调整层面参数来对岩层进行归并，减小结构面的数量：本次数值模拟的斜坡规模较大，而实际调查测得的岩体层面及节理面的间距均在0.1～1m的范围。表4.4-1岩块参数选取表表4.4-2结构面参数选取表4.4.3.4斜坡整体变形演化过程分析河谷第一次下切模拟结果分析。......
2023-08-20
西部水电工程滑坡灾变演化及控制技术
【摘要】：调整层面参数来对岩层进行归并，减小结构面的数量：本次数值模拟的斜坡规模较大，而实际调查测得的岩体层面及节理面的间距均在0.1～1m的范围。表4.4-1岩块参数选取表表4.4-2结构面参数选取表4.4.3.4斜坡整体变形演化过程分析河谷第一次下切模拟结果分析。
4.4.3.1 地质模型
为了验证上述斜坡变形演化过程的分析，以现在斜坡2号主剖面为依据，按照周围岸坡地形并结合该剖面的地形及坡体结构，对坡体演化前的地形进行了恢复。恢复剖面的范围，前缘至河谷中心线，后缘至山脊分水岭，整个地质模型的长度为1020m。为了模拟斜坡的变形演化机制，初始地形设为后缘山脊分水岭的高程恢复到4041m，前缘河谷中心的高程恢复到3200m，初始的斜坡坡角约为50°，经历了累积165m的河谷下切后河谷中心线的高程变为3150m，从而通过此地形条件的改变来模拟斜坡在整个河谷下切过程中的演化变形过程。为了减少边界条件的影响，模型的底部向下延伸至高程2900.00m位置，则模型的最大高度为1141m。
4.4.3.2 力学模型
根据恢复斜坡演化前的地质模型建立数值计算力学模型。数值分析采用UDEC（Universal Distinct Element Code）程序，模拟过程仅考虑自重应力场，按莫尔—库仑力学模型计算。边界条件采取左、右及底边三边垂直方向固定模式，建立的计算模型如图4.4-9所示。模型中岩层的厚度设置为10m，节理厚度设为20m。根据钻孔平硐和钻孔对结构面的统计，正常基岩主要发育有两组结构面模即一组倾角为70°的层面及一组垂直的节理面。因此模型主要考虑两组结构面，一组倾角为70°的层面，一组倾角为20°的节理面。计算时，模拟过程仅考虑自重应力场影响，按莫尔—库仑力学模型，结构面采用面接触的库仑滑移模型。模型被分割成2435个离散的块体。模型划分块体后如图4.4-9所示。
为了得到斜坡演化过程的中整体及各个部位的变形情况，在模型中布设了3列位移监测点来进行变形监测。每列监测点间距约450m，从距斜坡模型的后边界250m开始布设，最前一列距模型右边界250m，每列共布置3个监测点，从斜坡的表面开始垂直向下布设，间距55～110m，共布设监测点9个。监测点的布设位置如图4.4-10所示。
图4.4-9 计算模型
4.4.3.3 参数选取
岩体的物理力学特性呈各向异性且极其复杂，在数值模拟的过程中通常需要对其进行工程近似，即对其物理力学特性进行简化，抓住问题的主要方面，忽略次要的方面常常是工程中处理问题的方法：
（1）对于这些大型工程来说，工程的规模往往远远大于结构面的间距，即使运用二维的模拟，也往往不能准确的模拟每个结构面，需要对结构面进行一定的简化处理。
图4.4-10 监测点布设位置
（2）一些岩体中往往存在很多结构面，并不是每一组结构面都会对岩体的力学特性产生较大影响，尤其是进行二维分析的时候，因此工程应用中通常抓住简化处理的原则选择几组优势的结构面进行模拟。
因此本次数值分析过程中采用了以下方法对岩体的物理力学特性参数进行简化处理：
