韧性剪切带和蚀变岩体对边坡开挖稳定性的影响

(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，四川 成都 610059； 2.成都市勘察测绘研究院，四川 成都 610081)

岩质高边坡的稳定性分析是岩土工程中经典的研究课题。在我国西南地区，地形地貌和地质条件都非常复杂，常伴随有边坡高陡、坡型复杂、边坡应力环境复杂、地应力量级高等特点[1-2]。岩质高边坡的大规模开挖从力学本质上讲是一个卸荷过程[3]，卸荷后必然会引起边坡内部应力的重分布，从而产生一系列复杂的岩石力学和边坡稳定性问题，在工程实践和理论研究中都备受关注。国内外专家对此类问题进行了许多研究，研究方法多集中在工程地质分析、数值模拟[4-8]、物理模拟试验[9-11]、监测跟踪[12-13]、灰色理论[14]等方面。这些研究方法经过多年的不断发展和完善，已为工程所用，但仍有一些不足之处：如物理和数值模拟多不能充分全面考虑到岩体的结构特征及外界因素的影响[15]；监测跟踪多由于边坡高度较小而达不到相应的研究深度[16]，且往往局限于某一个时间段或边坡的某一个部位[17]。

拟建的澜沧江班达水电站天然高边坡坡高达600 m，中坝址右岸坝肩边坡开挖高度约为300 m，此外还发育有数条韧性剪切带和强蚀变带，使得边坡的地质条件更加复杂，边坡开挖后剪切带和蚀变带会对边坡稳定性产生怎样的影响是值得研究的课题。本文结合边坡的工程地质条件，并充分考虑边坡岩体的物理力学参数，利用FLAC3D对高边坡进行分级开挖，展现了边坡开挖的变形破坏全过程，期望能为该水电站的工程建设提供指导性意见。

1 工程概况

班达水电站位于西藏昌都地区察雅县境和左贡县境内，是澜沧江上游水电规划推荐7级开发方案中的第4级。本文研究区为中坝址的右岸岸坡，岩性主体为英安岩，岸坡自然地形坡度为30°～45°，水库正常蓄水位3 054 m，河谷宽400～440 m。研究区主要发育有Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级裂隙结构面，可分为3组：① N43°～69°W/SW∠60°～80°，连通率70%；② N22°～40°W/SW∠65°～80°，连通率60%；③ N35°～65°W/SW∠40°～55°，连通率60%。此外，在坝址区主要发育两条韧性剪切带和多条蚀变带，且蚀变带多分布于剪切带内。中坝址右岸工程地质剖面见图1。

图1 中坝址右岸工程地质剖面Fig.1 Engineering geological section map of theright bank of the middle dam site

2 韧性剪切带和蚀变岩体发育特征

2.1 韧性剪切带发育特征

坝址区内共存在两条韧性剪切带(①、②)，由糜棱化英安岩组成，肉眼可直接辨别，呈条带状分布。剪切带总体产状为180°～210°∠60°～80°，宽50～130 m，其中韧性剪切带①在坝轴线上游约200 m处分成两条(①-1、①-2)，剪切带内岩体片理化、糜棱化现象明显，如图2所示。

韧性剪切带为地壳深部构造活动的产物，形成于高温、高压环境，在地壳活动挤压力或剪切力的作用下产生韧性变形，形成糜棱岩及糜棱面理。剪切带本不存在破裂面，但由于后期地壳升降运动使剪切带抬升至地表或近地表，使其遭受风化和卸荷作用。最终剪切带内岩体性状主要表现为：弱风化及微风化带内岩体，糜棱面理裂隙发育较少；强卸荷带内岩体糜棱面理裂隙较为发育，张开较明显，岩体较为破碎，表现出明显的黄白色破碎带、片理化带，且倾倒折断现象明显，如图3所示。

