卸荷条件下高边坡大规模开挖的“地质-力学”响应研究——以西藏如美水电站右坝肩为例

王 俊，赵建军, 瞿生军, 廖芸婧, 汪 果, 樊 奇(.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 60059；.江苏省工程勘测研究院有限责任公司，江苏 扬州 5000；.国网四川省电力公司宜宾电公司，四川 宜宾 644000)

岩石高边坡已经不是一个新的课题，但在我国西南地区，由于其地形地貌和地质条件十分复杂，常伴随着高地应力、陡坡角等特点，决定了边坡大规模开挖之后必然引发一系列复杂的边坡稳定性[1]及岩石力学问题[2]。拟建的西藏如美水电站[3]天然高边坡达1000m左右，右坝肩边坡开挖高度约700m，对边坡开挖后出现的卸荷变形、破坏及变形破坏模式等问题进行深入研究对于保证边坡长期稳定性具有重要的现实意义。

边坡开挖所造成的岩体变形破坏现象及特征，在理论研究和工程实践中都极受关注，国内外专家对此类研究也极多，包括神经网络模型[4]、监测数据[5]和物理模拟试验等[6～7]。Underwood等、Quigley对于基坑开挖后岩石的侧向变形在文[8]中得到了相应的印证；Sembenelli经过研究则认为其为“二次位移”现象[9]。目前常用来分析高边坡变形的监测数据，多仅仅局限于高边坡的某一个部位或者是某一个时间段[10～11]，且监测数据较为繁琐、不直观。采用数值模拟分析边坡开挖之后变形的研究[12～13]虽然比较多，但多不能真实地反映边坡岩体的结构，不考虑过多的外界因素。

本文通过对西藏如美水电站地表、平硐的详细调查，获得了岩体结构特征、岩体质量及岩体物理力学参数，采用结构面网络模型模拟边坡，分四级开挖对700m深卸荷边坡变形进行分析，再现了边坡开挖变形响应的全过程，对类似的工程高边坡及岩质边坡具有指导意义及参考、实用价值。

1 开挖边坡地质原型

开挖边坡位于西藏芒康县如美镇如美水电站右岸坝肩，地形整体较为陡峻，高程2 680 m以下由于河谷深切，基本上呈陡壁，坡度达70°；2 680～3 050 m高程之间地形较陡，自然坡度达45°；3 050 m高程以上坡度稍缓，在35°左右。

右坝肩开挖边坡河谷走向为SN，开口线最高高程为3 240 m，坝顶高程2 902 m。开挖边坡总高程约700 m，坝顶高程以下为临时边坡，高约315 m，坝顶至开口线最高高程为永久边坡，高约338 m。临时边坡坡比在2 810～2 902 m高程段为1∶1.4，2 810 m高程以下为1∶0.9。永久边坡2 902～3 240 m原始地形坡度为30°，梯级坡比为1∶0.5，每15 m设置3 m宽马道，每60 m设置一个6 m宽马道，综合坡比1∶0.7。

开挖边坡主要岩性为三叠系的英安岩，岩质坚硬，发育煌斑岩脉，结构面发育，尤其是浅表层的碎裂岩体。由于河谷的深切作用，边坡卸荷极为发育且水平深度较深，在高程较高处达200 m左右，边坡为典型的深卸荷高边坡。

开挖边坡卸荷裂隙以陡倾为主，总体产状N48°～87°W/SW∠80°、N66°W/NE∠81°。另外发育两组优势结构面，一组陡倾，其产状为N54°W/NE∠76°；一组缓倾，近似流层面，产状为N10°E/SE∠22°。边坡开挖的工程地质平面图及剖面图见图1、图2(A-A’剖面)。

2 开挖边坡卸荷特征及平硐变形现象

2.1 开挖边坡卸荷特征

早期河谷的间歇性快速下切，使河谷岸坡应力场产生新的调整，伴随这一过程岩体结构产生一系列新的变化。其结果是在河谷岸坡一定深度范围内，形成类似于地下硐室围岩“松动圈”的岸坡卸荷带。根据平硐现场调查和已有资料分析，发现右坝肩边坡岩体存在大量的卸荷变形破裂现象，且变形破裂特征较为复杂。

图3所示，在PD2平硐23 m处，发育一沿陡倾结构面C3(N50°W/SW∠88°)最宽约20 cm的上宽下窄型张性裂隙，碎裂的块石在开挖扰动下堆积填充在裂隙的底部。破裂面平直光滑，充填碎石到块石，结构疏松。在PDZ42平硐179.5 m处，发育一沿陡倾结构面C52(N60°W/NE∠84°)最宽约50 cm的张性裂隙。

