岩石高边坡变形稳定性及其控制

大型高边坡开挖的变形破裂响与稳定性控制

黄润秋

成都理工大学地质灾害防治国家专业实验室二00五年三月提纲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?，仰或两者的关系？）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！工程实例和一般规律的总结可见：开挖边坡由于卸荷效应的影响，必然会产生一定量级的变形响应和伴生的破裂现象。关键是要认识这种变形的性质及其对边坡稳定性的涵义。

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，伴随边坡的开挖，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”。2.开挖高边坡变形破裂响应的动力学模式

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。2.开挖高边坡变形破裂响应的动力学模式（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2.开挖高边坡变形破裂响应的动力学模式

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。

2.开挖高边坡变形破裂响应的动力学模式(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。

关于表生改造变形

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！关于表生改造变形三峡船闸高边坡1999.05（整体块状结构岩体的边坡）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开挖引起的卸荷-卸荷带的划分卸荷带划分的定量研究开挖引起的卸荷开挖引起的卸荷

对于结构相对完整，由微新的块状或整体块状岩体构成的岩石高边坡，开挖过程的卸荷变形响应为：（1）边坡的变形主要受开挖的影响；开挖结束后，变形很快停止，“工后”剩余变形很小。这表明，岩体还主要是弹性介质，变形是开挖卸荷所产生的弹性恢复，滞弹性很小。也就是说，没有随时间发生的时效变形。（2）当边坡内不存在对变形不利的控制性结构面时，边坡的变形总体表现出较强的连续性，表现在内观点的观测曲线上，由坡面向内部，变形是逐渐连续减小的，除了浅表部3-5m施工的强烈扰动区外，内部不存在变形的“不连续”现象。（3）当边坡内存在小规模断层或长大结构面时（不构成控制性破坏面），坡体内部的变形将会出现相对的“不连续现象”；对本案而言，这种特定的开挖强卸荷深度约在13-15m（直立段开挖高度约50m）范围。

认识工程概况岷江紫坪铺水电站800750900进水口边坡的岩体结构特征L10边坡中下段上游侧L10L11变形破裂机理—压缩倾倒型硐脸边坡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。小湾进水口边坡变形分析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

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

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。边坡变形监测1220m高程，靠近f89-1边坡变形监测变形方向为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。但是，从是否具有工程地质意义的角度来讲，边坡的演化能否进入时效变形阶段，并通过时效变形进入最终的破坏，主要还取决于边坡的地质结构特征。实践表明：以下几类边坡的地质结构非常有利于边坡在完成表生改造后，进入时效变形阶段：

（1）边坡内具有倾向坡外的缓倾角结构面，且倾角与残余摩擦角接近。（2）边坡具有由软岩构成的软弱基座。（3）由近直立中-薄层状岩层构成的陡边坡(尤其是软岩或有软岩夹层)（4）碎裂结构岩体边坡。（5）堆积体（散体）边坡。关于时效变形:2.开挖高边坡变形破裂响应的动力学模式“时效变形”是在表生改造结束后，紧接着发生的一种随时间逐渐发展的变形。在这种情形下，边坡的变形表现并不伴随开挖过程的终止而停止；而是在开挖结束后，还将发生持续的变形；这种变形不完全取决于“开挖卸荷过程”的影响，甚至在量级上会超过开挖卸荷过程中的变形。更有甚者，开挖过程中，几乎没有卸荷响应，而在结束后，会有很大的变形发生。表现在变形监测曲线上，是“延持型”，也就是开挖结束后，位移还在继续发展，并可能保持一定的速率。小湾饮水沟堆积体就是一个典型的实例！。

2.开挖高边坡变形破裂响应的动力学模式小湾水电站饮水沟堆积体变形与灾害防治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)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。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号山梁Ⅲ区表面测点位移～时间过程曲线(1)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。3.高边坡的变形稳定性及分析评价

（2）基于以上的认识，与传统意义上的“强度稳定性问题”不同，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。3.高边坡的变形稳定性及分析评价

3.高边坡的变形稳定性及分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.高边坡的变形稳定性及分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.高边坡的变形稳定性及分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.高边坡的变形稳定性及分析评价

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。

4.高边坡稳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.高边坡稳定性的控制一般意义上讲，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。

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。

4.高边坡稳定性的控制工程经验表明，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。。。。。。。。4.高边坡稳定性的控制

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。4.高边坡稳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.高边坡稳定性的控制①②③④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实施的技术流程4.高边坡稳定性的控制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则：

（1）低开口（2）高清坡（3）缓接坡（4）强锁头（5）紧箍脚

4.高边坡稳定性的控制（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高陡边坡的情形。这就要求边坡在通过合理的工程措施能够达到设计安全标准的前提下，尽量降低它的开口线高程，减小开挖边坡高度，做到对自然边坡尽量小的干扰。在允许的情况下，要不惜采用强支护措施实现这一点。

4.高边坡稳定性的控制

（2）高清坡：边坡开口线降低后，必然会在其上方保留了相当高度的自然高陡边坡。通常这部分边坡的问题主要是表层由于强烈卸荷形成的松弛岩体和局部“危岩体”，他们对施工及建筑物的长期运行仍然构成严重威胁。对这部分坡体要高度重视，认真“清理”。这里