选取优势的结构面：由于本次模拟采用的是二维分析，因此选取了两组对岩体力学特性起主要作用的优势结构面，一组是岩体的层面，另一组为与层面近垂直发育的节理面。
调整层面参数来对岩层进行归并，减小结构面的数量：本次数值模拟的斜坡规模较大，而实际调查测得的岩体层面及节理面的间距均在0.1～1m的范围。为减小结构面的数量简化计算，分别将岩体层面及节理面的间距调整为10m、20m。板理面的倾角取70°，节理面倾角与板理面垂直。因此岩块的强度参数必须进行相应的弱化才能模拟相似到更加真实的地质条件。
岩性的简化；由于发生岩层弯曲变形的变化主要由板岩的岩性特征引起，因此将板岩与变质砂岩互层的岩性简化为纯板岩构造。
根据经验法、工程类比法以及反演分析等方法简化调整而得到的岩体物理力学参数（表4.4-1和表4.4-2）。
表4.4-1 岩块参数选取表
表4.4-2 结构面参数选取表
4.4.3.4 斜坡整体变形演化过程分析
（1）河谷第一次下切模拟结果分析。当河谷第一次下切后，坡脚出现35m陡立临空面，强风化区出现一定弯折。位移主要出现在坡面，最大值处位于边坡的坡面的中上部，位移值可达73m，斜坡后缘在重力作用下开始倾倒变形，位移量为6～7m，前缘由于河谷下切，临空条件好，也有一定的位移量。斜坡倾倒变形的初期阶段，斜坡前缘的浅表层陡倾岩体开始向临空面弯曲，在坡脚位置浅层的弯曲量较大，向坡内和斜坡后部弯曲量逐渐减小；斜坡坡脚附近的岩土层面发生错动，斜坡后缘出现较为明显的张裂缝，主要以微小的裂缝为主，坡体层面之间相互错动以变形为主，斜坡表面岩体有滑动的趋势如图4.4-11所示。
图4.4-11 河谷第一次下切计算时步10000step
（2）河谷第二次下切模拟结果分析。河谷第二次下切后，强风化区倾倒现象更加显著，弱风化区开始产生倾倒变形，倾倒变形继续向河谷发育。前缘进一步向临空面弯曲，弯曲随着下切的发展向斜坡的后部快速发展。随着岩层弯曲量的变大，坡脚岩体受挤压，坡面位移最大值可达131m，斜坡后缘位移26～39m，坡体前缘最大位移量已超过100m，位移比上一阶段明显增大，此第二次下切较第一次下切相比，由于应力的重新分布，第一次下切时期微小的张拉裂隙进一步扩大，层间错动进一步增大，后缘出现较大的张拉裂缝，裂缝从表面延深至岩层倾角转角处，坡脚层面产生错动破裂，局部板状根部破坏，倾倒在前面的岩体中，如图4.4-12所示。
图4.4-12 谷第二次下切计算时步20000step
（3）河谷第三至第五次下切模拟结果分析。河谷第三次下切后，弯折量进一步加大。后缘出现拉裂缝，坡脚岩体受挤压，弯折岩体节理面处发生折断，坡面位移最大值可达160m，如图4.4-13所示。
图4.4-13 河谷第三至第五次下切计算时步30000step
随着计算时步的增加，坡体在浅表部一定深度范围内发生了显著的弯曲变形，前缘岩体挤压破碎，出现贯通滑面，变形体与基岩基本脱离，一部分坡体物质解体滑塌至江中，一部分坡体物质则残留于坡体形成残坡积层。而深部弯曲变形量较小的岩体完整性仍然较好，不会发生倾倒破坏。此阶段岩石倾倒更加强烈，倾角已经变为20°～30°，近坡面处岩体产状近水平，层间错动减小，自重应力的作用下，弯折处的张拉裂缝逐步贯通弯折处岩石已经架空，岩体破碎，边坡的整体出现裂隙，并慢慢地在贯通，由于弯曲变形的裂隙贯通形成潜在的滑动面，后缘一带形成反向阶坎及拉裂带，在坡体内部从前缘至后缘形成连续的弯曲折断带，坡体后缘的张拉裂缝进一步发展，与坡体中的张拉裂隙贯通，形成完整的破坏面。随着倾倒变形的进一步发展，边坡应力进一步调整，坡体后缘岩板与倾倒体脱离，倾倒变形体整体破坏如图4.4-13所示。
