位移增量法反分析边坡结构面参数

文 豪，郭运华

（1.国电大渡河公司流域检修安装分公司，四川乐山 614900；2.武汉理工大学道桥中心，湖北武汉 430070）

0 引 言

原型监测成果的反馈分析是优化边坡支护设计、施工的第一手资料。反馈信息要求及时、准确，因此发展准确、快速的监测和反分析方法意义重大。目前，边坡变形观测方法中能在短时期获得反分析必须数据的有:（1）三角测量和精密水准测量；（2）滑坡记录仪；（3）裂缝观测；（4）多点位移监测；（5）钻孔挠度计；（6）钻孔倾斜仪等。同时发展的稳定性评价方法有定性分析、定量分析、刚体极限平衡、数值分析、非确定性分析等，并得到了大量成功的应用。

根据原型监测的前期成果，利用均匀设计的方法快速反分析边坡内部地质条件及裂隙参数，为后期优化设计提供反馈信息。

1 影响边坡变形的因素

反分析过程首先需确定引起位移变化的主要影响因素，并根据主要矛盾选择合适的反分析对象。一般来说，地质不连续面、边坡的几何形状和地下水的某种组合条件为对岩质边坡安全稳定性的最大威胁，分析过程主要考虑以下几方面。

1.1 边坡几何形状的影响

边坡几何形状主要体现为坡角、坡高及马道的设置。目前边坡设计主要采用坡比法，即根据边坡围岩分级按小于30 m坡高的设定来确定坡比，超过30 m高的边坡采用马道将边坡分割为几个边坡来考虑。实际施工开挖过程中，边坡几何形状总在不断变化中，因此边坡几何形状及其变化过程也会对边坡的变形造成直接影响。

1.2 不连续面分布及强度参数的影响

岩质边坡不连续面的产状直接影响边坡的破坏形式，受切割面控制的边坡常见有以下几类破坏形式：（1）圆弧形破坏模式主要发生在大量随机分布节理裂隙交叉切割、岩体完整性极差的情形中；（2）平面破坏模式发生在切割面顺坡向发育情形中；（3）楔体破坏模式发生在几组不连续面切割情形中。

结构面强度参数主要与贯通性、表面粗糙度及充填胶结情况有关。边坡支护灌浆作业的充填胶结对结构面C值改善明显。对于沿结构面破坏的边坡形态，结构面参数的改善对边坡稳定性提高和控制最大变形具有重要意义。

1.3 支护形式的影响

锚杆对不连续面的加固作用主要体现为增加损伤岩体的断裂韧性。预应力锚索的加固作用主要体现为主动提供的抗滑力和锚索注浆时浆液充填不连续面使不连续面的强度参数得到提高。

此外，还存在地下水的赋存状态的影响等。

2 位移增量法反演边坡结构面参数

如前所述，在查明引起边坡变形主要影响因素的前提下，利用边坡变形监测成果的某一施工过程与监测物理量之间的对应关系，可以反推边坡的结构面参数与变形规律。反演过程的关键在于准确再现边坡地质原型，尽量保证反分析解的唯一性，原理如下：

设初始范围为Ω0的岩（土）体在经历n个施工阶段后的计算域为Ωn，位移、应变和应力状态分别为un、εn、σn等（上标n表示第n个工况），现在对其进行一组新的施工作业，即进入第n+1个工况，记该组作业完成后的计算域为Ωn+1，作用在该计算域上的体力为pn+1，面力边界上的面力为tn+1。计算域Ωn+1内部当前工况的初始应力为上一工况的应力Ωn，它和作用在当前计算域上的外力pn+1、tn+1不相平衡，计算域Ωn+1将产生新的位移直至达到新的平衡态，得到一个新的平衡应力场σn+1，则有下式成立：

式中[B]为应变矩阵，[N]为形函数矩阵。

在边坡岩体力学性能、开挖支护参数确定的前提下，根据施工过程与变形增量的对应关系，可以对结构面参数进行计算求解，并确立反演的目标函数如下：

式中：（x）=（K、G、ϕ、c）；fi（x）为围岩在第i个测点量测方向上的计算相对位移值；ui为该测点量测方向上发生的相对位移实测值N为测点数。目标函数值最小时的参数取值为最接近真实岩体参数的取值。

