馬 昊 黃 達(dá)②③ 石 林

(①重慶大學(xué)土木工程學(xué)院， 重慶 400044， 中國(guó))(②河北工業(yè)大學(xué)土木交通學(xué)院， 天津 300401， 中國(guó))(③長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院， 西安 710054， 中國(guó))(④中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 武漢 430063， 中國(guó))

0 引 言

反傾邊坡的巖層傾向與邊坡坡向相反，早期工程地質(zhì)工作者通常認(rèn)為其較順向邊坡穩(wěn)定，不易形成貫通滑動(dòng)面(張倬元等， 1994)。然而根據(jù)對(duì)中國(guó)近100例斜坡變形破壞現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)，發(fā)生在反傾向斜坡中的滑坡或斜坡變形占比達(dá)到了33%(Huang et al.， 2011)，其出現(xiàn)的頻度和造成的危害大有比肩“滑動(dòng)”破壞這一傳統(tǒng)邊坡失穩(wěn)主題的趨勢(shì)(黃潤(rùn)秋等， 2017)。近年來(lái)西南地區(qū)許多大型水電工程的開(kāi)發(fā)建設(shè)都遇到了反傾邊坡傾倒變形的影響，如瀾滄江小灣水電站飲水溝邊坡(楊根蘭等， 2006)、雅礱江錦屏水電站兩岸邊坡傾倒(鄒麗芳等， 2009)、瀾滄江古水水電站爭(zhēng)崗滑坡(周家文等， 2009； 趙永輝， 2016)、瀾滄江苗尾水電站壩址區(qū)傾倒變形體(賀宇航， 2015)、獅子坪水電站二古溪傾倒變形體(林華章， 2015)、黃河拉西瓦水電站近壩右岸邊坡(Lin et al.，2016)等，傾倒變形的發(fā)育深度甚至達(dá)到200～300m(黃潤(rùn)秋， 2007)。庫(kù)區(qū)反傾邊坡受庫(kù)水波動(dòng)、侵蝕作用的影響，其破壞機(jī)理更加復(fù)雜。2008年，三峽庫(kù)區(qū)巫峽龔家坊2#斜坡就曾發(fā)生體積約38×104m3的大型崩滑災(zāi)害(殷坤龍等， 2014)； Huang et al.(2017)通過(guò)數(shù)值模擬得出庫(kù)水侵蝕沖刷是龔家坊2#斜坡變形失穩(wěn)的主因之一。

反傾邊坡大多具有層狀結(jié)構(gòu)，而層狀巖體的巖層斷裂距離S(Spacing)與厚度T(Thickness)之間的關(guān)系可以反映巖體節(jié)理裂隙的發(fā)育程度。Hobbs(1967)根據(jù)Cox(1952)的應(yīng)力傳遞模型提出了斷距與層厚之間存在線性關(guān)系； Bai et al.(2000)對(duì)斷距與層厚比(S/T)進(jìn)行了較為全面的總結(jié)，給出了斷距與層厚比(S/T)與巖層彈性模量和泊松比之間的臨界關(guān)系，證明了斷距與層厚比(S/T)不僅與本層巖體有關(guān)，還受相鄰巖層巖性的影響。因此，對(duì)于軟硬互層巖體，軟巖層的分布與厚度對(duì)硬巖的斷距有明顯影響。然而目前，還鮮有針對(duì)斷距與層厚關(guān)系對(duì)反傾邊坡影響規(guī)律的研究。

無(wú)人機(jī)傾斜攝影是一種新興的測(cè)繪技術(shù)，近年來(lái)已成功地應(yīng)用到工程地質(zhì)調(diào)查領(lǐng)域，其安全性高、操作便捷，而且可以獲得人員無(wú)法到達(dá)處的巖體信息。王明等(2019)基于無(wú)人機(jī)航攝建立了復(fù)雜地形下高陡/直立邊坡的三維數(shù)值模型； 王瑞琪等(2019)結(jié)合衛(wèi)星遙感、高精度無(wú)人機(jī)航拍等對(duì)崩塌、滑坡進(jìn)行識(shí)別，并研究了其主控因素； 張愷等(2019)則針對(duì)露天礦山邊坡，研究了無(wú)人機(jī)傾斜攝影在巖體結(jié)構(gòu)編錄中的應(yīng)用。將無(wú)人機(jī)航拍應(yīng)用到巖層斷距-層厚的調(diào)查中，必然可以顯著地增加樣本數(shù)量，并減輕工作量。

