某庫岸開挖邊坡卸荷巖體分析評價方法研究

白亞妮，胡習文，毛振凱，袁秋霜，陳興周

(1.西安科技大學 建筑與土木工程學院,西安 710054；2.中國葛洲壩集團股份有限公司,武漢 430000；3.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

深切峽谷中陡峻巖質邊坡的開挖，是中大型電站建設過程中不可避免的工程問題；且庫區原生陡傾巖坡多數具有復雜的坡體結構及易于伴隨工程活動產生卸荷變形的應力滲流環境。工程開挖與庫水蓄泄是誘導開挖邊坡發生變形甚或產生坍塌失穩的主要因素，結合岸坡結構與場區環境研究涉水巖質岸坡的變形破壞特征，可為工程設計優化及風險防范提供參考。陡高岸坡的開挖活動是誘導岸坡發生應力釋放與形成開挖卸荷巖體及誘發卸荷擾動區裂隙網絡貫通的根本因素。與河流潛蝕過程滋生的岸坡自然卸荷變形相比，工程建設導致的岸坡開挖卸荷巖體往往具有應力釋放迅速、原生結構破壞顯著且變形短時間突出的顯著特點,即開挖卸荷巖體與緊鄰岸坡原巖既存在結構性差異，更存在力學參數衰減特征，是岸坡非特殊滑面之外所需支護的重點對象，也是防范庫水蓄泄過程產生滲透潛蝕作用的核心區域。關注岸坡開挖卸荷巖體的衍生機理及分析評價方法，既是合理評估開挖卸荷巖體范圍及其穩定性研究所要解決的核心問題，也是實現預測開挖巖坡變形規律及服務工程設計的有效途徑。因此，有必要結合庫岸邊坡結構與賦存環境及初擬開挖設計方案，開展岸坡開挖卸荷巖體分析評價方法及其在場區環境或工程活動干擾下長期力學特性與變形破壞機理方面的研究工作。

國內學者哈秋舲[1]于1997年首次提出了“卸荷巖體力學”概念，在此之前，工程開挖巖體問題的研究多數基于加載巖體力學理論，所得結論與工程實際觀測結果很不一致。此后，諸多學者基于卸荷巖體力學理念，開展了多因素復合作用下巖體開挖卸荷變形機理及分析方面的研究工作。張永興[2]提出了卸荷巖體力學分析方法—變剛度迭代法，通過取不同卸荷區域巖體力學參數有效模擬了巖體卸荷非線性特征。李建林等[3]通過室內試驗研究了卸荷巖體的應力應變關系及變形參數隨卸荷階段的變化規律。周濟芳等[4]研究得到隨著卸荷量的增大，巖體的宏觀力學參數衰減，巖體質量不斷劣化的規律，為卸荷巖體力學特性的進一步深入研究提供了依據。劉泉聲等[5]通過對高應力條件下花崗巖進行卸荷試驗，得出卸荷過程中巖石橫向變形劇烈、擴容顯著，變形參數損傷劣化的規律與初始圍壓相關等結論。王興霞等[6]應用卸荷巖體理論計算得到開挖邊坡水平位移值是常規算法所得位移值的2～4倍，驗證了邊坡巖體工程采用卸荷巖體力學理論更符合工程實踐情況。柏俊磊等[7]通過三維有限元模擬考慮巖體開挖卸荷作用的影響，對比分析了邊坡模型的應力應變過程及塑性區變化范圍。胡田飛等[8]以偏應力增量為主要評判指標，依托數值分析法確定了邊坡開挖松弛區范圍。劉爽等[9]基于巖體損傷力學理論，構建了考慮巖體材料非均勻性和損傷特性的邊坡分步開挖卸荷數值計算模型，并通過案例分析給出了開挖過程中松弛區范圍及松弛程度。陳興周等[10]指出依據邊坡巖體的卸荷量級對卸荷擾動巖體進行分區，并根據卸荷巖體分區結果提出加固及相應的支護方案。李寧等[11]提出邊坡潛在滑動面力學參數最小取值準則，為有效進行邊坡初始場巖體力學參數的遴選提供了思路。

