某水电站坝肩边坡碎裂松动岩体发育特征及开挖变形响应分析

郑 达，王 宇，姚 青，李文龙

(1.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,成都 610059； 2.成都理工大学 环境与土木工程学院，成都 610059)

1 研究背景

拟建水电站位于西藏昌都境内，该地区受青藏高原持续隆升和澜沧江河谷快速下切的共同作用，致使坝址区边坡高陡、岩体卸荷强烈。岩体在强烈的卸荷回弹之后，长期受高原冻融循环和风化剥蚀作用的影响，在坝址区形成大量的碎裂松动岩体(图1)。此类岩体松动变形显著、自身稳定性差，势必严重影响该水电站的建设。而在其建设过程中，坝肩边坡碎裂松动岩体的发育特征及开挖变形响应，是本项目最为关心的工程地质问题之一。因此，本文以左坝肩边坡为例，对其碎裂松动岩体的发育特征和开挖变形响应展开研究。

图1 坝址区碎裂松动岩体Fig.1 Cataclastic loose rock mass at the dam site

岩体具有碎裂结构时，通常被定义为碎裂岩体。这种定义虽然能很好地体现碎裂岩体的结构特征，但却不能体现其变形特征，而岩体的变形特征对稳定性又有着重要的影响，为此，提出碎裂松动岩体的概念。碎裂松动岩体是指岩体受间距5～50 cm、普遍张开的密集结构面强烈切割后，加之高原冻融和风化剥蚀的综合影响，形成具有显著卸荷松弛、松动变形的散体状、碎裂状或块裂状的一类岩体。

目前有关碎裂岩体已有较多研究，如李建荣[1]、赵伟华等[2]、朱玮等[3]、Wang等[4]分别对碎裂岩体的成因机制、崩塌机理、破坏模式及稳定性进行了深入的研究，但有关碎裂松动岩体的研究却较少。已有研究中，邹俊[5]和袁勇[6]均以某拟建水电站边坡碎裂松动岩体为例，通过现场调查和数值模拟的方式，对其发育特征、变形破坏模式以及稳定性进行了研究；黄鹏等[7-8]以现场踏勘、三维激光扫描以及无人机航拍相结合的方式，获取了某水电站边坡碎裂松动岩体的发育规模和变形破坏模式，并利用数值分析对其稳定性进行了评价；苟晓峰等[9]在现场调查的基础上，分析了碎裂松动岩体的成因机制，并采用UDEC(Universal Distinct Element Code)对其稳定性进行了研究；瞿生军[10]、蔺冰[11]以及陈本龙[12]均在野外调查的基础上，对碎裂松动岩体的变形破坏模式进行了归纳和总结，并采用数值模拟对其稳定性和开挖响应进行了深入的分析。由此可见，目前对边坡碎裂松动岩体的研究不仅较少，且在为数不多的已有研究中，又以其变形破坏模式和稳定性分析的研究为主，而对其发育特征和开挖变形响应的研究相对较少，故开展关于边坡碎裂松动岩体发育特征和开挖变形响应的研究十分必要。

本文在已有研究的基础上，结合澜沧江某拟建水电站左坝肩边坡碎裂松动岩体实际情况，进行了现场调查和离散元UDEC的数值分析，揭示了该边坡碎裂松动岩体发育特征和开挖变形响应。研究成果不仅对今后边坡开挖具有指导意义，也可为此类问题的进一步研究提供参考。

2 工程地质条件

研究区地处青藏高原东南部，区域地貌为羌塘—昌都面状隆起区内横断山北段的山原峡谷地带，在新构造运动抬升和澜沧江强烈下切的共同作用下，河谷狭窄，且基本呈“V”字型对称，两岸岸坡高陡。本文的研究对象左坝肩边坡位于13#冲沟和15#冲沟之间(图2)，该区域出露的地层主要为三叠系中统竹卡组(T2z)，岩性以灰白、浅灰色略带肉红色以及深灰略带墨绿色的英安岩为主，局部为英安流纹岩和安山岩，且夹有多条陡倾状的灰黑色辉绿(玢)岩岩脉(岩墙)和煌斑岩岩脉(岩墙)。地质构造主要发育有3条小型断层(f2，f3，f4)，整体产状为N50°W/SW∠30°～32°。地下水的主要类型为赋存于松散堆积层中的孔隙水和赋存于基岩裂隙或构造破碎带中的基岩裂隙水。边坡整体平顺，仅局部出现陡壁，自然坡度约40°～65°，岸坡走向约N18°～45°W，坡向约N17°E。如图2所示，在13#冲沟和15#冲沟之间，因坡向转变，加之13#和15#冲沟切割作用的影响，使得研究区地形为三面临空的山脊，从而为边坡河谷在快速下切过程中的卸荷作用提供了有利的地形条件。

