班達水電站中壩址區岸坡卸荷形成機制物理模擬研究

劉 東，鄧 輝，蘇 航，賴遠超，丁軍浩

(1.成都理工大學 地質災害防治與地址環境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059；2. 成都市勘察測繪研究院，四川 成都 610081)

在中國,物理模擬試驗作為一種研究方法運用于工程地質領域起始于20世紀70年代。因其具有能夠真實反映地質構造和工程結構的空間關系和力學關系,準確地模擬地質過程的演變以及試驗結果直觀等特點而受到廣泛運用。在邊坡穩定性問題上，這種方法應用最為廣泛，如石豫川[1]等通過建立邊坡模型研究了緩傾角順層邊坡的變形破壞機制；就巖爆這一工程地質問題，李天斌[2]等用大尺寸的隧洞開挖模型進行了巖爆物理模擬研究，得出了隧洞開挖過程中圍巖應力發生突變的兩種表現方式；前人也曾將這種研究方法應用在路基穩定性問題上，如馮文凱[3]等利用物理模擬研究中的底摩擦試驗方法，對在基巖斜坡上填筑路堤時所產生的幾種不均勻沉降模式及其對路面結構的影響等演變過程和力學機制進行了研究。雖然這一研究方法在工程地質問題上得到了廣泛運用，但在開挖卸荷這一問題上并不多見，人們多用數值模擬的方法對其進行研究，僅能從理論上對實際問題進行分析。但還是有少數人運用了物理模擬方法對卸荷問題進行過研究，如黃達[4]等用該方法研究了裂隙巖體卸荷變形破壞、強度及裂隙擴展演化過程；馬洪生[5]等通過開展含軟弱夾層順層巖質邊坡的靜力開挖試驗，研究了不同開挖角度對邊坡位移松弛區范圍大小的影響。但他們沒有深入地對卸荷過程中巖體的應力變化和位移變化進行分析，同時，人們運用物理模擬方法對河谷下切卸荷的研究相對來說也是極少的，本文結合河谷演化歷史，以班達水電站中壩址為原型，從實際出發，通過地質力學模型試驗研究了河谷下切使得岸坡發生卸荷變形的機理，并深入地分析了河谷下切過程中岸坡的應力變化以及位移變化，總結了岸坡卸荷的形成機制。

1 原型基本特征

本模型試驗模擬的地質原型為班達水電站的中壩址區域，其位于色汝小河口上游約0.6 km的瀾滄江河段內。壩址區河谷總體呈對稱的“V”形谷，河道順直且水流湍急，兩岸岸坡地形陡峻，多形成陡壁或陡坎，臨江坡高可達2 000 m以上，岸坡巖體主要為強度較高的英安巖，局部有角礫火山巖和凝灰巖出露。左岸岸坡自然坡角一般為50°左右，右岸岸坡2 900 m高程以下自然坡度約60°左右，2 900 m高程以上自然坡度則在35°～40°之間。喜馬拉雅構造時期以來，瀾滄江流域河流下切侵蝕作用總體十分強烈，河流上游河段及外圍區域河段形成大起伏-極大起伏的侵蝕高差。由區域資料可知及研究區附近河流階地發育情況可知，本區段流域共發生過5次地殼抬升，同時也形成了五級基座階地，其中Ⅰ級階地在該壩址區的拔河高度為9 m左右，Ⅴ級階地階地拔河高度為100 m左右，說明該流域在歷史上大致經歷了5次河谷下切卸荷過程[6-7]。壩址區兩岸可見明顯的巖體卸荷現象，岸坡卸荷以高程3 000 m左右為界線，上部巖體卸荷松弛現象明顯，如碎裂松動、崩塌、危巖體、變形體等的發育，而下部巖體則以淺表部結構面開裂為主要方式，從岸坡的淺表部到深部，其巖體卸荷程度逐漸減弱。兩岸巖體強卸荷在低高程發育較淺，發育深度一般在20 m左右，局部無強卸荷，弱卸荷帶深度30 m左右；中、高高程卸荷發育較強烈，特別是高高程部位，強卸荷帶深度可達100 m左右，弱卸荷帶深度達150 m左右。在強卸荷帶內巖體大量松動、碎裂，局部架空明顯，結構面較發育且裂隙張開度較大，一般在5～10 cm之間。兩岸順坡向傾坡外陡傾角節理呈微弱對稱，表明卸荷作用產生的新生裂隙發育不明顯，壩區卸荷裂隙多數是在原生及構造結構面基礎上進一步改造擴展或張開形成的。由于壩址區內發育的英安巖的溢流面(似層面)總體緩傾左岸，導致河谷下切卸荷過程中右岸傾坡外的結構面較左岸要發育，使得右岸卸荷現象明顯強于左岸。