4.4.3.5 位移变化规律分析
对预先设置的位移监测点进行数据统计处理，得到滑坡不同位置处的位移监测曲线如图4.4-14～图4.4-17所示。
图4.4-14 斜坡前缘监测点位移曲线
图4.4-15 斜坡中部监测点位移曲线
图4.4-16 斜坡后缘监测点位移曲线
图4.4-17 斜坡坡表监测点位移曲线
从斜坡的整体位移云图及监测点的位移监测情况可以发现：由图4.4-14～图4.4-17可以得出斜坡在竖直方向的位移规律，斜坡的变形表现为浅表部变形大，往深部发展逐渐减小，且斜坡中后部的变形比前部的变形量和变形深度都大。由图4.4-15在斜坡中部表面的位移最大约110m，并且仍有继续增大的趋势，且岩体变形的深度最深的达到了约260m，而斜坡前部表部的最大位移约95m，变形的深度约150m。整体上也呈往深部发展变形逐渐减小的趋势，斜坡在中上部的变形量及变形范围也明显更大，虽然斜坡的前部相对中后部变形规模较小，但是斜坡最大的变形区发生在斜坡的临空面位置，随着临空面位置岩体的不断被侵蚀解体，斜坡上的物质逐级沿着斜坡开始向下弯曲变形，而由于斜坡整体坡度较陡，斜坡中后部的物质较多因此应力更为集中，而斜坡中后部的变形量及变形范围更大。
4.4.3.6 斜坡倾倒破坏过程总结
坡体在浅表部一定深度范围内发生了显著的弯曲变形，前缘岩体挤压破碎，出现贯通滑面，变形体与基岩基本脱离，一部分坡体物质解体滑塌至江中，一部分坡体物质则残留于坡体形成残坡积层。而深部弯曲变形量较小的岩体完整性仍然较好，不会发生倾倒破坏。此阶段岩石倾倒更加强烈，倾角已经变为20°～30°，层间错动减小，自重应力的作用下，弯折处的张拉裂缝逐步贯通弯折处岩石已经架空，岩体破碎，边坡的整体出现裂隙，并慢慢地在贯通，由于弯曲变形的裂隙贯通形成潜在的滑动面，后缘一带形成反向阶坎及拉裂带，在坡体内部从前缘至后缘形成一连续的弯曲折断带，坡体后缘的张拉裂缝进一步发展，与坡体中的张拉裂隙贯通，形成完整的破坏面。随着倾倒变形的进一步发展，边坡应力进一步调整，坡体后缘岩板与倾倒体脱离，倾倒变形体整体破坏。
整体上也呈往深部发展变形逐渐减小的趋势，斜坡在中后部的变形量及变形范围也明显更大，虽然斜坡的前部相对中后部变形规模较小，但是斜坡最大的变形区发生在斜坡的临空面位置，随着临空面位置岩体的不断被侵蚀解体，斜坡上的物质逐级沿着斜坡开始向下弯曲变形，而由于斜坡整体坡度较陡，斜坡中后部的物质较多因此应力更为集中，从而斜坡中后部的变形量及变形范围更大。
通过上述分析，可以得到如下认识：反倾层状岩质斜坡是常见的斜坡结构类型之一。通过现场地质分析及数值模拟手段揭示了该类斜坡的变形破坏是岩层在自重应力作用下作悬臂梁弯曲，使岩层发生弯曲变形，导致坡体后缘开裂、根部折断，前缘发生剪切蠕变，在外营力的不断作用下，浅部岩体弯曲变形较大坡体内折断带的剪应力超过其抗剪强度时，浅表坡体逐渐错动破坏，一部分坡体物质解体滑塌至江中，一部分坡体物质则残留于坡体形成残坡积层。而深部弯曲变形量较小的岩体完整性仍然较好，不会发生倾倒破坏。但随着河谷下切作用的不断加强，浅表的残坡积层物质不断流失，之前处于深部的微弯曲变形岩体开始接受更大的指向临空面的剪切应力及外营力的作用，从而形成新的弯曲倾倒变形体，该类斜坡的则沿着上述演化机制不断的演变。
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