本文以巫峽獨(dú)龍段的反傾邊坡為依托，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，獲得邊坡坡體結(jié)構(gòu)與變形特征基礎(chǔ)資料； 通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影建立反傾邊坡三維模型，進(jìn)而通過(guò)提取影像數(shù)據(jù)，并結(jié)合少量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，獲得了獨(dú)龍段反傾邊坡的巖層厚度、斷距等的統(tǒng)計(jì)規(guī)律； 通過(guò)監(jiān)測(cè)資料的分析，明確了獨(dú)龍7#邊坡(D7)的整體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)； 而后以巖層斷距-層厚統(tǒng)計(jì)規(guī)律為依據(jù)，編程生成具有真實(shí)分布規(guī)律的隨機(jī)結(jié)構(gòu)面，對(duì)D7邊坡的“S”型變形破壞進(jìn)行了離散元數(shù)值模擬。研究成果對(duì)于反傾邊坡的穩(wěn)定性分析與災(zāi)害防治具有一定的理論和實(shí)踐指導(dǎo)意義。

1 工程背景

1.1 研究區(qū)工程地質(zhì)條件

研究區(qū)位于重慶市巫山縣巫峽鎮(zhèn)巫峽口，距三峽大壩約124.3km。地處長(zhǎng)江左岸，屬侵蝕中低山河谷地貌，山勢(shì)呈NEE展布(圖1)，山脊自西向東依次經(jīng)過(guò)長(zhǎng)江大橋、大石坡、陰坡及棺材蓋一帶，高程從730m過(guò)渡至1211.5m，寬5～10m。調(diào)查區(qū)位于山脊南側(cè)700m高程以下，其中高程500m以下坡角35°～55°，高程500～700m斜坡變陡，坡頂形成坡角62°～74°的陡崖。

圖1 獨(dú)龍段邊坡工程地質(zhì)平面圖Fig.1 Engineering geological map of Dulong slopes

區(qū)內(nèi)邊坡可分為北區(qū)(崩塌區(qū))和南區(qū)(滑移危險(xiǎn)區(qū))(圖1)。D1～D7邊坡位于南區(qū)，坡高400～600m，為臨江庫(kù)岸邊坡，巖性以三疊系下統(tǒng)嘉陵江組(T1j)和大冶組(T1d)薄層狀灰?guī)r、泥灰?guī)r夾頁(yè)巖及頁(yè)巖為主，坡腳位于庫(kù)水位以下，為邊坡軟弱基座，受庫(kù)水侵蝕作用顯著，存在較多崩坡積體、沖洪積層，坡面巖體破碎，呈碎裂狀。

構(gòu)造上，研究區(qū)位于大巴山弧形褶皺帶與新華夏系交接復(fù)合部位，發(fā)育橫石溪背斜與巫山復(fù)向斜，構(gòu)造線與長(zhǎng)江河谷斜交(殷坤龍等， 2014)。獨(dú)龍段斜坡位于橫石溪背斜北西翼軸部附近，巖層呈單斜產(chǎn)出，正常產(chǎn)狀320°～350°∠55°～62°。

獨(dú)龍段邊坡巖層傾角均大于45°，傾向與斜坡坡向間夾角除D9外均處于[150°， 180°]區(qū)間內(nèi)，根據(jù)劉漢超等(1993)以巖層傾角(α)、巖層傾向與斜坡坡向之間夾角(β)為依據(jù)的斜坡結(jié)構(gòu)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，屬陡傾內(nèi)逆層狀斜坡(表1)。該段邊坡主要發(fā)育3組結(jié)構(gòu)面：(1)層面C，產(chǎn)狀集中在330°～340°∠48°～64°； (2)巖層間外傾縱張裂隙J2，產(chǎn)狀140°～180°∠50°～65°； (3)近垂直于坡面的縱向節(jié)理J3，產(chǎn)狀60°～95°∠65°～80°，3組結(jié)構(gòu)面將巖層切割成塊體，是導(dǎo)致巖層傾倒變形的重要因素。