图3 PD7局部素描图Fig.3 Local sketch of footrill PD7

坡表和坡内调查发现，左坝肩边坡主要发育有3组优势结构面(J1，J2，J3)，产状依次为N5°W/SW∠80°、N80°W/NE∠75°、N55°W/SW∠10°，其中J1和J2为陡倾结构面，常见间距10～50 cm，迹长以50～200 cm为主；J3为缓倾坡外结构面，间距一般为20～50 cm，迹长多为50～150 cm。

图2 左坝肩边坡工程地质平面图Fig.2 Engineering geological plane of left dam abutment slope

3 碎裂松动岩体发育特征

根据现场地质调查、无人机航拍以及三维激光扫描结果发现，坝址区碎裂松动岩体主要分布在两岸高程为2 700～3 200 m、自然坡角为40°～65°的斜坡地带，且基本沿坡表相邻冲沟之间的山脊分布。基于上述分布特征，大致以坡表发育的冲沟为界，将坝址区发育的碎裂松动岩体划分为27个区域，各个区域的分布面积从几千m2到十余万m2不等，其中发育面积较大的区域之一为左坝肩边坡。

通过对左坝肩边坡坡表调查发现，岩体受强烈的卸荷回弹、风化剥蚀和高原冻融的综合影响后，在2 790 m高程以上形成大量的碎裂松动岩体；其上下游发育边界分别为15#冲沟和13#冲沟，高程范围约2 790～3 140 m；顺河流流向宽度约180 m，沿坝轴线方向宽度约550 m，面积约70 000 m2。为了揭示碎裂松动岩体在坡体内部的发育特征，对坝轴线附近的平硐进行了地质调查。现以PD7的调查结果为例，如图3所示，对其坡内碎裂松动岩体发育特征进行分析。该平硐内碎裂松动岩体的发育深度为35 m，其中0～10 m硐段内，受极强烈的风化卸荷影响，岩体极为破碎，块径为5 ～30 cm，松散堆积于硐壁周围，属于散体结构，由硐内木结构维持其稳定性，近坡表处含有少量泥质物。10～24 m硐段内，风化卸荷强烈，各类节理裂隙十分发育，结构面间距一般<20 cm，张开及错动显著，张开宽度多为1～5 cm，局部张开20 cm，充填物多为岩屑；受各类结构面的强烈切割后，岩体破碎，块径10 ～30 cm，属于碎裂结构。24～35 m硐段内，卸荷强烈，但风化程度较弱，各类结构面发育，粗糙起伏，间距通常为10～30 cm，张开1～5 cm，以岩屑充填为主；岩体由各类结构面切割成棱角分明的块体，属于块裂结构。上述分析表明，从坡表向坡内，碎裂松动岩体的结构特征依次为极为破碎的散体结构、破碎的碎裂结构以及较完整的块裂结构。形成这种发育特征的原因是，岩体受风化卸荷、冻融循环的影响程度随着平硐深度的增加而逐渐减弱，表现为岩体的完整性逐渐变好，即从坡表往里碎裂松动岩体的结构特征依次为散体-碎裂-块裂。

4 碎裂松动岩体划分标准

左坝肩边坡为项目建设的重要工程部位，在未来施工过程中必然要全部开挖该区域的碎裂松动岩体。因此，为了确定合理的开挖深度，在碎裂松动岩体发育特征研究成果的基础上，对其划分标准展开研究。在参考谷德振院士[13]从岩体结构的角度对碎裂岩体进行划分的基础上，考虑到研究区碎裂松动岩体的发育深度与岩体所受卸荷作用的强弱密切相关，提出从岩体结构和卸荷程度2方面对碎裂松动岩体建立划分体系。

在用岩体结构建立划分标准时，参考《水力发电工程地质勘察规范》(GB 50287—2016)[14]对碎裂岩体的划分标准，提出从碎裂松动岩体具有的岩体结构、结构面特征、结构体特征3方面建立划分标准：①从岩体结构上讲，碎裂松动岩体涵盖散体-碎裂-块裂三重岩体结构；②从结构面特征上讲，在碎裂松动岩体中Ⅱ～Ⅴ级结构面均十分发育，组数不少于3组，间距多<50 cm，以10～30 cm为主，多平直粗糙，普遍张开1～5 cm，局部张开50 cm，以岩块、岩屑充填为主，充填物密实度多为松散或中密，胶结程度差；③从结构体特征上讲，碎裂松动岩体受各类节理裂隙强烈切割后，结构体形态多呈现为棱角分明的块体状，如长方体、菱形块体以及多角形块体，常见块体直径为5～50 cm，平均密度约2 550 kg/m3。