本文采用室內試驗和數值仿真研究方法，以對象邊坡巖體為試樣載體，開展室內常規三軸壓縮及三軸卸荷試驗；對比加載與卸荷過程中試樣應力-應變曲線變化規律，獲取試樣卸荷量級與彈性模量降低百分比之間的相關性，為后續數值分析中巖體變形參數的確定提供參考；構建邊坡分級開挖數值計算模型，依托地勘報告和數值計算結果開展初始場參數細化及遴選工作，并依據應力卸荷量開展開挖松弛區域劃分與對應巖體力學參數取值及本構模型適應性對比；同時考慮支護設計及庫水影響下巖體變形穩定問題，為岸坡開挖卸荷巖體分析評價提供參考。

1 室內卸荷試驗

1.1 試驗方案

結合地勘報告和工程類比手段，并參考GB/T 50266-2013《工程巖體試驗方法標準》規范要求，將砂巖制備成50 mm×100 mm(直徑×高度)的標準圓柱體巖樣，表面無明顯可見節理，整體完整性較好。為減小試驗結果的離散性，對巖樣進行了縱波波速測定，并剔除結果異常的巖樣，選定巖樣如圖1所示。

圖1 試驗巖樣

采用巖石THMC多場耦合三軸流變測試系統，針對試驗巖樣分別開展不同圍壓下(8、12、16 MPa)的三軸壓縮及三軸卸荷試驗。綜合實際工程坡體開挖強度及三軸壓縮試驗結果，選取不同圍壓下三軸峰值抗壓強度的70 %作為卸荷試驗的軸向應力水平；并從邊坡開挖過程巖體應力環境入手，三軸卸荷試驗的應力路徑最終選定為恒軸壓卸圍壓。

1.2 變形參數特征分析

依據室內試驗結果，繪制了8、12、16 MPa圍壓下常規三軸壓縮及三軸卸荷試驗的應力-應變關系曲線，如圖2所示。

圖2 不同應力路徑下應力-應變關系曲線

三軸壓縮試驗結果表明，隨著初始圍壓的增加，巖樣的峰值抗壓強度逐漸增大，主要因圍壓對試樣環向變形約束越大，對新生微裂隙發育的抑制作用、對原有微裂隙擴展的束縛作用越明顯，故承載能力有所增強。卸荷試驗結果表明，不同圍壓下卸圍壓過程中試樣環向應變增長迅速；圍壓越高，卸荷過程中環向變形越大。究其原因在于模擬開挖方式的同等卸荷速率條件下，試樣初期應力環境越高，卸荷過程中應力釋放量級越大，類似于為試樣環向承受拉剪作用提供了更大荷載，從而導致了試樣環向微裂隙的迅速滋生、擴展、貫通。因此，試樣卸荷破壞主要因環向擴容顯著所致，加載破壞主要因軸向壓縮變形較大所致。

依據三軸卸荷試驗結果可知，初始圍壓水平一致時，試樣彈性模量隨卸荷量的增加而減小，且隨著卸荷量級的增大，彈性模量降低百分比增量急劇增加，主要因圍壓卸載引起試樣強烈的卸荷回彈變形及沿卸荷方向張性擴容，進而導致力學性質劣化。

不同初始圍壓下卸荷量與試樣彈性模量降低百分比關系見表1。當卸荷量小于40 %時，彈性模量降低約5 %以內；卸荷量在40 %至80 %，彈性模量削減量在5%～14%；大于80 %時，由于巖樣環向擴容顯著、變形急劇增加，處于結構性破壞狀態，內部裂隙貫通，試樣的力學性質大幅度劣化，彈性模量降低約60 %。

表1 不同初始圍壓下卸荷量與彈性模量降低百分比關系

結合表1試驗參數特征，針對邊坡分步開挖計算模型，以圍壓卸荷量為60 %和巖樣接近破碎時所對應的彈性模量削減百分比作為初步參考值，以模擬邊坡分步開挖過程中產生的不同卸荷松弛影響區域對巖體力學參數的影響，實現邊坡開挖過程中變形參數的遴選匹配。