表1 獨(dú)龍段各邊坡坡體結(jié)構(gòu)特征Table1 Structural characteristics of Dulong slopes

該區(qū)為濱海-潟湖-淺海相碳酸鹽巖地層，從二疊系下統(tǒng)梁山組(P1l)～三疊系下統(tǒng)嘉陵江組(T1j)均有出露。溶蝕裂隙水發(fā)育，為主要含水層； 地表為第四紀(jì)崩坡積層，富含松散巖土型孔隙水。

巫山地區(qū)年平均降雨量1087.4mm，降雨集中在5～9月份，占年降雨量的68.8%，集中降雨常誘發(fā)崩滑流地質(zhì)災(zāi)害； 長(zhǎng)江呈東西向流經(jīng)該區(qū)，最高蓄水位約175m，且?guī)焖幻磕瓿手芷谛陨担?5～9月水位處于低值， 11～3月處于高值。此外，三峽庫(kù)區(qū)水位常年周期性升降，每年8月，庫(kù)水位降至145m， 12月又回升至175m。這種往復(fù)性冬季浸水而夏季暴曬使得巖體在干濕循環(huán)的作用下產(chǎn)生強(qiáng)度劣化，不利于邊坡穩(wěn)定(傅晏等， 2009)。

1.2 獨(dú)龍7#(D7)邊坡變形特征

1.2.1 邊坡破壞模式調(diào)查

D7邊坡(圖2a)自下而上依次為大冶組二段(T1d2)灰、淺灰色中厚層夾薄層泥質(zhì)灰?guī)r，大冶組三段(T1d3)灰色厚層灰?guī)r，中部夾一段厚層硬質(zhì)灰?guī)r。主控結(jié)構(gòu)面J2：165°∠45°，傾向與坡向小角度相交，張開(kāi)度2～12cm，延伸3～12m，間距0.6～1.2m，在中厚層灰?guī)r中大量發(fā)育。

圖2 D7邊坡剖面圖與典型變形照片F(xiàn)ig.2 Profile and typical deformation of D7 slopea.D7邊坡剖面圖； b.D7邊坡消落帶變形航拍圖

獨(dú)龍段邊坡消落帶內(nèi)普遍存在局部彎曲-傾倒破壞、塊體傾倒破壞、層間剪切破壞及局部柔性彎曲破壞。此外，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，D7邊坡已出現(xiàn)較大規(guī)模的整體性變形(圖2b)，邊坡中部巖層傾向多次反轉(zhuǎn)，形成整體形如英文字母“S”的柔性彎曲變形，本文稱(chēng)之 S 型變形。該邊坡中部為巖性較硬的中厚灰?guī)r層，其上下均為層厚10～30cm的薄層狀軟硬互層泥質(zhì)灰?guī)r。在“S”形硬巖層的兩個(gè)反彎點(diǎn)處可見(jiàn)較明顯的剪切錯(cuò)動(dòng)，由“S”狀巖層傾向轉(zhuǎn)折點(diǎn)延伸出來(lái)的兩條錯(cuò)動(dòng)帶為潛在的整體破壞面，邊坡整體為柔性彎曲-滑移型破壞。

1.2.2 地表位移監(jiān)測(cè)

長(zhǎng)期位移監(jiān)測(cè)為判斷D7邊坡的變形狀態(tài)提供了依據(jù)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示，通過(guò)GPS監(jiān)測(cè)邊坡在指定坐標(biāo)系下的絕對(duì)位移，獲得監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移大小和方位角。根據(jù)位移矢量的指向(圖1)可知，獨(dú)龍段邊坡變形活躍區(qū)集中在坡腳庫(kù)水消落帶附近，高程150～240m之間。該處位移矢量方向均近似垂直于坡面指向坡前，且位移量大，充分說(shuō)明坡腳變形強(qiáng)烈，易首先發(fā)生局部破壞。