边坡地处深切峡谷地段，开挖边坡所处河谷深切，相对高差达700 m以上，岩体卸荷作用总体上表现得较为强烈，且岩体卸荷带随高程增大分布越深。根据平硐内的卸荷裂隙发育深度的统计，得出开挖边坡不同高程(2 700 m、2 800 m、2 900 m、3 000 m)卸荷分带平切图(图4)，可以明显发现边坡的卸荷分布特征：

(1)山脊和沟谷处的卸荷深度表现不同。山脊处卸荷明显大于沟谷处卸荷。中、高高程山脊处的强卸荷深度深达200多米，弱卸荷有的也深达150 m；而沟谷处一般强卸荷特征不明显或较浅，约20多米，以弱卸荷为主，深度在100 m范围以内。

(2)山脊和沟谷处的卸荷变形破裂方式有所不同。由平硐的卸荷变形现象分析，在山脊部位的近坡表，其卸荷特征主要表现为陡倾结构面的宽张与中缓倾结构面压剪破裂的组合，向内则主要表现为沿陡倾结构面的张裂变形。沟谷部位强卸荷发育极浅或不发育。

图1 右坝肩边坡工程地质平面图Fig.1 Engineering geological map of the right dam abutment slope

图2 右坝肩边坡A-A’工程地质剖面图Fig.2 Engineering geological section along A-A’ of the right abutment slope

图3 典型卸荷现象Fig.3 Typical unloading phenomenon

(3)随高程增加，卸荷的强度和深度有所增大。

(4)在中、高高程平硐中，强卸荷段较发育，一般大于100 m。但强卸荷以后，弱卸荷段普遍较短，且裂隙的张开度明显减小，主要以微张为主，弱卸荷段的范围一般不超过50 m。该硐深以里，卸荷不再发育。

图4 边坡卸荷分布平切图Fig.4 Unloading flat distribution map of the slope

2.2 开挖边坡典型平硐变形现象

平硐PDZ10中，洞外变形较为明显的硐段为强卸荷带。60～62 m硐段因卸荷产生宽大张裂，岩体内部产生裂隙，松动岩体向外运动。由于重力作用，产生压剪变形，逐步形成了大部分张开、局部闭合的陡缓相接的阶梯状裂隙(图5)。

图5 典型变形现象Fig.5 Typical deformation phenomenon

3 卸荷条件下大规模开挖响应离散元模拟

3.1 边坡模型的建立

右岸坝肩边坡大规模开挖响应的模拟主要选取坝轴线剖面，即图2的边坡工程地质剖面。对边坡结构面进行数理统计，利用蒙特卡罗原理建立边坡随机网络模型，模型尺寸1 200 m×1 100 m，边坡最低高程2 540 m，最高高程3 640 m。模拟中考虑了卸荷，将岩体质量划分为四级，最终建立了概化模型(图6)。

图6 右坝肩边坡岩体结构模型Fig.6 Rock mass structure model of the right dam abutment slope

3.2 开挖模拟的方案及计算参数选取

边坡开挖规模巨大，共分为四级：第一级从开口线开挖至EL3 040 m，该高程为坝顶以上高程；第二级从开口线开挖至EL2 092 m，该高程为坝顶高程；第三级从EL2 902开挖至EL2 810 m，该高程内坡比为1∶1.4，为坝顶高程以下；第四级从EL2 810 m开挖至EL2 587 m，该高程内坡比为1∶0.9，开挖至河谷。为了研究边坡开挖后的变形响应，且更清晰地反映开挖部位与变形之间的关系，对四级开挖逐步进行。

计算时，为分析开挖响应，在天然工况计算基础上，将位移和速度清零。第一级开挖清除天然计算阶段的位移和速度，其后的开挖则不需要重置模型的位移和速度。

模型边界采用位移固定法，通过结合勘测设计研究院、室内试验数据及GSI岩体物理力学参数建议取值，并参考《水利水电工程地质勘察规范(GB 50287—2008)》，最终综合确定右岸坝肩边坡模型计算的岩体物理力学参数和结构面力学参数，见表1～2。

