多級高陡邊坡開挖過程數值模擬及穩定性研究

黃俊輝，劉新榮，許 彬，張京亮，梁 峰

(1.重慶大學 土木工程學院，重慶 400045；2.庫區環境地質災害防治國家地方聯合工程研究中心(重慶)，重慶 400045;3. 中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041)

0 引言

近年來，隨著我國基礎建設力度快速推進，在工程實踐中面臨的高陡邊坡開挖施工問題日益增多[1-3]。一般地，根據擬定的各級坡坡比，采用多級開挖方式(逐級放坡)進行高陡邊坡開挖施工，且高陡邊坡穩定性通常受其地層參數、坡高、坡角、坡比及開挖級數等因素影響[4-6]。探究多種影響因素下多級高陡邊坡工程穩定性及防控策略具有重要理論和現實意義。

目前，國內外有關邊坡(施工過程)穩定性分析的研究文獻較多[1-16]。Donald等[7]較為系統地闡述了通過上限法進行邊坡穩定性分析的基本原理和方法。鄭穎人等[8]提出了適用于土坡和巖坡穩定性分析的有限元強度折減法。李亮等[9]采用變尺度搜索法及和聲搜索算法，確定了多級邊坡最小安全系數和臨界滑動面。蘇杭等[10]通過大型模型試驗對多級邊坡施工過程進行了模擬，并提出了影響區重疊效應概念。葉帥華等[11]應用有限元數值方法進行了降雨入滲條件下多級黃土高邊坡穩定性分析。Cheng[12]提出了確定邊坡臨界破壞面位置的理論方法，并通過邊坡穩定性算例驗證了其可靠性。文暢平[13]根據正交分析法，提出了地震條件下多級邊坡水平屈服加速度系數影響因素的敏感性順序。龍建輝等[14]基于極限平衡法，探究了降雨作用下含軟弱夾層順層巖質邊坡的多級滑動模式和成因機理。由此不難看出，大多學者均通過理論分析、模型試驗或數值模擬等方法進行邊坡穩定性分析，但有關依托實際高陡邊坡工程較為系統地探究多級開挖施工過程中邊坡穩定性發展規律及其影響因素的文獻鮮有報道。

鑒于此，本研究以貴州凱里某高速公路高陡邊坡工程為研究背景，應用UDEC離散元法模擬原型高陡邊坡多級開挖全過程，探討其應力場和位移場演化過程，并將變形模擬結果與現場監測結果進行對比驗證。進一步探討不同坡高、坡角及開挖級數下高陡邊坡應力場和位移場的變化特征，同時分析典型位置的變形發展規律，并通過強度折減法求解各影響因素下高陡邊坡的穩定性安全系數。基于此，提出多級高陡邊坡開挖變形災害防控建議。

1 工程背景

1.1 工程地質條件

所選高陡邊坡工程施工場區地處云貴高原向中部丘陵過渡段的苗嶺山麓(總體地勢為西、北高，東、南低)，屬溶蝕-侵蝕型中低山地形地貌，而高速公路路段位于斜坡體上(橫向自然坡度為30°～60°)，且路段以挖方路基形式通過該斜坡坡體(線路基線通過段地面高程為867.8～903.0 m)。特別地，斜坡體覆蓋層為殘坡積層(Qel+dl)黏土(分布廣泛)，下伏基巖為二疊系下統棲霞組(P1q)灰巖(強風化)，二疊系下統梁山組(P1l)炭質泥巖(中風化)，泥盆系上統堯梭組(D3y)白云巖(中-微風化)(見圖1)。此外，場區年平均降雨量為1 249.3 mm，年最大降雨量為1 458.5 mm，日最大連續降雨量為184.0 mm。場區屬長江流域沅江水系，其地表水系不發育(未見地表水徑流，而斜坡體地表礦渣溶濾水具強腐蝕性)，地下水類型為第4系松散孔隙水、基巖裂隙水及巖溶裂隙水(依靠大氣降水補給，且大部分以坡面流形式向地勢低洼段排泄)。場區地震動反應頻譜特征周期為0.35 s，且地震動峰值加速度為0.05g，其對應地震基本烈度為Ⅵ度。