圖3給出了從2009年12月至2015年4月之間D7邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC30～JC33的位移時(shí)程曲線。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移值自2009年12月～2015年4月期間均保持波動(dòng)上升狀態(tài)，位移值從15mm逐漸增大至60mm?？梢?jiàn)D7邊坡整體持續(xù)向坡前緩慢變形，存在整體性破壞隱患。

圖3 D7邊坡GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移曲線Fig.3 Horizontal displacement curves of GPS monitoring points at D7slope

此外，D7邊坡自2011年6月以來(lái)位移增幅明顯增大，且在2012年6～8月以及2014年6月～2015年3月兩個(gè)時(shí)間段階躍明顯，符合庫(kù)水位較低時(shí)位移較大的規(guī)律。邊坡前部監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC30與JC31的位移值(約60mm)在監(jiān)測(cè)后期的增長(zhǎng)遠(yuǎn)大于同期邊坡后部的監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC32與JC33(最大約40mm)，由此不難推斷，庫(kù)水的周期性升降作用削弱了邊坡下部軟硬互層巖體的強(qiáng)度，引起前緣坡體率先變形，繼而沿坡體繼續(xù)發(fā)展，最終極有可能導(dǎo)致邊坡的整體失穩(wěn)(石林， 2018)。

2 巖層斷距-層厚特征統(tǒng)計(jì)

巖體由結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體組成，結(jié)構(gòu)面通?？刂浦鴰r體的穩(wěn)定性，可根據(jù)發(fā)育規(guī)模劃分為5級(jí)(谷德振， 1979)。獨(dú)龍段邊坡區(qū)域性I、Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，但由于大量Ⅲ、Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)面的存在，邊坡巖體被切割成彼此相對(duì)獨(dú)立的塊體，極大的影響巖石的完整性和力學(xué)性質(zhì)。Ⅲ、Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)面通常隨機(jī)產(chǎn)出，本文通過(guò)野外露頭實(shí)測(cè)、槽探、無(wú)人機(jī)傾斜攝影等方法對(duì)巖體斷距、層厚等信息進(jìn)行大量量測(cè)，為數(shù)值建模提供依據(jù)。

2.1 巖體結(jié)構(gòu)無(wú)人機(jī)測(cè)量方法

獨(dú)龍段邊坡高陡，僅水路可達(dá)，常規(guī)地質(zhì)測(cè)繪工作難度大，危險(xiǎn)性高。本文結(jié)合無(wú)人機(jī)傾斜攝影與遙感定位技術(shù)對(duì)獨(dú)龍邊坡進(jìn)行高分辨率三維成像，建立邊坡三維數(shù)字模型，通過(guò)圖像處理技術(shù)后處理識(shí)別獲取巖體層厚、斷距及裂隙產(chǎn)狀、長(zhǎng)度、張開(kāi)度等巖體結(jié)構(gòu)信息。該方法可大范圍快速采集圖像，精度可靠，主要步驟包括：(1)三維模型建立； (2)巖體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)提取。

2.1.1 邊坡三維模型建立

采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影調(diào)查邊坡結(jié)構(gòu)面特征主要包含調(diào)查區(qū)資料收集、飛行前期準(zhǔn)備、野外航拍數(shù)據(jù)獲取和室內(nèi)航拍數(shù)據(jù)處理等步驟(張愷等， 2019)。資料收集主要對(duì)調(diào)查區(qū)地形地貌、地質(zhì)條件等形成初步認(rèn)識(shí)，方便規(guī)劃飛行航線； 飛行前期準(zhǔn)備包含現(xiàn)場(chǎng)踏勘、航向規(guī)劃、控制點(diǎn)布置等； 航拍數(shù)據(jù)獲取則為航拍飛行的實(shí)施階段； 室內(nèi)數(shù)據(jù)處理階段則要對(duì)航片進(jìn)行三維重構(gòu)，形成三維點(diǎn)云，并最終獲得具有真實(shí)坐標(biāo)信息的實(shí)景三維模型，具體流程如圖4所示。