表1 岩体物理力学参数取值Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass

表2 不同结构面力学参数取值Table 2 Mechanical parameters of different structural planes

3.3 基于模拟结果的开挖响应分析

边坡开挖至EL3 040 m时，边坡位移变化见图 7(a)。从图中可以看到，边坡在开挖之后，EL3 040～EL3 340 m处靠近开挖面的浅表部岩体产生了约8 mm的变形，变形以断层为后缘边界，沿着缓倾坡外卸荷结构面向临空面方向产生剪切变形。EL2 840～EL3 040 m的坡表碎裂岩体由于受到上部岩体开挖卸荷的影响且岩体极破碎，产生约2 cm的变形，大于上部岩体变形。开挖高程以下EL2 840～EL3 040 m部位由于失去上部被开挖岩体的锁固作用，向坡外产生变形，变形由高高程向低高程传递，越往下部受开挖影响越小。开挖高程以上的岩体，由于失去被开挖岩体的支挡作用，首先在开挖面产生变形并逐渐向上部延伸扩展。

当边坡开挖至EL2 902 m时，边坡位移变化见图 7(b)。从边坡X方向位移云图可以发现，边坡开挖至EL2 902 m，由于开挖范围较广、方量和规模较大，产生了坡度约50°的临空面，此临空条件对整个开挖面岩体及上部岩体的影响很大，变形最大的位于开挖下部的一部分碎裂岩体，位移达25 cm，开挖面岩体产生10 cm左右的变形，开挖上部岩体也产生了约6 cm的变形。前缘缓倾坡内的长大裂隙密集发育，受到开挖扰动的影响，产生约10 cm的变形。从边坡开挖位移的变化可以看出，边坡变形都受控于结构面，所形成的潜在滑面都是以陡倾结构面为后缘，以缓倾角结构面为底滑面。

当边坡开挖至EL2 810 m时，边坡位移变化见图 7(c)。可以看出，随着开挖级数的增加，边坡水平向变形也在增加，其X方向最大位移达到0.3 m。

当边坡开挖至EL2 587 m时，边坡位移变化见图 7(d)。由于开挖将表层碎裂岩体全部挖除，EL2 640～EL2 810 m岩体基本没有变形。开挖导致裸露的岩体产生一定的松动，变形继续增加，变形位移量在0.25～0.3 m，边坡最终开挖完X方向累积最大变形达0.5 m，位于开口线之上，Y方向垂直变形如图8所示。

3.4 边坡开挖变形响应机制分析

卸荷环境下，大规模开挖是边坡变形的主控因素。通过边坡不同高程开挖的全过程模拟，可以看出边坡变形响应机制较为复杂，总体表现为以下几点：

(1)开挖对浅表层强卸荷岩体影响最大，其引起的变形主要以横向位移为主，这是由开挖后岩体应力重分布决定的。

(2)开挖引起的累积位移模式为向上传递、在后缘累积。

(3)从四级分布开挖来看，岩体在断层、卸荷发育的附近表现出较大的竖向沉降与侧向位移，表明边坡开挖后以浅表部及深部“滑移-拉裂”响应的地质-力学为主导环境。

4 结论

(1)右坝肩开挖边坡总体变形较大，尤其在卸荷极为发育的表层，分布开挖变形位移分别达1.6 cm、0.2 m、0.25 m和0.5 m，深部岩体变形量在0.1 m左右。

(2)数值模拟过程表明，卸荷条件下的高边坡大规模开挖之后，边坡所产生的变形响应一般分为三个阶段：变形急速增长阶段，在初始开挖时期，由于卸荷回弹作用，在开挖面上下500 m范围，所影响的范围极大；变形较为缓慢的阶段，开挖面下部变形较小甚至基本没有，上部延伸约20 m左右，基本处于变形稳定阶段。

(3)开挖是边坡产生较大变形的最主要因素之一，开挖面及其上下浅表部岩体宏观上表现为卸荷回弹，松动变形且变形较大。开挖全部结束与开始开挖相比，变形很快处于稳定阶段，越接近开挖结束，剩余变形就越小。其现象表明边坡可看成弹性介质，边坡变形是开挖之后造成的弹性恢复，弹性恢复滞后极小。

(4)模拟结果表明，对于岩质坚硬的卸荷高边坡，开挖之后主要变形以侧向(X方向)为主，开挖同一部位，侧向位移明显大于垂直位移。但开挖边坡以上的变形应特别注意，尤其在卸荷极为发育的条件下，其变形往往极大，容易影响下部安全。

(5)通过对高边坡全过程的开挖模拟，提出了高边坡大规模开挖之后的变形性质(机制)，即卸荷条件下总体以浅表层卸荷松弛为主，边坡变形与开挖表现极为同步，最终由于开挖面的远离，边坡变形逐渐趋于稳定。

图7 边坡开挖变形位移图Fig.7 Deformation displacement diagram of slope excavation

图8 EL2 587 m边坡开挖变形垂向位移图Fig.8 Vertical displacement diagram of the excavation deformation of the EL2 587 m slope