圖1 高陡邊坡工程地質橫斷面(單位：m)

1.2 高陡邊坡工程概況

該高陡邊坡全長約250 m，最大坡高約60 m，且高速公路路基中心位置最大挖深約30 m，根據設計提供的初擬坡比(0.83∶1，1∶1，1∶0.75)進行分級放坡(開挖級數為6級，見圖2)。特別地，斜坡體無滑坡、崩塌等環境地質問題存在，即斜坡體自然狀態下穩定，而邊坡開挖時臨空易發生楔形坍塌、掉塊及碎落，故施工時自上至下逐級開挖、防護及加固(圖2)。

圖2 高陡邊坡施工現場

2 離散元數值模擬及現場監測

2.1 數值模擬方案

2.1.1 計算工況

基于工程背景，首先設計與原型多級高陡邊坡開挖施工相對應的數值計算工況1，進一步設計多種影響因素(高陡邊坡坡高、坡角及開挖級數)下的數值計算工況2～8，以深入探究高陡邊坡在多級開挖過程中應力場和位移場的演化過程(變化特征)及穩定性安全系數變化規律，具體數值計算工況如表1所示。

表1 數值計算工況

2.1.2 計算參數

充分結合工程背景和相關地勘資料，并參考有關工程規范，最終確定了數值計算參數，如表2所示。

表2 數值計算參數

2.1.3 計算模型

借助大型巖土通用數值模擬軟件UDEC 7.0建立表1中各工況下的二維離散元數值計算模型。以工況1為例(與實際工程相一致)，其數值計算模型如圖3所示。

圖3 數值計算模型(單位：m)

基于工程背景，數值計算模型幾何尺寸根據圣維南原理確定，以保證其計算結果的可靠性。模型邊界條件為左、右邊界約束水平位移，下部邊界約束豎向位移，坡頂和坡面為自由邊界。巖塊本構采用摩爾-庫侖準則計算，結構面本構則采用接觸庫倫滑移準則計算。為滿足計算精度與速度，將網格單元尺寸設置為2 m，共劃分9 772個可變形單元，且允許表面和內部所有單元體產生大規模變形。

2.1.4 計算步序

根據實際工程施工流程和數值模擬特征，各工況下的數值計算步序均可描述為：(1)初始地應力場平衡；(2)位移場清零作為初始狀態；(3)刪除第1級開挖坡體；(4)計算至平衡狀態(提取后續分析所需要的相關數據和場)；(5)重復數值計算步序(3)和(4)，依次完成剩余坡體開挖。

2.2 數值模擬結果及現場監測分析

2.2.1 高陡邊坡應力場及位移場分析

原型多級高陡高邊坡開挖過程中應力場和位移場演化過程如圖4所示(工況1)。

圖4 邊坡應力場和位移場演化過程

由圖4(a)可知，各開挖次數下高陡邊坡坡體最大主應力隨深度變化較明顯，其均表現出自坡面(頂)向底部逐漸增大的變化趨勢，且應力帶狀區邊界基本位于各地層線附近，而應力帶狀區范圍則呈不斷縮小的發展趨勢。隨開挖次數逐漸增多(放坡級數由1級增至6級)，上覆巖土層厚度(自重)逐漸減小，致使坡體最大主應力極值(均位于坡體底部)隨之逐漸降低，依次為0.442，0.439，0.432，0.402，0.376，0.356 MPa。此外，各級開挖結束后，坡體最終開挖面的最大主應力以較小增幅逐漸變化，且總體上最終開挖面應力值均較小。由圖4(b)可知，第1次開挖結束后，高陡邊坡坡體位移增長集中分布于坡腳附近且分布范圍極小(主要因巖體開挖卸載引起)；第2～3次開挖結束后，坡體位移均自坡腳向底部近似呈U形逐漸擴展(位移帶狀區分布層次極為顯著)，且放坡級數越多位移帶狀區分布范圍越大，表明每次開挖后坡腳位置受應力重分布影響較大。第4～6次開挖結束后，坡體位移帶狀區分布范圍繼續擴增，且臨近坡體最終開挖面中下部附近巖體變形量驟增。隨開挖次數逐漸增多，坡體最大位移(均位于最終開挖面中下部)依次為8.1，9.62，24.89，19.60，23.07，25.18 mm。