2 模型構建與參數遴選

2.1 模型構建

依據工程地質剖面圖構建邊坡分級開挖模型，模型總高度為150 m，寬度290 m，坡頂至坡腳采用臺階式放坡開挖，共分5級開挖。采用生死單元算法模擬邊坡分步開挖，選取四節點四邊形單元進行網格劃分，共劃分為12036個單元、12212個節點，其中坡面網格劃分密集，遠離坡面的區域劃分相對稀疏，并在坡面和坡體間采用過渡單元，以減小計算結果產生的誤差。

模型底部為固端約束，兩側為水平約束，坡面為自由邊界，允許其發生變形；整個計算過程只考慮坡體自重作用，忽略構造應力和外部載荷的影響。本構模型采用理想彈-塑性模型，屈服準則選取Mohr-Coulomb準則和Drucker-Prager準則對比分析。

數值計算模型及監測點布置如圖3所示。為了更加直觀反映隨邊坡分步開挖，卸荷效應對坡體變形的影響，沿坡面從上至下布置4個監測點，編號依次為1～4號。主要選取位于第四級邊坡中部的監測點3號為例進行數值計算結果討論。

圖3 數值計算模型及監測點布置

2.2 參數遴選

巖體力學參數的選取極大的影響數值計算結果，也是決定計算結果是否符合工程實踐的關鍵因素。本文主要依托已構建的邊坡初始場模型，以李寧等[11]提出的潛在滑動面力學參數最小取值原則為思路及地勘報告所建議的巖體力學參數范圍為參考進行試算。計算結果分析如下。

圖4為初始場應力矢量分布圖。由圖4可知，坡面附近最大主應力方向與坡表近于平行，最小主應力與坡面近于垂直。隨邊坡深度的增加，任一點最大、最小主應力增大且方向互相近于垂直，即深處巖體應力分布近似處于靜水壓力狀態。

圖4 初始場應力矢量分布

圖5為初始場剪應變等值線圖。自然環境下邊坡坡體表面巖體風化剝蝕較為嚴重，故剪應變較大值主要集中在坡面中上部和坡腳位置處，此時剪應變區域尚未貫通，坡體深處剪應變值較小；自然狀態下經過長期的地質構造作用，邊坡處于穩定狀態。

圖5 初始場剪應變等值線 單位：%

結合初始場應力應變試算結果，以地勘報告巖體參數范圍為參考，遴選確定出基本吻合對象邊坡的巖體力學參數，如表2所示。

表2 Mohr-Coulumb準則下試算確定的初始參數

為探討不同本構模型對開挖卸荷巖體的適用性，采用關聯法則推導出與M-C準則匹配的D-P準則參數計算公式，如下所示：

(1)

(2)

公式(1)～(2)中：k、α為材料常數；c為黏聚力, MPa；φ為內摩擦角,(°)。

依據表2所得參數，利用公式(1)和公式(2)，計算得出Drucker-Prager準則等效參數，如表3所示。

表3 Drucker-Prager準則下的等效參數

2.3 邊坡開挖卸荷分區試算

邊坡在長期地質構造作用下處于穩定狀態，工程開挖擾動造成坡體局部巖體應力釋放，應力發生重分布，臨近坡表巖體逐漸向臨空面移動、發生變形及破裂，隨著分步開挖的進行，其變形破裂程度由開挖面向坡內逐級遞減，巖體的力學性質也由于應力釋放量不同而發生不同程度的劣化[12]。由于邊坡開挖的進程導致坡體不同區域卸荷程度不斷變化，即巖體的卸荷模擬應該是一個不斷調整的動態過程；因而在數值分析中，需根據邊坡開挖卸荷擾動程度，對應將坡體不同卸荷區域取與之對應的巖體力學參數，以實現吻合工程開挖實際情況。

室內三軸卸荷試驗結果表明，試樣彈性模量隨圍壓卸荷量的增加而折減，說明卸荷量與開挖巖體的力學性質有一定聯系。參考王瑞紅等[13]研究提出的通過比較開挖前后應力場變化，將降低比值相同的區域劃分為巖體同一開挖卸荷帶思想，即利用應力卸荷量構建考慮巖體開挖卸荷應力松弛效應的數值計算模型。