圖4 基于無(wú)人機(jī)攝影的邊坡三維重建流程圖Fig.4 Flow chart of slope 3D reconstruction based on UAV photography

本文研究利用Acute 3D 公司的Smart 3D Capture軟件對(duì)無(wú)人機(jī)航拍影像進(jìn)行處理，以生成邊坡三維模型。該軟件是在Smart 3D技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的新型軟件，能夠基于常規(guī)照片和少量的地面控制點(diǎn)，快速構(gòu)建高分辨率真三維模型，而無(wú)需人工干預(yù)。其基本原理為：分析不同角度拍攝的靜態(tài)圖片，自動(dòng)檢測(cè)像素對(duì)應(yīng)于一個(gè)物理點(diǎn)，從眾多這樣的對(duì)應(yīng)關(guān)系中，精確推斷照片的相對(duì)方位和場(chǎng)景的三維形貌。

2.1.2 巖體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)提取

利用航拍獲得的三維實(shí)景模型，可提取眾多巖體結(jié)構(gòu)信息，如巖層厚度與斷距，結(jié)構(gòu)面長(zhǎng)度、張開(kāi)度、密度等，還可提取結(jié)構(gòu)面上多個(gè)非共線點(diǎn)的三維坐標(biāo)，通過(guò)三點(diǎn)法(張愷等， 2019)解算結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀等，極大地提高了工程地質(zhì)調(diào)查工作的效率。

本文著重于研究巖層斷距與層厚的關(guān)系對(duì)邊坡變形的影響，因此重點(diǎn)統(tǒng)計(jì)調(diào)查區(qū)邊坡巖體的斷距與層厚信息。利用Acute 3D Viewer軟件可交互式獲取三維模型中的巖體結(jié)構(gòu)信息，簡(jiǎn)捷高效。該軟件通過(guò)Measure命令獲得點(diǎn)要素的經(jīng)度(L)、緯度(B)、高程(H)等三維位置數(shù)據(jù)(基于WGS-84坐標(biāo)系)； 可通過(guò)線測(cè)量獲得兩點(diǎn)間距離與高差； 也可通過(guò)面測(cè)量獲得某面的面積。如圖5所示，通過(guò)線測(cè)量，在巖層兩端確定兩點(diǎn)，即可直接讀出巖層的真實(shí)厚度或巖塊斷距。為盡量減小偶然誤差，每個(gè)統(tǒng)計(jì)樣本點(diǎn)處的數(shù)據(jù)測(cè)量3次取平均值。最終共采集約700個(gè)巖層斷距與層厚數(shù)據(jù)。

圖5 通過(guò)無(wú)人機(jī)影像提取巖層厚度Fig.5 Extracting rock thickness from UAV image

2.2 巖體斷距-層厚特征統(tǒng)計(jì)

2.2.1 層厚分布特征

獨(dú)龍段邊坡以互層狀結(jié)構(gòu)為主，次之為薄層狀互層結(jié)構(gòu)，薄層狀互層結(jié)構(gòu)集中于D3、D4、D7，其軟硬巖厚度均集中于10～30cm范圍內(nèi)。根據(jù)邊坡軟巖層占比及軟巖層厚(圖6)，可將獨(dú)龍段邊坡分為2類(lèi)：(1)以D3、D4、D7為A類(lèi)邊坡，軟巖層占比較大，約20%，厚度10～20cm，平均約15cm； (2)以D2、D8、D9為B類(lèi)邊坡，其軟巖占比約10%，層厚5～15cm，平均約10cm。軟巖層占比小的邊坡中的軟巖層厚度也較小。

圖6 各邊坡軟巖占比及軟巖層厚度統(tǒng)計(jì)結(jié)果圖Fig.6 Statistical results of soft rock ratio and soft rock thickness in each slope

硬巖層厚普遍大于軟巖層厚，A類(lèi)邊坡硬巖層厚從10～50cm均有分布，各邊坡層厚均值集中在25～30cm區(qū)間，大于40cm的硬巖層數(shù)量極少； B類(lèi)各邊坡硬巖層厚均值分布在20～40cm區(qū)間內(nèi)，D9邊坡大于40cm的硬巖層較多。