2.2.2 模擬與監測結果對比分析

基于工程背景，針對原型多級高陡邊坡開挖全過程，通過在坡肩(M1)和坡頂(M2)布設一定數量的變形監測點(監測點布置平面俯視圖見圖5(a)，坡肩和坡頂位置沿邊坡長度方向各布設5個監測點，且同一排各監測點水平間距均為1 m，而坡頂一排監測點距坡肩一排監測點間距為11 m)，并設置可靠基準點系統，以自動監測為主(邊坡監測云平臺)、人工監測(全站儀測量)為輔，獲取整個逐級放坡過程中監測點位置坡體水平和豎向位移。基于此，選取現場有效監測點數據(取均值)，將其與對應監測點的數值模擬結果進行對比(見圖5(b)～(e))。

圖5 監測點布置及數值模擬與現場監測結果對比

由圖5(b)～(e)可知，總體而言，對于數值模擬與現場監測結果，監測點M1和M2的水平位移均隨開挖次數逐漸增多而呈先增大(緩-急-緩)后降低的變化趨勢，而其豎向位移則近似呈M形變化趨勢，且監測點M1的水平和豎向位移均較M2的大。監測點M1的數值模擬水平和豎向位移最大值分別為5.28 mm和8.22 mm，而其現場監測的水平和豎向位移最大值分別為5.55 mm和7.54 mm，且二者的水平和豎向位移最大差值分別為0.98 mm和1.59 mm。監測點M2的數值模擬水平和豎向位移最大值分別為2.38 mm和2.52 mm，而其現場監測的水平和豎向位移最大值分別為2.47 mm和2.32 mm，且二者的水平和豎向位移最大差值分別為0.56 mm和0.53 mm。由此可以看出，數值模擬與現場監測結果吻合較好，且各監測點位置坡體變形均未超過工程施工設計允許值[17]，一方面表明數值計算模型建立、步序設置、參數選取及基于此開展的多級高陡邊坡開挖穩定性影響因素分析合理可靠，另一方面表明該多級高陡邊坡工程的開挖坡面、放坡率及開挖級數等設計合理可靠，可為類似工程提供理論依據和參考價值。

3 高陡邊坡開挖穩定性影響因素分析

3.1 高陡邊坡坡高的影響

不同坡高下多級高陡邊坡開挖結束后應力場和位移場變化特征如圖6所示(工況2，3，4)。

圖6 不同坡高下邊坡應力場和位移場變化特征

由圖6可知，高陡邊坡坡體最大主應力在不同坡高下均呈現出自坡面(頂)向底部以帶狀層分布形式逐漸增大的發展趨勢，且坡體最大主應力極值(均位于坡體底部)隨坡高不斷增大而逐漸減小(0.417 MPa→0.378 MPa→0.352 MPa)。同時，高陡邊坡坡體位移帶狀區在不同坡高下均呈現出自最終開挖面中下部向兩側不斷擴展(位移值持續遞減)的趨勢，且坡體最大位移(均位于最終開挖面中下部)隨坡高不斷增大而逐漸變大(22.11 mm→23.90 mm→25.48 mm)。對于坡肩變形(監測點M1總位移，下同)而言，相同坡高下，其變形量隨開挖次數不斷增多呈現出明顯的前期陡增(第1～2次開挖)、中期緩增(第2～3次開挖)及后期緩降(第3～5次開挖)的階段性發展特征，即初始開挖后地應力釋放造成位移迅速改變，隨后應力重分布逐漸達到平衡穩定狀態，致使位移變化趨于緩慢。對于坡頂變形(監測點M2總位移，下同)而言，其變形主要由自坡體開挖以來重力場累積作用所致(變形量與開挖次數的關系曲線近似呈S形的變化趨勢)，且其表現出顯著的前期陡增(第1～2次開挖)、中期緩增(第2～3次開挖)及后期緩降-陡增(第3～5次開挖)的階段性發展特征，而后期位移小幅降低則由于部分巖體卸荷回彈量增大所致。此外，相同開挖次數下坡肩和坡頂變形均隨坡高不斷增大而逐漸變大，且總體上坡肩變形較坡頂變形大。

