顶部因因压缩缩蠕变变倾倒倒引起起的墙墙体拉拉裂现现象变形破破裂现现象MP1MP2MP3MP4引水发电洞进水口边坡监测布置图边坡变形监测MP5MIP1多点位位移计计时间间－位位移过过程线线MIP1多点位位移计计位移移－孔孔深曲曲线边坡变变形监监测认识识（1）边边坡的的变形形随着着开挖挖的进进行而而发展展，开开挖的的结束束而停停止，，两者者基本本同步步。表表明这这种变变形的的产生生主要要受开开挖卸卸荷的的影响响，是是边坡坡开挖挖过程程中，，坡体体的卸卸荷回回弹的的调整整变形形，变变形本本身具具有““弹性性性质质”。。变形形的量量级最最大50-60mm。。（2））边坡的的变形形主要要发生生在浅浅表层层0-10m的范围围内。。这个个深度度相当当于开开挖引引起边边坡的的“强强卸荷荷区””，显显然是是在正正常的的范围围之内内。（3））尽管管边坡坡中有有反倾倾向坡坡内的的软弱弱岩带带，但但是由由于倾倾向坡坡内，，并没没有对对边坡坡的整整体变变形起起到控控制作作用。。因此此，边边坡开开挖结结束后后，由由于坡坡体不不存在在继续续变形形的结结构条条件，，变形形也就就很快快停止止了。。（4））显然然，这这类边边坡只只具备备开挖挖卸荷荷过程程中发发生表表生改改造变变形(卸荷荷回弹弹变形形)的的动力力条件件，而而不具具备发发生““时效效变形形”的的结构构条件件。小湾进水口口边坡坡变形形分析析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，，变形轻轻微:总变变形量量约6mm：：0.5mm/月）协调渐渐变型型：1，12号号内观观点为为代表表，变变形表表现一一定的的连续续性和和由表表及里里的渐渐变性性。边坡变变形监监测这类变形总总体表表现为为变形形量由由坡面面向坡坡内逐逐渐变变形，，渐进进连续续变化化。表表明坡坡体的的变形形是连连续的的，没没有受受到特特定的的结构构面控控制。。总变变形量量较小小，其其量级级取决决于岩岩体的的宏观观特性性和支支护的的强度度。尽尽管12号号点变变形量量相对对较大大，但但仍在在岩体体的正正常变变形范范围内内。边坡变变形监监测浅表松松弛型型：3，6，8，10，11，，13号内观观点为为代表表。变变形具具有不不连续续性：：0-3m(个别8m)范围内内变形形相对对较大大，3-5mm/月，个个别（（局部部）达达十余余mm；；此以内内变形形量小小，总总量毫毫米级级，速速率低低，0.5-2mm/月，属属正常常变形形。边坡变变形监监测总的来来看，，这类类点所所代表表的部部位岩岩体发发生的的是浅浅表部部的正正常卸卸荷松松弛，，深度度范围围3-5m，个别8m，变形量量一般般3-5mm/月，个个别点点可达达十余余mm。。浅表部部的变变形不不受某某一明明显的的特定定结构构面控控制，，而是是形成成卸荷荷松弛弛带。。边坡变变形监监测1220m高程，，靠近近f89-1回弹错错动型型：变形在在距坡坡面一一定深深度范范围内内具有有很好好的同同步性性和一一致性性。表表明在在这个个深度度上存存在特特定的的结构构面，，控制制了其其外侧侧边坡坡在开开挖卸卸荷过过程中中的整整体回回弹变变形。。边坡变变形监监测1220m高程，，靠近近f89-1边坡变变形监监测变形方方向为为NE向，受受开挖挖临空空面控控制，，仍然然属于于回弹弹变形形，只只不过过是沿沿缓面面发生生，一一定深深度范范围内内变形形具有有同步步性、、一致致性。。边坡变变形监监测边坡经经表生生改造造进入入时效效变形形，再再由时时效变变形进进入最最终的的破坏坏阶段段，严严格说说来，，这是是任何何一个个边坡坡演化化都将将经历历的三三个阶阶段。。但是是，从从是否否具有有工程程地质质意义义的角角度来来讲，，边坡坡的演演化能能否进进入时时效变变形阶阶段，，并通通过时时效变变形进进入最最终的的破坏坏，主主要还还取决决于边边坡的的地质质结构构特征征。实实践表表明：：以下下几类类边坡坡的地地质结结构非非常有有利于于边坡坡在完完成表表生改改造后后，进进入时时效变变形阶阶段：：（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））边坡具具有由由软岩岩构成成的软软弱基基座。。