假設開挖前邊坡巖體所受應力為σa，開挖后的應力為σb，則應力變化百分比Δσ表示為：

(3)

通過公式(3)可將應力變化百分比相同的區域劃分為同一開挖卸荷帶，根據應力變化值從高到低將邊坡巖體劃分為強卸荷區、弱卸荷區和原巖區。

依據室內試驗所得變形參數特征，對應取應力變化百分比為50 %和10 %作為依據劃分出強、弱卸荷區域。針對強、弱卸荷區域巖體彈性模量分別降低50 %和10 %，主要依托有限元分析軟件內置方法實現邊坡開挖對強弱卸荷影響區內材料參數的動態折減，以模擬邊坡開挖卸荷過程，使其更加吻合工程開挖實際情況。

3 邊坡開挖卸荷數值計算結果分析

3.1 分步開挖進程應力應變分析

(1)位移分析

工程巖體隨開挖卸荷進程損傷逐漸累積，近坡面處巖體由于應力釋放，不斷滋生微小裂隙，且張開微裂隙不斷形成、擴張，直至最后貫通，巖體破碎，承載力下降。圖6為開挖過程卸荷分區后水平位移凈增量變化圖，由圖可知，水平位移增量較大值主要分布在近坡面中下部，坡腳位移增量最大；主要因巖體的風化程度隨埋深的增加而減小，巖層穩定性逐漸向好，故遠離開挖面位移增量較小。靠近坡面中下部位移等值線連續，而靠近邊坡開挖第一級臺階處，等值線出現明顯變化，主要因巖層交界面處巖體性質差異較大導致。

圖6 水平位移凈增量變化 單位：m

室內卸荷條件下，巖樣破壞形式通常為形成貫通的剪切破裂帶，此時，剪應變可反映巖體破壞程度。圖7為開挖完成后坡體剪應變等值線圖。由于對巖體力學參數按卸荷擾動程度的不同進行了折減，靠近坡面為強卸荷區域，故開挖完成后邊坡表面變形影響范圍增大。較初始場剪應變分布圖，開挖面附近剪應變等值線幾近貫通，且主要在坡頂、坡面中下部分布較為集中，為張拉破壞；坡腳剪應變分布最為密集，且數值較大，為壓剪破壞。

圖7 開挖完成后剪應變等值線 單位：%

圖8為監測點3號隨開挖水平位移凈增量圖，從第2步開始進行第一臺階坡體開挖，水平位移增量隨分級開挖呈增長趨勢；12步開始開挖第四級臺階，故越靠近開挖面，擾動程度越大，位移增量越顯著。綜合分析，工程開挖中采用考慮卸荷松弛效應對巖體力學參數進行動態調整的計算方法，所得結果對優化工程設計和風險防范更具有參考意義。

圖8 監測點3號隨邊坡開挖水平位移凈增量

(2)應力分析

隨邊坡分級開挖，初始場應力受到擾動，距開挖面距離不同，應力釋放量不同。因只考慮自重應力的影響，故上覆巖體的開挖，使第三主應力總體呈下降趨勢。

監測點3號第三主應力變化趨勢如圖9所示。開挖級數越多，開挖面附近應力變化越明顯，卸荷松弛效應也更加顯著，第三主應力減小；巖體開挖卸荷回彈導致局部坡體開挖面附近產生拉應力，即第14步開挖以后，巖體應力由壓應力轉為拉應力狀態，應力值為負。依據室內卸荷試驗，可知巖體的承載力下降，脆性特征增加，從側面反映了邊坡抗滑力隨工程開挖不斷減小，邊坡整體穩定性下降

圖9 監測點3號隨邊坡開挖第三主應力變化

3.2 巖體開挖下M-C與D-P準則結果分析

Mohr-Coulomb屈服準則能較好地描述巖土材料的強度特性，在巖土工程領域得到了廣泛的應用，但計算時忽略了中間主應力對破壞面的影響，且其屈服面在π平面上為不等角六邊形，存在尖頂和棱角，數值計算存在一定困難。Drucker-Prager準則屈服面在π平面上為圓形，表述簡單且數值計算效率高[14]。針對其各自的優缺點，通過對比邊坡開挖卸荷下選用兩種屈服準則的計算結果，驗證摩爾匹配D-P準則在邊坡開挖工程中的適用性。