3.2 高陡邊坡坡角的影響

不同坡角下多級高陡邊坡開挖結束后應力場和位移場變化特征如圖7所示(工況2，5，6)。

由圖7可知，與不同坡高類似，不同坡角下高陡邊坡坡體最大主應力均自坡面(頂)向底部逐漸增大，且坡體最大主應力極值(均位于坡體底部)隨坡角不斷增大而逐漸減小(0.378 MPa→0.358 MPa→0.350 MPa)。同時，不同坡角下高陡邊坡坡體位移均自最終開挖面中下部向兩側不斷遞減，且因坡角不斷增大(臨空面出露明顯)，致使坡腳處應力越集中，而坡體最大位移(均位于最終開挖面中下部)亦隨之逐漸變大(23.90 mm→27.33 mm→27.40 mm)。與相同坡高類似，對于坡肩變形而言，相同坡角下其變形量與開挖次數的關系曲線同樣可劃分為前期陡增(第1～2次開挖)、中期緩增(第2～3次開挖)及后期緩降(第3～5次開挖)3個發展階段。對于坡頂變形而言，其變形量與開挖次數的關系曲線近則可劃分為前期陡增(第1～2次開挖)、中期緩增(第2～3次開挖)及后期陡降-緩增(第3～5次開挖)3個發展階段。此外，總體上坡肩變形較坡頂變形大，且坡肩和坡頂變形在相同開挖次數下均隨坡角不斷增大而逐漸變大。

圖7 不同坡角下邊坡應力場和位移場變化特征

3.3 高陡邊坡開挖級數的影響

不同開挖級數下多級高陡邊坡開挖結束后應力場和位移場變化特征如圖8所示(工況2，7，8)。

圖8 不同開挖級數下邊坡應力場和位移場變化特征

由圖8可知，與前述不同坡高或坡角類似，高陡邊坡坡體在不同開挖級數下的最大主應力均自坡面(頂)向底部逐漸增大，且坡體最大主應力極值(仍位于坡體底部)隨開挖級數不斷增多而逐漸以極其微小的幅度逐漸減小。各級放坡結束后應力值基本保持相同(0.379 MPa→0.378 MPa→0.377 MPa)，表明不同開挖級數對坡體最大主應力變化影響較小，實質上不同開挖級數反映了單級開挖高度變化，故可不著重考慮單級開挖高度對坡體應力的影響。同時，高陡邊坡坡體位移仍自最終開挖面中下部(最大位移仍位于此范圍內)向兩側逐漸擴展，且坡體最大位移隨開挖級數不斷增多而逐漸減小(24.58 mm→23.90 mm→22.88 mm)。相同開挖級數下，對于坡肩變形而言，其變形量隨開挖次數逐漸增多整體上呈現出先陡增(第1～3次開挖)后緩降(第3次開挖至最終放坡完成)的階段性發展規律。對于坡頂變形而言，其變形量則隨開挖次數逐漸增多整體上表現出前期陡增(第1～2次開挖)、中期緩增(第2～3次開挖)、后期緩降-陡增(第3次開挖至最終放坡完成，且開挖級數較多情況下出現陡增現象)的階段性發展特征。此外，坡肩和坡頂變形在相同開挖次數下均隨開挖級數不斷增大而逐漸變大，且總體上坡肩變形較坡頂變形大。

