陡倾硬质岩边坡倾倒变形数值模拟与分析

阮天宇， 陈志坚

(河海大学地球科学与工程学院， 南京 211100)

0 引言

倾倒变形是反倾边坡普遍存在的一种变形破坏方式，变形时除了结构面发生错动外，边坡上部岩体向临空方向的一侧产生明显的弯曲变形[1]，岩板产生折断，也称“点头哈腰”现象[2]。倾倒变形广泛存在于公路铁路、水利水电及露天采矿等工程边坡中，对边坡工程建设和人们的生产生活造成了严重的危害[3-5]。调查研究表明，倾倒变形多见于软硬互层状岩体[6-8]。但近年来一些边坡工程实例表明，当岩体中发育的优势结构面陡倾时，岩体被切割成陡立的岩板。当边坡坡面与陡倾结构面近平行时，坡面上呈陡立分布的岩板在自重、开挖卸荷、地下水动静水压力、地震等动载荷的作用下，容易产生以弯曲、折断为特征的倾倒变形[9-10]，并可进一步沿岩板折断面发生滑塌破坏。虽然这种倾倒变形发育的深度通常不大，但由于硬质岩容易形成高陡边坡，因此将会产生危害巨大的高位危岩体问题(图1)。

图1 倾倒变形产生的高位危岩体Figure 1 Toppling deformation caused raised instable rock mass

本文采用地质分析、3DEC数值模拟与边坡监测相结合的方法，分析连云港东疏港高速公路路堑边坡在开挖过程中的倾倒变形特征与破坏机理，并结合不同工况进一步分析边坡加固效果。

1 工程地质条件

连云港东疏港高速公路采用明挖方式横穿中云台山，并在高速公路两侧形成高陡岩质边坡[11]，总体走向为52.5°～232.5°。边坡岩体由岩性单一、性质坚硬的变粒岩组成，仅在边坡中部夹有一层厚度小于2m的绿泥石片岩。边坡岩体主要发育两组控制性裂隙：①NE向，产状为32°/NW、SE∠74°～90°；②NW向，产状为312°/SW、NE∠83°。当与坡面近平行的裂隙倾向坡内时，陡倾岩板向临空方向弯曲折断，此时边坡的结构类型为陡倾反向坡，“点头哈腰”型倾倒变形普遍发育。

天然边坡的调查结果表明，天然边坡的地形特征及坡度总体上受到陡倾角裂隙控制，边坡陡峻。边坡岩体坚硬完整，陡倾角裂隙将岩体切割成板状，绿泥石片岩呈现稀疏的夹层状分布。由于绿泥石夹层易风化，因此夹层上覆的板状岩体会失去下部支撑，并在重力作用下发生弯曲变形，岩板间的裂隙逐渐扩张，从而表现为上宽下窄的形态。另外降雨入渗形成的动静水压力作用于岩板上，使得倾倒变形进一步加剧，直到岩板发生折断。当外侧岩板发生倾倒折断甚至滚落后，内侧岩板由于失去约束而相继产生倾倒变形，从而形成阶梯状折断面(图2)。

图2 边坡144m平台中部的岩板倾倒折断面Figure 2 Slope 144m platform middle part rock slabtoppled fracture surface

在边坡开挖条件下，岩体释放内部储存的弹性势能，并向临空方向发生回弹变形，导致陡倾裂隙张开，雨水入渗增强。软弱片岩在进行坡面清渣时易被超挖，导致其上覆的岩板约束减弱甚至失去支撑，并且开挖形成的临空面为边坡发生倾倒变形提供了良好的边界条件，所以卸荷倾倒变形是该路堑边坡主要的破坏方式。因此这种倾倒变形既可以产生于天然边坡，也可以产生于人工开挖边坡。

2 边坡倾倒变形的离散元模拟与分析

基于离散元法的3DEC模拟软件能够定义和处理大量的结构面，并且允许块体发生位移、转动甚至互相分离。根据边坡的工程地质特征，采用离散元法来分析连云港东疏港高速公路路堑边坡的倾倒变形问题是十分合适的。

2.1 计算模型及边界条件

根据现场地质调查和勘查报告建立天然边坡模型，模型的长和宽分别为500m和250m，顶部高程为200m，底面高程假定为-50m，并根据风化程度由表及里共分为三层(图3)。由于该边坡控制性结构面条数多、组数多并且局部节理裂隙较为发育，精确建模难度大，因此该模型进行了一定的简化，主要对陡倾反向结构面和绿泥石片岩夹层两侧的结构面进行模拟，并适当弱化岩体力学参数以体现其他结构面对边坡岩体的影响，岩体及结构面力学参数根据勘查资料和工程经验选取，见表1、表2。通过FISH语言在边坡模型中创建地下水面，并将地下水面以下的岩土体设置为饱和密度。模型采用对水平四个方向(x方向和y方向)和底面(z方向)的位移约束，数值计算采用摩尔—库伦(Mohr-Coulomb)屈服条件的弹塑性模型，模型网格采用不同的尺寸划分不同风化层的岩体单元。