（3））由近近直立立中-薄层层状岩岩层构构成的的陡边边坡(尤其其是软软岩或或有软软岩夹夹层)（4））碎裂结结构岩岩体边边坡。。（5））堆积积体（（散体体）边边坡。。关于时时效变变形: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“时效效变形形”是是在表表生改改造结结束后后，紧紧接着着发生生的一一种随随时间间逐渐渐发展展的变变形。。在这这种情情形下下，边边坡的的变形形表现现并不不伴随随开挖挖过程程的终终止而而停止止；而而是在在开挖挖结束束后，，还将将发生生持续续的变变形；；这种种变形形不完完全取取决于于“开开挖卸卸荷过过程””的影影响，，甚至至在量量级上上会超超过开开挖卸卸荷过过程中中的变变形。。更有有甚者者，开开挖过过程中中，几几乎没没有卸卸荷响响应，，而在在结束束后，，会有有很大大的变变形发发生。。表现现在变变形监监测曲曲线上上，是是“延持持型””，也就是是开挖挖结束束后，，位移移还在在继续续发展展，并并可能能保持持一定定的速速率。。小湾湾饮水水沟堆堆积体体就是是一个个典型型的实实例！！。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小湾水水电站站饮水水沟堆堆积体体变形形与灾灾害防防治2003年11月17日，饮饮水沟沟堆积积体边边坡开开始出出现异异常变变形2003年12月17日，在在堆积积体下下游侧侧缘附附近EL.1420~1480m马道间间发现现裂缝缝随后在在堆积积体上上游侧侧缘、、堆积积体上上部也也相继继发现现裂缝缝。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，，随着边坡变形的的发展，不断有新新增裂缝出现，分分布范围扩大；已已有裂缝发生不同同程度的位移，甚甚至出现延伸长度度扩展。到2004年3月31日，堆积体坡面上上EL.1245~1588m之间先后共出现约约150条裂缝。变形过程及趋势分分析2)在整个堆积体坡面面上，裂缝的空间间分布是极不均匀匀的，随着时间的的持续，新增裂缝缝的分布出现明显显的迁移特点(图3-2)。2003年12月中下旬出现的裂裂缝，数量较少、、延伸长、连通程程度高，集中分布于堆积体体上下游侧缘及其其附近。裂缝形态以纵向向裂缝为主，少量量弧形、横向、斜斜向裂缝。以剪性性或剪张性为主、、少量张性。2004年2月中上旬(2月5日~2月月17日)新增的裂缝，数量量较多、延伸相对对较短，连通程度度低，大多数分布于EL.1480m马道及其以上的堆堆积体表面。裂缝形态以横向向、斜向裂缝为主主，少量纵向裂缝缝。以张剪性或张张性为主。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)变形过程及趋势分分析2号山梁Ⅲ区表面测点位移～时时间过程曲线(1)高边坡的“稳定性性”是随边坡变形形-破坏发生、发发展的一个动态问问题。我们所看到到的只是这个“过过程”的某个具体体“片段”，而需需要的则是对这个个过程的全面了解解和掌握，尤其是是伴随这个过程，，高边坡的潜在滑滑动面是怎样孕育育和演化的。只有有从全过程上、内内部作用机理上掌掌握其变形破坏的的演变规律和滑动动面贯穿机制，才才能对其稳定性现现状和今后发展趋趋势作出合理的评评价和预测。3.高边坡的变变形稳定性及分析析评价（2）基于以上的的认识，与传统意意义上的“强度稳定性问题题”不同，高边坡稳定定性评价更应该是是一个“变形稳定性”问题。实际上，传传统的基于极限平平衡理论的“强度度稳定性”是变形形发展到累进性破破裂阶段、滑动面面基本形成后的状状态，而对绝大多多数岩石高边坡而而言，滑动面是伴伴随变形-破裂发发展而逐渐孕育的的，在变形的初期期或一定阶段，滑滑动面尚未形成，，也就不存在所谓谓传统的“强度稳稳定性”问题。因因此，岩石高边坡坡稳定性评价应该该采用“变形稳定定性分析”的途径径。3.高边坡的变变形稳定性及分析析评价3.高边坡的变变形稳定性及分析析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.高边坡的变变形稳定性及分析析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.