2.2.2 斷距S與層厚T的關(guān)系

統(tǒng)計(jì)硬巖層的斷距與層厚的相關(guān)性(圖7)，可見(jiàn)斷距隨層厚的增大而增大。統(tǒng)計(jì)樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)均落在斜“V”字形區(qū)域內(nèi)，其包絡(luò)線的斜率即可視為斷距與層厚比的上、下限。

圖7 斷距-層厚分布散點(diǎn)圖Fig.7 Distributed scatter diagram of broken length vs thicknessa.A類(lèi)邊坡； b.B類(lèi)邊坡

軟弱巖層占比較多的A類(lèi)邊坡的斷距與層厚比(S/T)的限值域較小，落在0.7～2.8之間，數(shù)據(jù)點(diǎn)分布較集中； 而B(niǎo)類(lèi)邊坡的斷距與層厚比(S/T)的限值域更大，落在0.5～3.3之間。B類(lèi)邊坡巖體的長(zhǎng)細(xì)比變化范圍更大，也即巖塊斷裂的更不均勻。

2.2.3 斷距/層厚(S/T)的分布

進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)獨(dú)龍段各邊坡的斷距層厚比值(S/T)(圖8)。各邊坡S/T值分布圖均近似呈駝峰型，其中A類(lèi)邊坡總體S/T值分布在1.2～1.8之間的值占比達(dá)69%，并在S/T=1.5時(shí)達(dá)到峰值； 由圖8b可知，B類(lèi)邊坡總體S/T值分布在0.6～1.5之間的值占比約66%，并在0.9～1.2時(shí)達(dá)到峰值。A類(lèi)邊坡S/T集中值大于B類(lèi)邊坡。單獨(dú)邊坡的S/T分布趨勢(shì)與所在類(lèi)總體基本一致，其中D7邊坡S/T值分布在0.9～1.8區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)占比達(dá)62%。

圖8 各邊坡斷距/層厚(S/T)分布直方圖Fig.8 Distribution histogram of the ratio between fault and thickness in each slope

2.2.4 獨(dú)龍段邊坡巖體結(jié)構(gòu)匯總

對(duì)獨(dú)龍段各邊坡的巖體結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行匯總，并參考宋玉環(huán)等(2011)對(duì)軟硬互層巖體的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，先考慮層狀劃分，再按結(jié)構(gòu)面間距和外生改造進(jìn)行校核，對(duì)軟硬互層邊坡巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更深層次劃分(表2)，A類(lèi)邊坡巖體均為軟巖為主的薄層狀結(jié)構(gòu)，B類(lèi)邊坡巖體則主要為互層狀結(jié)構(gòu)。

表2 獨(dú)龍段各邊坡巖體結(jié)構(gòu)特征Table2 Structural characteristics of rock mass in Dulong slopes

3 邊坡S型傾倒變形機(jī)制

3.1 離散元模擬方案

數(shù)值模擬采用離散元軟件UDEC6.0，基于斷距-層厚統(tǒng)計(jì)關(guān)系，研究D7邊坡S型傾倒變形的形成機(jī)制?？紤]到庫(kù)水的侵蝕與軟化作用，對(duì)浸水巖體采取飽和強(qiáng)度參數(shù)，并根據(jù)調(diào)查結(jié)果刪除坡腳局部軟巖塊體，以模擬庫(kù)水侵蝕和河谷下切的部分影響。庫(kù)水位按最低值(145m)考慮。