图3 天然边坡三维网格模型Figure 3 Natural slope 3D mesh model

表1 边坡岩体力学参数

表2 边坡控制性结构面力学参数

2.2 边坡开挖数值模拟结果与分析

该路堑边坡在实际施工中分为二十级台阶逐级开挖，因此对天然边坡模型进行二十级逐级开挖模拟，各阶段的模拟结果见图4。

开挖初期，边坡开挖的方量小，岩体的卸荷量和回弹变形也较小，并且开挖坡高小于40m，因此硬质岩边坡整体的倾倒变形并不明显(图4a)。

随着边坡的不断开挖，岩体的卸荷量逐渐增大，岩体内部的弹性势能得以释放，卸荷回弹强烈，同时随着坡高逐渐增加，岩体向临空方向的水平位移不断增大，其中12级台阶处(当前开挖阶段的边坡坡脚)岩体的位移最大(图4b)。

开挖中期，岩体卸荷量和边坡坡高进一步增加，倾倒变形剪切错动从边坡表层开始向深部发展。岩板沿陡倾结构面互相错动和蠕滑变形，并在重力弯矩的作用下向临空方向弯曲变形，形成“台阶状”倾倒变形带。另外绿泥石片岩夹层性质软弱，随着边坡的开挖该软弱夹层贯通边坡上部岩体并且具有底滑面的性质，在重力的作用下岩板深部沿软弱夹层发生滑移，边坡上部岩体向临空方向的倾倒变形进一步发展(图4c)。

开挖后期，倾倒变形剪切错动向边坡深部扩展，岩板深部的折断破裂面将逐渐发育并与后缘拉裂面贯通，此时边坡具有滑坡的特征(图4d、图4e)。

图4 开挖过程中边坡倾倒变形数值模拟Figure 4 Slope toppling deformation numerical simulation during excavation process

2.3 不同工况下边坡的倾倒变形特征

由于该路堑边坡开挖高度超过200m，开挖方量超过7 000万m3，边坡在开挖后将会产生严重的回弹变形， 因此该边坡在实际开挖过程中采用锚杆进行适时支护。为了方便数值模拟，边坡模型采用全坡面锚杆支护，每级台阶支护的起点和终点根据开挖面边界来确定(图5)。选取无支护开挖工况和适时支护开挖工况来模拟开挖后边坡的倾倒变形情况，并分析边坡加固效果。

图5 全坡面锚杆支护示意图Figure 5 Schematic diagram of entire slope anchor bolt support

在无支护开挖工况下，边坡中上部出现“台阶状”倾倒变形带。开挖面附近的岩体Y(临空)方向位移呈现先增大后减小的分布特征(图6)。这是由于越靠近坡脚(包括各级台阶的坡脚)岩体的完整性越好，风化程度越小，开挖时产生的卸荷回弹量越大，同时坡脚处约束作用也越强。随着边坡开挖，坡体内部应力调整，最外侧岩板受到的约束作用减弱，坡脚处岩体在重力和上部岩板的推力作用下产生滑移破坏，倾倒变形始于坡脚(图7)。

图6 边坡Y方向位移云图Figure 6 Slope Y displacement nephogram

图7 坡脚倾倒变形示意图Figure 7 Schematic diagram of slope toe toppling deformation

在适时支护开挖工况下，边坡上部岩体的倾倒变形特征和位移分布规律与无支护开挖工况类似，但是边坡Y(临空)方向的位移已经明显减小(图8)。这是由于锚杆加大了陡倾岩板间的错动阻力，起到阻止岩板互相滑动的作用，从而抑制了倾倒变形的发展。由于边坡上部岩体倾倒变形的强度减弱，坡脚处岩体的滑移也减小(图9)。

图8 边坡Y方向位移云图Figure 8 Slope Y displacement nephogram

图9 支护后坡脚倾倒变形示意图Figure 9 Schematic diagram of slope toe topplingdeformation after support

3 边坡监测数据分析

为确保运营期安全，预防地质灾害的发生，该路堑边坡建立了安全监测系统，其中包括边坡内部水平位移监测。起于建设期，止于2019年10月，监测结果表明，该路堑边坡仍存在一定的向高速公路路面的水平位移。其中2018—2019年度边坡内部水平位移监测数据表明(图10，其中A方向为临空方向)，本年度边坡内部向临空方向的水平位移持续增长，水平位移量从边坡表层向深部逐渐减小，说明该边坡倾倒变形问题突出，未见收敛趋势。坡岩体在临空方向的水平位移呈现先增大后减小的分布特征，符合数值模拟的位移分布规律。

图10 2018—2019年度边坡内部水平位移观测结果Figure 10 Slope internal horizontal displacement observed results during 2018～2019

4 结论

1)地质分析、3DEC数值模拟与边坡监测数据表明，当硬质岩边坡被陡倾结构面切割成陡立的岩板时，在自重、开挖卸荷作用、地下水压力等因素影响下，岩板也可以发生倾倒变形。

2)在人工开挖卸荷条件下，边坡坡高与卸荷量持续增加，岩体内部弹性势能迅速释放，为边坡倾倒变形提供了良好的发育条件。

3)倾倒变形始于坡脚，越靠近坡脚的岩体卸荷量越大，并且越靠近坡脚约束作用越强。

4)锚杆加大了岩板间的错动阻力，阻止岩板互相滑动，有明显的加固效果，边坡倾倒变形的程度减小。

5)目前该边坡倾倒变形问题突出，边坡仍存在向临空方向持续增长的水平位移。