2 模型試驗

本次三維地質力學物理模型試驗屬于非線性破壞試驗,需要在幾何條件、力學參數等方面滿足一定的關系,按相似原理,模型與原型之間應該滿足的主要相關系為：

Cσ=Cγ·CL

(1)

Cσ=CγCl

(2)

Cμ=Cε=Cf=1

(3)

Cσ=CE=CC=CRτ=CRC

(4)

(5)

根據該水電站壩址區河谷地形特點、岸坡地質構造特性，結合實驗場地大小及試驗目的等因素綜合考慮后，最后選定幾何相似比CL=500。確定試驗模型尺寸200 cm×20 cm×100 cm，相當于原型工程1000 m×100 m×500 m時范圍，這樣大的范圍較好地包含了坡體的邊界條件。

本次模型材料的選擇是通過單軸極限壓縮實驗和剪切實驗測定出所配巖樣的相關數據,選出最為滿足相似條件的一組巖樣，通過篩選確定的一組巖樣的材料組分和配合比見表1，表2為其對應的力學參數與地質原型的參數對比。

表1 相似材料配比 %

注：松香酒精溶液濃度為10%

表2 巖體物理力學參數

根據確定的相似材料配比，制備尺寸為20 cm×10 cm×4 cm的預制塊，雖然壩址區河谷在歷史上實際經歷5次下切卸荷，但受實驗條件的限制，結合壩址區實際情況以及試驗要求設計將模型分3次下切。參考地質原型將試塊堆砌在試驗設備中，堆載完成的模型見圖1。

在試驗過程中，需要用到特定的數據采集裝置來監測采集模型的應力、位移等一系列指標和數據，數據采集設備見圖2。主要利用千分表位移計、微型土壓力傳感器來測量、采集模型坡體不同部位的應力及位移變化。結合實驗需要，監測點的分布位置主要是在現今河谷兩岸岸坡的低高程、中高程以及高高程部位，每個高程岸坡內布置2～3個監測點，編號從1號到16號的16個監測點的位置布置見圖3。

本次模擬試驗主要考慮的荷載類型為自重力和構造力，自重以材料容重與原型容重相等來實現，水平構造力通過液壓千斤頂向模型側面的鋼板施加荷載來實現，由于在構造運動中，擠壓都是由巖體的一側傳向另一側，故本次試驗選擇單側施加水平荷載。在模型達到一定強度時，對其施加各期次相應的荷載，使其達到預定的應力狀態且穩定后方可進行下切開挖。這樣能使巖塊間擠壓密實且巖體中應力能夠連續分布，避免了因單個巖塊堆砌模型所帶來的不均勻性，能夠減小與實際巖體存在的差異；同時，巖塊間的接觸面在一定程度上也能模擬原巖中的原生結構面(如似層面)。在各期次河谷下切開挖試驗之前，對模型內部的應力以及位移監測點的原始坐標位置進行初次采集，作為模型監測點的初始位置和應力情況，用于之后的分析。模型共有3次河谷下切開挖，待前一次下切開挖引起的邊坡應力、位移及裂隙發育情況在連續數次進行數據采集時穩定不變后，方可認為某期次模型已完成“表生”改造階段的變形，再進行下期次開挖，之后重復上述過程，直至完成最后一次下切，待模型末期河谷下切即“表生”改造階段完成后，對各監測數據進行最后一次采集記錄。