圖10為兩種屈服準則下監測點3號水平位移凈增量對比圖。圖10表明，D-P準則計算得到的位移增量普遍略大于M-C準則的計算結果，主要由于摩爾匹配D-P準則屈服面為M-C屈服面的內切圓，計算時低估了材料的抗屈服能力，因此屈服區較大，且不存在尖頂處數值計算問題，故計算結果略大。圖11為兩種屈服準則下計算迭代次數對比。D-P準則較M-C準則總迭代次數略多，各步迭代次數分散更加均勻，收斂更快。對于數值分析而言，屈服準則表述越簡單，計算越易收斂，計算時間越短。結果表明，選用D-P屈服準則計算時間為26 s，選用M-C準則計算時間為55 s，時間縮短至一半，但結果相差不大。綜合分析，說明摩爾匹配D-P準則具有一定的可信度，在數值模擬邊坡開挖卸荷分析中，根據實際需求可采用D-P屈服準則，提高計算效率。

圖10 兩種屈服準則下監測點3號水平位移凈增量對比

圖11 兩種屈服準則下計算迭代次數對比

4 開挖支護與蓄水下數值計算結果

結合邊坡分步開挖劃分的卸荷帶區域，對邊坡巖體采用錨桿和錨索聯合支護。圖12為開挖支護前后監測點3號水平位移凈增量對比圖，由圖可知，邊坡巖體僅開挖下變形趨勢最顯著，隨分級開挖的進行變形迅速增大；對邊坡巖體邊開挖邊進行支護，因加固措施改變了邊坡開挖應力場，減小了其卸荷量，故水平位移凈增量有所減小。

圖12 支護前后監測點3號水平位移凈增量對比

水庫蓄水后，庫岸邊坡受力狀態發生改變，隨著蓄水高度的增加，邊坡巖體在水的軟化作用下，礦物聯結力降低，導致抗剪強度下降，變形增加。

圖13為監測點3號在蓄水前后水平位移凈增量變化圖，隨水庫水位的增加，邊坡變形增大，尤其在邊坡巖體開挖完成后至水庫開始蓄水至正常水位時位移凈增量幅度最大，可見蓄水對邊坡變形影響顯著。因此，對于水電站庫岸邊坡考慮水庫蓄水影響下邊坡的變形特征，具有實踐意義。

圖13 蓄水工況下監測點3號水平位移凈增量變化

5 結 論

本文以庫岸工程地質剖面及開挖邊坡卸荷巖體為對象，結合室內卸荷試驗參數特征分析，構建了考慮卸荷效應的邊坡分級開挖數值計算模型，分析了開挖卸荷對坡體變形的影響及庫水作用下邊坡的變形特征，并研究了M-C與D-P準則在卸荷巖體分析中的適用性，形成結論如下：

(1)開展室內試驗，界定了不同卸荷量級下變形參數取值范圍，隨圍壓的降低，彈性模量發生不同程度的削減。卸荷作用誘導巖樣沿卸荷方向發生卸荷回彈變形、裂隙張性擴容以及產生一定量的拉剪裂隙，使變形參數呈現出非線性劣化特征。

(2)邊坡開挖巖體隨應力釋放和應力重分布，卸荷損傷逐漸累積，其中不同卸荷范圍影響區內的巖體力學參數發生不同程度的弱化。根據開挖前后邊坡應力場變化特征劃分卸荷帶，且卸荷分帶區域可為邊坡支護范圍及變形預測提供參考。

(3)開挖巖體變形顯著，近坡面最大剪應變區域逐漸貫通。隨開挖邊坡的進行，坡面最小主應力釋放誘導坡面巖體結構松弛，局部產生拉應力，但坡腳主要為壓應力集中帶。

(4)采用摩爾匹配D-P準則和M-C準則分析計算結果相差不大，說明該準則具有一定的可信度，并且計算時間較短，迭代次數多，計算效率更高。考慮邊坡支護與蓄水下邊坡變形計算成果，對于邊坡巖體變形預測具有重要的實踐意義。