正反分析过程需要大量计算逼近，合理的试验设计方案是提高效率的关键，均匀设计方法可以满足及时性的要求，精度也能满足工程运用。

3 工程实例

某溢洪道泄槽段沿古河道和Ⅳ级阶地边缘布置，偏靠山坡内侧。底板和边墙置于花岗岩上，边坡岩体中未发现控制边坡稳定性的断层等软弱面分布，节理裂隙5组，其中第①组N50°～70°W/NE、SW∠60°～85°裂隙组与坡面近于平行并倾坡外，当开挖形成临空面时，该组结构面与其他结构面切割组合，在局部可能产生一定规模的变形失稳。实测过程曲线、监测仪器布置及位移分布曲线如图1、图2所示。

图1 监测仪器布置与位移分布曲线示意图Fig.1 Distribution of monitoring instruments and displacement graphs

图2 实测过程曲线及施工时间关系Fig.2 Relationship between measured value and construction time

实测成果显示，底板保护层开挖引起应变突变，M6以上锚索施工完成后，裂隙1引起的位移增量明显减小，但裂隙2引起的位移增量仍继续增长，并呈现失稳态势。M6以下锚索施工完成后，变形逐步稳定。根据各监测点位移突变点的位置关系，找到两条关键裂隙产状，与前期地质调查第①组裂隙组产状吻合，因此可以判断边坡变形失稳主要由第①组裂隙引起，确定将此组裂隙力学参数ϕ作为反分析求解对象。采用锚索灌浆施工前底板保护层开挖的位移突变反分析原始结构面力学参数ϕ，边坡岩体力学参数采用现场试验值沿风化线深度方向插值获得。

表1 岩体参数现场试验值Table 1:Results of site test on rock properties

采用9组均匀试验设计方案进行正反分析，试验方案及计算结果如表2所示。

表2 计算方案及结果Table 2:Calculation scheme and results

计算结果显示第三组计算方案最接近真实值，为 25.3°～28.8°。接近现场试验结果 26°～35°的下限，与钻孔揭示的裂隙中充满浑浊水情况符合。计算位移与实测位移分布对比如表3所示。

为验证反演参数的合理性，将后续施工过程计算结果与实测结果进行对比，如表3所示。计算位移等值线图及各测点位置关系如图3所示。

图3 计算位移等值线图与测点埋设部位示意图Fig.3 Calculated displacement contour lines and embedding positions of the instruments

边坡原设计锚索布置分2部分：1 840～850 m 高程2排5×5 m1 000 kN；2 820～840 m高程3排5×5 m1 000 kN。实测图曲线显示位移加速，出现失稳迹象；利用上述反分析成果进行正分析也显示边坡不能有效控制位移，故发出预警。优化设计后增设800～820 m高程3排5×5 m1 000 kN，施工完成后位移得到有效控制，避免了位移过大可能导致856 m高程省级公路中断的危险。

4 讨 论

位移反馈分析往往在施工过程中完成，根据反馈信息优化设计要求反馈分析及时、准确。正反分析过程往往需要大量计算，采用均匀设计可以大大减少运算量，解得精度可以满足工程要求。由于正反分析往往采用位移增量法，与现场仪器埋设实测位移增量相似，可行性较高，但对解的唯一性难于保证；同时由于边坡地质情况的复杂性，模型的简化需要丰富的地质调查经验，综合模量方法对文中实例适用性受限制。同时在锚索施工灌浆普遍存在超灌的情况下，灌浆对结构面的影响不明确，因此提高反馈分析成果的精确性尚待进一步研究。

表3 计算相对位移增量值与实测相对位移增量对比Table 3:Calculated relative displacement increment and measured values

5 结 语

准确的原型调查和快速均匀设计正反分析大大提高了反分析的速度，减少了计算量，使及时提出供优化设计参考的反馈信息多了一种手段，本文采用的这一方法在工程中具有实用价值。

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