3 試驗結果分析

3.1 變形破裂分析

在河谷下切中，由于原先巖體處于壓密狀態，在巖體出現臨空面時，會產生應力釋放、降低，進而發生卸荷回彈，同時也會產生破裂裂隙，河谷下切后模型岸坡巖體的變形、破裂現象見圖4、5。隨著河谷的下切，兩岸岸坡巖體產生了明顯的卸荷新生破裂裂隙，特別是坡體的淺表部破裂現象尤為明顯，而坡體深部現象較弱甚至無破裂，且岸坡右岸的破裂現象明顯較左岸的明顯，在下切過程中右岸坡表巖體相對于左岸更為為破碎，由圖4和圖5對比可知。這說明巖體的卸荷右岸要強于左岸，這與前面交代的英安巖溢流面(似層面)總體緩傾左岸，導致河谷下切卸荷過程中右岸傾坡外的結構面較左岸要發育的情況相符。

3.2 應力變化分析

河谷的下切過程為邊坡巖體卸荷提供了有利的臨空條件，為坡體向臨空面變形提供了空間，同時也破壞了坡體內部原有的應力平衡，這時坡體內部巖體必須通過應力釋放來調整應力以達到新的平衡狀態。現對模型在下切卸荷過程中兩岸坡體的內部應力作以下分析。

隨著3次下切的完成，坡體內壓力由于卸荷而產生相應的減小。從左岸測點的壓力變化曲線來看，見圖6，同一高程的測點壓力越靠近岸坡坡表，其值越小，如1、2、3號測點的壓力值依次增大，4號比5號的壓力要低；同樣的荷載條件下，靠近坡表巖體壓力下降較快，如7、8號及4、5號的測點壓力變化情況，靠近坡表的7號測點壓力在第2次及第3次下切中明顯比8號測點要降低的快，同時4號測點壓力較5號測點下降得快，說明靠近坡表巖體卸荷更為強烈；從靠近坡表在不同高程的測點1、4、7號的變化情況來看，處于高高程的7號測點的巖體內部壓力變化較處于中高程的4號測點及低高程的1號測點大，說明高程越高，其經歷的卸荷階段越長，卸荷也越為強烈；但在不同階段，壓力的下降值也不同，7號測點的壓力變化在第1次及第2次下切中比第3次的變化要大，而1號測點壓力在前兩次下切中變化不是很明顯，在第3次下切中降低的更為迅速，這與各測點在河谷岸坡中所處的相對位置不同有關。

相對于左岸來說，圖7中右岸各測點壓力變化總體上比左岸要變化幅度更大，波動較明顯。從第1次下切開始，由壓力曲線圖可以看出，壓力值整體降低，降幅一般在15 kPa左右。由于起初河谷處于寬谷期，坡面較緩，坡腳被上覆巖體壓重，卸荷作用不明顯，故應力的變化值不大。待壓力值變化幅度較為平穩后進行第2次下切，與第1次相比較，壓力變化明顯較大，卸荷時間較長，壓力迅速降低且降幅較大，一般在30～40 kPa之間，達到了第1次的兩倍有余，卸荷現象明顯增強。第3次下切過程中，各測點的壓力變化較為復雜，不是瞬間釋放很大，而是上下波動一段時間，而后總體下降一定數值并最終趨于穩定，說明卸荷并不是一蹴而成，也需要一個較長的過程，第3次下切完成后，各測點壓力趨于一個穩定的值。與左岸相同的是，高程越高，測點的壓力變化幅度越大，如在高高程15、16號兩個測點的壓力變化要比中高程的12、14號兩個測點的壓力變化大，而中高程的兩個測點壓力又比低高程的9、10、11號3個測點的壓力變化大，說明高程越高卸荷越強烈。同時，處于坡表附近的9、12、15號測點的壓力要明顯比處于對應高程坡內的測點壓力降幅大，即坡表卸荷較坡體內部強烈，不同的下切階段，各測點壓力的變化率也不同，并且增加幅度各有差異。

另外從左右兩岸對比分析來說，同一高程，兩岸相對應位置，其壓力變化也不同，右岸的壓力降幅明顯較左岸大，如高高程的7號與15號測點,其首次下切的壓力值降幅分別為10 kPa與20 kPa左右，后期降幅分別在30 kPa與40 kPa左右，且15號下切中的壓力值曲線波動較大，7號較為平穩。說明右岸的卸荷總體要比左岸的強烈一些，其變化也較為復雜，這與巖體層面總體傾向左岸有直接的關系。