2.2 蚀变岩体发育特征

蚀变岩体的发育与构造带有关，具有一定的规模，主要呈条带状分布，形成蚀变带。坝址区主要发育有4条强蚀变带(SB1,SB2,SB3,SB4)，分布于2 900～3 200 m高程段的韧性剪切带中，延伸走向与韧性剪切带近一致，如图4所示。蚀变主要表现为剪切带内糜棱化英安岩的绢云母化和高岭土化。

坝址区蚀变岩体发生了变形作用，在出露地表或近地表，受地表水和地下水的强烈影响，形成大量黏土类矿物，呈灰白色或浅黄色，局部呈褐黄色，强度较低，结构松散，遇水易膨胀并发生崩解，手捏易碎，如图5所示。

图2 糜棱化英安岩面理特征Fig.2 The facial characteristics of mylonitic dacite

图3 片理化英安岩倾倒折断现象Fig.3 Phenomenon of toppling and breaking of schist andesite

图4 韧性剪切带内发育的带状蚀变Fig.4 Zonal alteration in ductile shear zone

图5 蚀变岩体遇水崩解特征Fig.5 Characteristics of water-induced disintegrationof altered rock mass

3 韧性剪切带和蚀变岩体对高边坡开挖稳定性的影响

3.1 模型建立

三维有限差分程序FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continue)是一个仿真计算软件，它采用显示拉格朗日算法和“混合离散”分区技术，从而能够准确地模拟材料的塑性破坏。经过多年的不断发展和完善， FLAC3D能够较好地模拟三维土体、岩体或其他材料的力学特性，尤其是达到屈服极限时的塑性流变特性，目前广泛应用于边坡稳定性评价、隧道工程、矿山工程等多个领域。

根据野外现场调查，结合室内资料得到中坝址右岸边坡的空间展布特征，由边坡空间展布建立三维地质模型，如图6所示。模型最高高程为3 520 m，最低高程为2 800 m，顺河流方向(X轴方向)长900 m，垂直于河流向(Y轴方向)宽900 m；两条大规模韧性剪切带贯穿整个模型，且其中发育多个蚀变带，岩性较差。

图6 中坝址右岸边坡计算模型Fig.6 The calculation model of right bankslope of the middle dam site

3.2 参数选取及本构模型

岩体参数的正确选取是边坡稳定性分析的关键[18]。根据某研究院的试验结果及平硐调查的裂隙发育情况，参考GB50287-2008《水利水电工程地质勘察规范》，在对边坡进行卸荷分带和岩体质量分级基础上，将抗剪参数以连通率折减来综合确定各类岩体参数，具体如表1所示。

本文模型计算的本构模型为莫尔-库伦模型，其计算基础为莫尔-库伦破坏准则，并将莫尔-库伦强度线作为屈服线，其破坏准则方程为[19]

(1)

式中,σ1为最大主应力；σ3为最小主应力；C为凝聚力；φ为内摩擦角。

表1 岩体物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of rock mass

3.3 开挖模拟及检测线的布置

开挖前先形成初始应力场。鉴于该地区地应力的复杂性，本文采用戴荣等[20]提出的快速应力边界法(S-B法)来形成初始应力。该方法的思路是在初始应力场的生成过程中，数值模型不设速度边界条件，仅在模型表面根据地应力场的分布情况施加应力边界条件并保持恒定，在模型边界施加的应力通过模型内部单元节点向模型内部传播，使得表面的应力分布向模型内部扩散，直至达到平衡。平衡后将所有节点的速度清零，再施加边界条件，即固定模型前后左右边界平面上所有节点的速度，模型表面为自由面，然后便进行模型开挖。为接近于工程实际情况，边坡采用三级开挖，并采用分级开挖的方式进行，一级开挖底面高程为3 150 m，二级开挖底面高程3 020 m，三级开挖底面高程2 960 m。模型的开挖通过Delete命令删除开挖体来完成，每级开挖后形成多个小台阶和一个开挖平台。