3.4 高陡邊坡穩定性安全系數分析

通過強度折減法[8, 18]計算獲得的不同坡高、坡角及開挖級數下多級高陡邊坡穩定性安全系數變化規律，如圖9所示。

圖9 邊坡穩定性安全系數變化規律

由圖9可知，相同開挖次數下，高陡邊坡穩定性安全系數隨坡高或坡角不斷增大而逐漸降低(降幅較接近)，且其穩定性安全系數則隨開挖級數不斷增多而逐漸增大(增幅較接近)。相同坡高、坡角或開挖級數下，總體上高陡邊坡穩定性安全系數隨開挖次數逐漸增多而呈現先增大(1級放坡至2級放坡)后減小(2級放坡至最終放坡完成)的變化規律。此外，高陡邊坡坡體剪切應變增量在坡腳附近變化極為顯著，且隨坡高或坡角不斷增大(或開挖級數不斷減少)，其分布范圍自坡角位置向兩側逐漸擴增，尤其是呈現向最終開挖面中部擴展的變化趨勢。特別地，第1次開挖結束后，由于坡體覆蓋層為黏土(物理力學性質較下伏基巖弱很多)，致使其穩定性安全系數相對較小，但仍滿足開挖施工要求。第2次開挖結束后，由于整體上坡體被削減的巖土體體積量大幅度增加，該過程表現出了較強的卸荷效應，致使其穩定性安全系數較第1次開挖結束后有所增長。第3次開挖直至最終放坡完成后，由于坡體臨空面逐漸變大，且坡角附近穩定性不斷減弱，致使其穩定性安全系數逐漸減小，但最終均仍滿足施工要求。

4 高陡邊坡變形災害防控建議

基于上述數值模擬結果，充分考慮多級高陡邊坡施工設計和現場實際情況，提出以下幾點多級高陡邊坡變形災害防控建議：

(1)多級高陡邊坡工程應嚴格按相關規范采用動態化設計和信息化施工，且放坡坡率、開挖坡面及坡體是否防護與加固均由設計計算確定。建議按緩坡比放坡，并設計完善的防排水措施。

(2)多級高陡邊坡工程應嚴格按設計要求進行施工，自上至下逐級開挖、防護及加固，并嚴格控制爆破藥量，嚴禁大規模爆破震動破壞巖體完整性(加劇邊坡失穩)。

(3)多級高陡邊坡工程應嚴格按設計要求做好防排水系統，防止施工過程中地表水漫流，且邊坡開挖棄渣應合理堆放，以避免誘發次生災害，從而造成一系列施工安全事故。

(4)場區地質條件較為復雜，應做好施工及運營期地表變形監測(動態信息化監測)，以完善設計和指導施工。斜坡體地表礦渣溶濾水具強腐蝕性，建議路基結構按相關標準進行防腐設計。施工過程中若發現新(潛在)的不良地質問題，應及時向上級有關部門反映，并共同協商解決。

5 結論

(1)坡體最大主應力自坡面(頂)以層狀分布形式向底部遞增，且最大主應力極值隨坡高、坡角及開挖級數增加而分別減小、增大及基本保持不變。坡體位移自最終開挖面中下部以層狀分布形式向兩側遞減，且最大位移隨坡高、坡角及開挖級數增加而分別減小、增大及減小。

(2)相同開挖次數下，坡肩(頂)變形量隨坡高、坡角及開挖級數增加而分別增大、增大及減小。相同坡高、坡角或開挖級數下，坡肩位移-開挖次數曲線可大致劃分為前期陡增、中期緩增及后期緩降3個發展變化階段，而坡頂位移-開挖次數曲線則可大致劃分前期陡增、中期緩增及后期緩降-陡增(相同坡高或開挖級數時)或陡降-緩增(相同坡角時)3個發展變化階段。

(3)相同開挖次數下，邊坡穩定性安全系數隨坡高、坡角及開挖級數增加而分別降低、降低及增大。相同坡高、坡角或開挖級數下，邊坡穩定性安全系數隨開挖次數增多而先增大(第1～2次開挖)后降低(第2次開挖至最終放坡完成)。

(4)建議多級高陡邊坡工程采用動態信息化設計、施工及監測，并嚴格按相關規范標準設計完善的防排水系統，做好結構防腐工作，控制施工爆破藥量，自上至下逐級開挖、防護及加固。