3.3 位移變化分析

根據千分表位移計記錄的變化數據，繪制巖體變形量隨試驗時間的變化曲線，見圖8。本次試驗主要測量、記錄了左岸1、2、4、7號測點及右岸9、11、12、13、15號測點的變化情況，其具體的位置見圖3。

位移以從左岸向右岸方向變化為正值，則負值表示位移方向水平向左岸。從圖8分析可以看出：坡體位移總體上表現為隨時間的增加，位移量逐漸增大的趨勢，即水平構造荷載保持不變的情況下，隨著河谷的下切，兩岸坡體由于卸荷逐步有向河谷臨空方向回彈變形的趨勢，其位移逐步增大，同時邊坡位移量隨著監測儀器埋深的增加而減小，越靠近坡體表面，一般位移量越大，右岸坡頂(15號測點)位移量最大，加載穩定后可達10.5 mm。

第1次下切完成，坡體在卸荷作用下產生向臨空面的位移，由位移曲線不難看出坡體不同部位的位移變化不同，如上部測點7、15號測點的位移變化顯然要大于下部的4、12號測點及1、9號測點，上部增加最大達2.64 mm，由于處于寬谷期，且各測點基本處于下部，其整體的位移變化不是很大。在第2次下切完成后，河谷處于峽谷期，從位移曲線圖可以看出，同一高程距坡表不同距離的部位其變化也不同，靠近開挖面坡表處位移增大較快，而距坡表較遠的深處部位位移增加幅度較小，且相比與第1次開挖，部分測點位移變化量明顯要較高，曲線變化也較陡較。原因是側向加載不變，上覆巖體的減少，自重力降低，加之側向臨空面的變陡，更利于坡體向臨空方向變形，導致位移量迅速增大；最后一次下切后，從位移曲線變化來看，靠近河谷谷坡坡腳處的增量值較小，這是由于谷底應力集中，阻礙了應力釋放，而坡體中高程(4、9、12號測點)及高高程(7、15號測點)位移變化較大，可見坡體頂部要比底部卸荷變形更為強烈。

另外從左右兩岸位移變化對比分來看，其兩岸同一高程相對應位置的位移變化也不盡相同。如右岸高高程近坡表15號測點的位移變化要比左岸高高程近坡表7號測點位移變化大，中高程右岸12號測點位移大于左岸4號測點位移。表面右岸的回彈變形要明顯大于左岸，即右岸卸荷要強于左岸，尤其是在坡體上部中高程及高高程差異相對較明顯，推測這可能與壩址區內發育的英安巖溢流面(似層面)總體緩傾左岸使得河谷下切卸荷過程中右岸傾坡外的結構面較左岸要發育有關。

4 結論

a) 隨著河谷的下切，兩岸岸坡巖體產生了明顯的卸荷新生破裂裂隙，特別是坡體的淺表部部位，破裂現象尤為明顯，坡體深部現象較弱甚至無破裂，且岸坡右岸的破裂又明顯較左岸的強烈，在下切過程中右岸坡表巖體明顯較為破碎，可以聽到卸荷回彈聲響，還可見明顯的局部垮塌現象。

b) 隨著時間的推移，坡內應力總體上是減少的，符合卸荷過程的變化情況，在下切過程中，靠近坡表的測點壓力變化要比遠離坡表的測點壓力變化大，坡體上部的測點壓力要比下部的變化大，右岸各測點壓力變化總體上比左岸要變化幅度更大，波動較大。

c) 坡體位移總體上表現為隨時間的增加，位移量逐漸增大的趨勢，隨著河谷的下切，兩岸坡體由于卸荷逐步向河谷臨空方向回彈變形，其位移量呈逐步增大，同時邊坡位移量隨著監測儀器埋深的增加而減小，越靠近坡體表面，一般位移量越大，坡體頂部位移要比底部位移變化大，兩岸同一高程相對應位置，右岸位移要明顯大于左岸。