为分析韧性剪切带和蚀变岩体对开挖边坡的应力场影响，在坝肩边坡剖面(A-A′剖面)沿三级开挖底面高程布置3条应力监测线，以监测各级开挖稳定后边坡内部和开挖平台上应力场的分布特征，监测线布置见图7。

3.4 计算结果分析

本文计算采用三维地质模型，为了说明边坡内部因开挖产生的应力场变化和变形破坏过程，在三维模型计算完成之后，以坝肩边坡剖面(A-A′剖面)为例对计算结果进行分析，坝肩边坡的开挖稳定性也是水电站开挖建设中所研究的重点。

3.4.1应力场分析

图8为A-A′ 剖面3 150 m高程(一级开挖后平台)监测线上各单元最大主应力和最小主应力图，图8～10中负值代表压应力，正值代表拉应力。从图8中可以看出，该监测线揭露了韧性剪切带②和蚀变带SB3，剪切带和蚀变带内的应力与周围岩体不同，表现为应力松弛，而在剪切带和蚀变带与周围岩体的交界处呈应力集中。在该开挖平台上，一级开挖后韧性剪切带和蚀变带内的最大主应力和最小主应力相比于自然边坡都有一定的降低， 其中最大主应力下降了约0.5 MPa，最小主应力下降了约0.3 MPa。而在二级和三级开挖后，最大主应力和最小主应力虽也有所降低，但降低幅度相比于一级开挖来说较小。边坡浅表部受开挖影响产生应力释放，影响范围在开挖面下部向坡内水平深度150 m内，超出这一深度应力逐渐恢复到原岩应力状态。

图9为A-A′剖面3 020 m高程(二级开挖后平台)监测线上各单元最大和最小主应力图。从图中可以看出：该监测线揭露了剪切带②、蚀变带SB3和剪切带①-2，此时埋深较大的剪切带②和蚀变带SB3内应力松弛现象更加显著，而近地表的剪切带①-2内应力松弛现象不明显。一级开挖对剪切带①-2内的最大主应力和最小主应力的影响较小，二级开挖以后带内最大主应力降低近于零，最小主应力由压应力变为拉应力，推测是因为二级开挖量较大而产生应力释放和卸荷回弹造成。在此监测线上剪切带②和蚀变带SB3的埋深较大，因此开挖对带内应力产生的影响较小。

图10为A-A′剖面2 960 m高程(三级开挖后平台)监测线上各单元最大和最小主应力图。从图中可以看出：该监测线揭露了剪切带②、蚀变带SB3和剪切带①-1、①-2，随着埋深的增加，剪切带和蚀变带内的应力松弛现象更明显，且剪切带和蚀变带与周围正常岩体部位的应力集中现象也更加显著。剪切带①-2内最小主应力随埋深的增加也重新转变为压应力，从而证明了二级开挖后在此带的浅地表内产生的拉应力是由于开挖产生的卸荷回弹造成。

3.4.2塑性区分析

图11(a)为自然边坡A-A′剖面塑性区分布状态图。由图可知，天然状态下，边坡主要表现为剪切变形破坏，集中分布于边坡中上部强卸荷带以及蚀变岩体中，并未贯通至前缘，表明边坡在天然状态下整体稳定性较好，以局部变形破坏为主。强卸荷韧性剪切带部分区域出现破坏区，变形破坏主要以“压-剪破坏”为主，此外，蚀变带分布区剪切破坏明显，在接近地表处局部出现张拉破坏现象。

图11(b)为A-A′剖面一级开挖的塑性区分布状态图。由图可知，一级开挖后，揭露了韧性剪切带②和蚀变带SB3，坡体新产生的剪切破坏区域很少，无拉张破坏区域，因此一级开挖对边坡整体稳定无较大影响。