建模依據(jù)D7邊坡地質(zhì)剖面(圖2a)，并進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，模型上部以硬質(zhì)灰?guī)r代表T1d3巖體，T1d2則簡(jiǎn)化為薄層硬質(zhì)灰?guī)r與軟質(zhì)泥質(zhì)灰?guī)r互層，中部包含一段硬質(zhì)灰?guī)r“巖梁”，最終建立如圖9所示D7邊坡模型； 根據(jù)統(tǒng)計(jì)得出的巖層斷距與層厚關(guān)系，編程生成隨機(jī)裂隙，使S/T值位于0.9～1.8區(qū)間內(nèi)，將巖層切割為小塊體。模型采用變形塊體，塊體間連接遵循莫爾-庫(kù)侖彈塑性模型； 模型劃分塊體7986個(gè)，單元102 530個(gè)，限制側(cè)向邊界水平位移與底部邊界豎向位移。模擬時(shí)首先使邊坡在自重作用下達(dá)到平衡狀態(tài)，之后采用增重法，施加2倍重力加速度，以加速邊坡變形破壞。

圖9 D7邊坡數(shù)值模型Fig.9 Numerical model of D7 slope

3.2 參數(shù)標(biāo)定

數(shù)值模擬參數(shù)的確定需要以真實(shí)材料參數(shù)為依托，由巖體室內(nèi)試驗(yàn)及原位大剪試驗(yàn)得到的獨(dú)龍段邊坡巖體力學(xué)參數(shù)如表3所示，作為本次模擬的基礎(chǔ)。

表3 巖石物理力學(xué)參數(shù)Table3 Physical and mechanical parameters of rocks

UDEC中計(jì)算參數(shù)主要包括接觸面的法向剛度(jkn)﹑切向剛度(jks)﹑黏聚力(jcoh)﹑抗拉強(qiáng)度(jten)和內(nèi)摩擦角(jfr)等。離散元塊體接觸參數(shù)與巖體物理參數(shù)具有一定的相關(guān)規(guī)律(Kazerani et al.， 2010)。泊松比與接觸面剛度比Ks/Kn有關(guān)，彈性模量E隨Ks或Kn的增大而增大，材料黏聚力由接觸面微觀黏聚力jcoh唯一確定，材料抗拉強(qiáng)度則由接觸面微觀抗拉強(qiáng)度jten確定。據(jù)此，首先對(duì)材料彈性模量按泊松比校核，再確定結(jié)構(gòu)面的切向剛度和法向剛度，最后校核抗拉強(qiáng)度。通過(guò)模擬單軸壓縮試驗(yàn)(圖10a)校核相關(guān)參數(shù)，通過(guò)模擬巴西劈裂試驗(yàn)(圖10b)校核抗拉強(qiáng)度，最終確定的參數(shù)如表4所示。

圖10 參數(shù)標(biāo)定曲線Fig.10 Parameter calibration curves

表4 數(shù)值模型細(xì)觀參數(shù)Table4 Meso parameters of numerical model

3.3 模擬結(jié)果分析

圖11為位移記錄點(diǎn)A的位移時(shí)程曲線，反映了邊坡的水平和豎向位移從計(jì)算初值直至破壞的變化過(guò)程。由圖11可見(jiàn)，邊坡的變形具有較明顯的階段性，表現(xiàn)為：(1)緩慢變形階段：0～約40 000步，位移曲線斜率很小，整體緩慢增長(zhǎng)，邊坡變形較弱； (2)加速變形階段：約40 000～90 000步，水平和豎向位移曲線斜率均顯著增大，邊坡變形快速發(fā)展； (3)失穩(wěn)破壞階段：約90 000步后，豎向位移曲線發(fā)生明顯的突變，斜率顯著增大，水平位移也出現(xiàn)明顯的上揚(yáng)，表明邊坡發(fā)生整體性失穩(wěn)。

圖11 A點(diǎn)位移時(shí)程曲線Fig.11 Displacement time history curve of point A

選取邊坡變形過(guò)程中的幾個(gè)較典型時(shí)刻，分析各階段邊坡的應(yīng)力(圖12)與變形(圖13)特征。

圖12 D7邊坡剪應(yīng)力云圖Fig.12 Shear stress nephogram of D7slopea.計(jì)算至38000步； b.計(jì)算至46000步； c.計(jì)算至76000步； d.計(jì)算至100000步