研究区边坡卸荷极为强烈，为了更好地研究碎裂松动岩体发育深度与其卸荷程度之间的关系，提出在强卸荷带中划分极强卸荷带。极强卸荷带是指边坡卸荷松弛十分强烈的区域，带内卸荷裂隙十分发育，贯通性良好。其划分标准主要参考黄鹏[7]对极强卸荷带提出的2种划分方法，即：一种是以张开宽度>10 cm的破碎夹屑型卸荷裂隙为主；另一种是以延伸长度从几米到数十米不等的卸荷岩体分布带为主，带内岩体以散体结构为主。

通过对平硐内碎裂松动岩体发育深度和极强卸荷带深度(如图4所示)的对比分析发现，二者具有较为显著的对应关系，虽不是绝对的一一对应，但除个别平硐外，绝大多数平硐内的碎裂松动岩体发育深度与其极强卸荷带的发育深度是一致或接近的。因此，可将极强卸荷带的发育深度作为碎裂松动岩体在卸荷上的划分深度。

图4 卸荷带与碎裂松动岩体发育深度Fig.4 Histogram of the development depth of unloading zone and fractured rock mass

综上，碎裂松动岩体的划分方法为，平硐调查时，地质工程师首先从岩体结构的角度对碎裂松动岩体进行划分，获得其岩体结构上的发育深度，然后划分极强卸荷带发育深度，并将其作为碎裂松动岩体在卸荷上的发育深度。由于采用上述方法得到的2个发育深度值在某些平硐内的差异较大，若取较大值或较小值作为最终的发育深度，未来开挖碎裂松动岩体时，必然造成开挖费用增加或边坡安全储备不足。因此，最后取二者的平均值作为碎裂松动岩体的发育深度。

基于上述方法，并结合《水力发电工程地质勘察规范》(GB 50287—2016)[14]对强、弱卸荷带的划分标准，得到左坝肩边坡不同部位碎裂松动岩体、强卸荷带以及弱卸荷带的发育深度(图5)。

图5 左坝肩工程地质剖面图Fig.5 Geological engineering profile of left dam abutment

5 碎裂松动岩体边坡开挖变形响应分析

为了验证用碎裂松动岩体发育深度去指导左坝肩边坡开挖的可行性，在上述划分结果的基础上，接下来采用UDEC沿边坡碎裂松动岩体发育深度进行开挖模拟。通过对开挖碎裂松动岩体后边坡的位移场、剪切变形以及塑性区的分析，对其可行性进行评价。

5.1 模型建立与参数选取

基于工程地质剖面图(图5)，将边坡计算模型概化为4个区：碎裂松动区、强卸荷区、弱卸荷区、未卸荷区。为了模拟碎裂松动岩体结构的不规则性，采用UDEC中的voronoi多边形节理自动生成器生成上述4个区域内的各类结构面，得到如图6的边坡计算模型。

图6 边坡计算模型Fig.6 Slope model for computation

模型边界条件采用固定边界约束，令模型底边界在竖直方向(y方向)上的速度为0，即yvel=0，左右边界在水平方向(x方向)上的速度为0，即xvel=0。模型中的岩体为弹塑性材料，屈服条件服从摩尔-库伦(Mohr-Coulomb)准则，结构面服从库伦滑动准则。

根据现场及室内试验，结合工程地质类比经验，获得了左坝肩边坡岩体及结构面的物理力学参数，如表1所示。

表1 岩体及结构面物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass and structural plane

注:ρ，c，φ，K，G，Jkn，Jks分别代表密度、内聚力、内摩擦角、体积模量、剪切模量、法向刚度以及切向刚度。

5.2 边坡开挖方案设计

根据前文分析，将左坝肩边坡碎裂松动岩体的发育范围作为开挖区，即开挖的高程范围为2 800～3 140 m。此外，从剖面图(图5)可知，2 880 m高程以上岩体的卸荷程度明显大于其下部岩体，表明2 880 m高程以上岩体质量相对较差，故以2 880 m高程为界，将其上、下部边坡开挖坡比设为1∶1.5(34°)和1∶1(45°)，且每开挖10 m设置一条宽2 m的马道(图7)。

图7 边坡开挖方案Fig.7 Slope excavation scheme

5.3 边坡开挖变形响应分析

当边坡在自然工况下计算至平衡时，根据上述开挖方案进行开挖，并将计算模型中的结构体和结构面的位移清零后再进行计算，从而获得边坡开挖碎裂松动岩体后的位移场特征、塑性区分布特征以及剪切变形特征。