高边坡的变变形稳定性及分析析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.高边坡的变变形稳定性及分析析评价根据以上变形稳定定性的原理，高边边坡稳定性的控制制，关键在于控制制变形；变形控制制住了，不具备进进一步发展的条件件了，滑动面的演演化就会在“孕育育”或者“发展””阶段结束，从而而进入不了最终的的累进性破坏阶段段。4.高边坡稳定定性的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.高边坡稳定定性的控制一般意义上讲，如如果边坡中没有不不利的地质结构面面，边坡只会产生生开挖卸荷引起的的“表生改造变形形”，而后就处于于稳定状态；通常常情况下，它不会会影响边坡的整体体稳定性，因此，，一般的边坡可以以不更多的考虑对对它的控制（控制起来难度也也比较大！）。但是不是所有情形形都这样呢？这关关键还要看这种““表生改造”变形形的程度和工程的的重要性。必须明确的是，这这种情形下，所采采取的边坡稳定性性控制措施是针对对浅表层的“表生生改造”变形所采采取的，不是针对对沿着特定破坏面面的“强度稳定性性”问题采取的。。两者在设计的控控制范围和控制的的工程量上应该有有本质的区别。4.高边坡稳定定性的控制工程经验表明，发发生这种变形的边边坡在地质上前提提条件是没有显著的失稳破破坏控制性结构面面，通常具有以下的的特点：（1）结构状态较较好，通常具有整整体或块状结构的的边坡；（2）反倾层状结结构边坡或近水平平层状结构边坡；；（3）含有陡裂面面，但通常产状近近直立。。。。。。。。4.高边坡稳定定性的控制当边坡中存在不利利的地质结构面，，边坡在完成“表表生改造”变形后后，将进入“时效效变形”阶段。这这种边坡具有极大大的破坏潜在风险险。对这种边坡必必须采取强有力的的变形控制措施，，否则坡体中的弱弱面可能会因为持持续的变形而逐渐渐丧失强度，反过过来又促使边坡变变形进一步发展，，变形-强度曲线线跨越了峰值，进进入累进性破坏阶阶段，坡体最终产产生整体滑移性质质的失稳破坏。对这种性质变形的的控制时机，理论论上应该是在时效效变形的初期，而而且越早越好。迟迟了，变形充分发发展，滑动面的演演化进入不可逆转转的状态，这时，，一方面留给支护护的时间缩短；另另一方面，支护的的强度也会陡然增增大。4.高边边坡稳定性性的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.高边边坡稳定性性的控制①②③④高边坡工程程地质环境境条件研究究工程地质-力学模型型地质结构模型岩，土，水水静动力学参参数岩土体结构构模型及力力学模型研研究实施的技术术流程4.高边边坡稳定性性的控制边坡变形破破坏机理概概念模型的的建立边坡变形破破坏全过程程模拟再现现及概念模型型的验证小变形阶段模拟拟（有限元模模拟）非连续变形形及运动过过程模拟（DDA,UDEC,DEM））大变形阶段模拟拟（Flac）边坡失稳及及灾害形成成的机理模模型高边坡变形破坏机制及变形稳定定性分析边坡变形破破坏现象调调查边坡稳定性性评价及预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的原则：（1）低开开口（2）高清清坡（3）缓接接坡（4）强锁锁头（5）紧箍箍脚4.高边边坡稳定性性的控制（1）低开开口：边坡开口口线确定的的原则一方方面是要考考虑边坡本本身的地质质条件；另另一方面也也要考虑尽尽量减少对对自然边坡坡的影响，，尤其是在在开口线上上方存在高高陡边坡的的情形。这这就要求边边坡在通过过合理的工工程措施能能够达到设设计安全标标准的前提提下，尽量量降低它的的开口线高高程，减小小开挖边坡坡高度，做做到对自然然边坡尽量量小的干扰扰。在允许许的情况下下，要不惜惜采用强支支护措施实实现这一点点。4.高边边坡稳定性性的控制（2）高清清坡：边坡开口口线降低后后，必然会会在其上方方保留了相相当高度的的自然高陡陡边坡。通通常这部分分边坡的问问题主要是是表层由于于强烈卸荷荷形成的松松弛岩体和和局部“危危岩体”，，他们对施施工及建筑筑物的长期期运行仍然然构成严重重威胁。对对这部分坡坡体要高度度重视，认认真“清理理”。这里里所谓“清清理”包括括以下措施施：首先是