图11(c)为A-A′剖面二级开挖的塑性区分布状态图。由图可知，二级开挖后，坡体中上部沿强卸荷底界剪切破坏程度加大，且塑性变形区已经在一级开挖平台附近完全贯通，说明此时坡体极易从此处剪出失稳。此外，二级开挖还揭露了韧性剪切带①-2，在带中接近开挖平台部位出现了大量张拉破坏，这与应力场分析的结果一致，上述应力场分析中已经证明这是由于二级开挖量较大，开挖后应力释放并产生明显卸荷回弹造成。

图8 A-A′剖面3150m高程(一级开挖后平台)监测线上各单元最大主应力和最小主应力Fig.8 Maximum and minimum principal stress diagram of each unit of A-A′ sectionon the monitoring line of 3150m elevation (after the first stage excavation platform)

图9 A-A′剖面3020m高程(二级开挖后平台)监测线上各单元最大主应力和最小主应力Fig.9 Maximum and minimum principal stress diagram of each unit of A-A′ section onthe monitoring line of 3020m elevation (after the second stage excavation platform)

图10 A-A′剖面2960m高程(三级开挖后平台)监测线上各单元最大主应力和最小主应力Fig.10 Maximum and minimum principal stress diagram of each unit of A-A′ sectionon the monitoring line of 2960m elevation (after the third stage excavation platform)

图11(d)为A-A′剖面三级开挖的塑性区分布状态图。由图可知，三级开挖后，中上部岩体破坏程度与二级开挖相比并未发生明显变化，仅在各级开挖平台附近出现新的剪切破坏，无新的张拉破坏产生，表明三级开挖对边坡的整体稳定影响不大。

3.5 边坡开挖变形破坏机制

边坡在天然状态下会沿着强卸荷面发生剪切变形，在坡表可能也会发生局部崩落现象。此外，由于韧性剪切带和强蚀变带岩体质软，且倾向坡内，在上部正常岩体的挤压下易发生变形，从而使上部岩体的浅表层在重力作用下发生倾倒变形，但边坡总体上能保持稳定，不会发生整体失稳破坏。一级开挖后，对边坡整体来说是一个后缘减载的过程，一方面减小了坡体的自重，另一方面也削弱了倾倒变形的破坏趋势，又一级开挖量较小，并未使控制性结构面临空，后缘无新的拉张或剪切破坏产生，因此一级开挖对边坡整体来说反而有利。二级开挖后，开挖量较大，引起强烈的卸荷回弹，使坡表由压应力转变为拉应力，产生张拉破坏，更重要的是开挖使控制性结构面临空，若不采取支护措施，边坡极易从高高程的韧性剪切带和蚀变带出露地段剪出，发生整体失稳破坏。

图11 A-A′剖面各级开挖塑性区分布Fig.11 Plastic zone distribution of excavation at all levels of A-A′ section

4 结 论

(1) 韧性剪切带和蚀变带由于较周围正常岩体质软，与正常岩体相比，其应力呈现明显的变化，主要表现为韧性剪切带和蚀变带内岩体应力松弛，且埋深越大，带内应力松弛约显著，韧性剪切带和蚀变带与正常岩体交界处有应力集中，在边坡开挖后，可作为坡体失稳的控制条件。

(2) 本文采用FLAC3D模拟了边坡在天然和三次开挖条件的稳定性。边坡在天然状态下较稳定，虽韧性剪切带和蚀变带的存在对坡体的应力场有较大的影响，但受周围正常岩体的限制，对自然边坡的稳定性不起控制性作用。一级开挖对边坡整体来说是一个后缘减载过程，从某种角度来说有利于边坡整体稳定性；而二级开挖量较大，坡体卸荷回弹明显，且开挖揭露了韧性剪切带②、韧性剪切带①-2以及蚀变带SB3，破坏区域已经在一级开挖平台附近完全贯通，使坡体易从此处剪出发生整体失稳，因此，一级开挖后，应对此段岩体进行强支护才能进行二级开挖。本次研究成果可为工程设计和施工提供参考。