5.3.1 位移场特征

如图8(a)所示，边坡水平方向上的整体位移为1 cm，变形最大的区域集中在高程2 890～3 035 m之间，变形深度为2～5 m，变形量为2～8 cm。该区域变形较大的原因在于，开挖面附近仍存在少量的碎裂松动岩体，其岩体质量较差，在卸荷回弹作用下的变形相对较大。开挖面残留的碎裂松动岩体的变形量虽然明显大于附近岩体的变形量，但其最大值也仅为8 cm，且达到最大变形量(8 cm)的块体极少，零星分布，加之现有坡度(34°)较缓，因此这些岩体在后期自重应力场的作用下，仅可能发生小规模的块体失稳。如图8(b)所示，边坡竖直方向上的整体变形较小，最大变形部位在高程2 895～3 000 m之间，变形深度为1～4 m，变形量为2～8 cm，以2 cm为主，个别块体的变形量达到8 cm。

图8 边坡水平和竖直方向位移云图Fig.8 Horizontal and vertical displacements of slope

图9 边坡位移矢量图Fig.9 Displacement vectors of slope

从边坡位移矢量图(图9)来看，开挖面附近岩体位移方向整体指向临空面，表明岩体因开挖卸荷发生了回弹变形，卸荷回弹变形较大的区域主要集中在高程2 900～3 040 m之间，变形深度1～6 m，回弹变形值以1.5～6.0 cm为主，局部块体达到8.5 cm。

5.3.2 塑性区特征

边坡岩体受卸荷回弹产生的拉应力作用，在开挖面附近形成塑性变形区，如图10(a)所示。为了更为直观地反映边坡的塑性变形区，将图10(a)中发生塑性变形的块体简化为图10(b)所示。由图10(b)可知，边坡塑性变形深度较大的部位在高程2 900～3 000 m之间，分析其原因是该范围内残留的碎裂松动岩体相对较多，导致塑性变形深度较大。此外，边坡塑性变形区虽然分布于整个开挖面附近，但并未完全贯通，且塑性变形的深度又仅以2～4 m为主，因此边坡整体稳定性较好，仅局部岩体可能发生小规模的失稳破坏。

图10 边坡原始及简化塑性变形Fig.10 Original and simplified plastic deformation of slope

5.3.3 剪切变形特征

如图11所示，发生剪切变形的区域主要集中在开挖面附近残留的碎裂松动岩体内，高程范围为2 860～3 070 m，剪切变形量为8.7 mm ～8.7 cm，变形深度为1～3 m。边坡岩体的剪切滑移面主要沿已有结构面断续发育，并未相互连接贯通，因此不会出现大规模的剪切滑移失稳。但值得注意的是，位于高程2 920 m处的个别块体，沿已有结构面的剪切滑移变形量已达到8.7 cm，在后期自重沿滑面向下的分力作用下，加之临空条件良好，可能发生小规模的块体失稳，因此在坡体开挖后，应当防止2 860 m高程以上开挖面附近岩体发生小规模的块体失稳。

图11 边坡剪切变形Fig.11 Shear deformation of slope

综上所述，开挖碎裂松动岩体后，边坡整体稳定性较好，仅在高程为2 860～3 000 m的部位可能出现小规模的块体失稳，说明用碎裂松动岩体的发育深度去指导边坡开挖具有可操作性。

6 结 论

本文以澜沧江某水电站左坝肩边坡为研究对象，采用现场调查和数值模拟相结合的方式，对碎裂松动岩体的发育特征和开挖变形响应进行了研究，得到如下认识:

(1)从坡表向坡内，随着深度的增加，碎裂松动岩体的结构特征依次为散体结构、碎裂结构以及块裂结构。

(2)关于碎裂松动岩体的划分，首先应从岩体结构的角度出发，划分出平硐内具有散体-碎裂-块裂结构的岩体，再结合结构面和结构体的发育特征，获得其岩体结构上的发育深度；然后进行卸荷带的划分，并将极强卸荷带深度作为其卸荷上的发育深度；最后取碎裂松动岩体在岩体结构和卸荷2个方面发育深度的平均值作为其最终的发育深度。

(3)通过UDEC模拟发现，开挖碎裂松动岩体后，边坡整体稳定性较好，说明划分碎裂松动岩体能较好地为工程边坡开挖提供参考，具有重要的工程经济价值。因此，对左坝肩边坡开挖的建议方案为，沿碎裂松动岩体发育深度进行开挖，坡比设计以2 880 m高程为界，其上下部坡比分别为1∶1.5和1∶1；开挖后应重点关注位于高程为2 860～3 000 m开挖面附近的岩体，防止该部位发生小规模的块体失稳。