3.3.1 緩慢變形階段

初始階段(38 000步)，剪應(yīng)力集中帶首先出現(xiàn)在坡腳，并沿與層面法向夾角約8°的方向向坡內(nèi)延伸(圖12a)，主要分布在下部軟硬互層段巖體的最大彎曲曲率處； 此時(shí)坡腳局部巖層受侵蝕掏空和庫(kù)水強(qiáng)度劣化的作用首次出現(xiàn)彎曲-塊體傾倒復(fù)合變形(圖13a)。隨之，中上部巖體發(fā)生應(yīng)力與變形響應(yīng)。彎曲變形形成曲率半徑越大，彎曲程度越不明顯，因此當(dāng)下部軟巖區(qū)變形發(fā)展至中部硬巖層附近時(shí)極易出現(xiàn)與下部變形較大巖體的“脫層”現(xiàn)象，造成局部巖體坍塌。而上部巖體雖出現(xiàn)應(yīng)力與位移調(diào)整，出現(xiàn)微小拉裂隙，并產(chǎn)生沿局部貫通裂隙剪切錯(cuò)動(dòng)的跡象，但由于中部硬巖段的支撐，上部未能及時(shí)產(chǎn)生彎曲變形。此階段中部硬巖起到“梁”的作用，邊坡整體相對(duì)穩(wěn)定。

圖13 D7邊坡變形演化過(guò)程Fig.13 Deformation evolution of D7slopea.第38000步； b.第46000步； c.第76000步； d.第100000步

3.3.2 加速變形階段

計(jì)算至46 000步時(shí)，邊坡已進(jìn)入變形快速發(fā)展階段，深部剪應(yīng)力集中區(qū)向中部硬巖發(fā)展，并在硬巖區(qū)形成剪應(yīng)力集中帶(圖12b)，量值達(dá)2.0MPa。此時(shí)從下部巖體垮塌區(qū)的上沿延伸出第二級(jí)剪切帶，并向坡內(nèi)延伸，此時(shí)中部硬巖繼續(xù)支撐上部巖體，從而在硬巖區(qū)靠坡外側(cè)形成第2個(gè)剪應(yīng)力集中區(qū)，并具有向臨空面剪出的趨勢(shì)； 對(duì)應(yīng)于變形圖(圖13b)，此時(shí)下部巖層彎曲加劇，上部巖層隨之出現(xiàn)明顯的拉裂縫，并已產(chǎn)生較明顯的剪切錯(cuò)動(dòng)。

計(jì)算至76 000步時(shí)，坡內(nèi)已形成兩條明顯的剪應(yīng)力集中帶(圖12c)，且硬巖區(qū)剪應(yīng)力集中明顯。由于下方軟弱巖體的持續(xù)傾倒，硬巖失去支撐，無(wú)法進(jìn)一步承受上部荷載，從而出現(xiàn)剪切變形，此時(shí)硬巖的巖梁作用發(fā)揮到極限，并逐漸消散。

由變形圖(圖13c)可見(jiàn)，坡內(nèi)已形成較明顯的第二級(jí)破裂面，巖梁端部出現(xiàn)較明顯的反向拉張裂縫，并且二級(jí)破裂面以上巖體發(fā)生反折，使變形巖體整體呈現(xiàn)出S形的彎曲協(xié)調(diào)變形，與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查相一致。

此階段下部軟弱巖體由于自身彎曲和上部荷載同時(shí)作用，在其斷續(xù)裂隙處形成暫態(tài)穩(wěn)定的鎖固區(qū)，是導(dǎo)致巖梁產(chǎn)生“S”形變形的原因之一。鎖固區(qū)的存在使得硬巖層上部出現(xiàn)彎曲，而巖梁端部下部的軟硬巖互層結(jié)構(gòu)變形導(dǎo)致坡表產(chǎn)生塊體坍塌，此處約束的消失促使硬巖層上段出現(xiàn)向下彎曲。此外，兩破裂面間巖體為正常的彎曲式傾倒，由于該區(qū)域巖體質(zhì)量更大，因而在更大的慣性作用下，向前彎曲，而二級(jí)破裂面以上的反折區(qū)巖體質(zhì)量小，慣性較小，兩者之間的慣性差也促使兩部分巖體產(chǎn)生變形差，反折區(qū)變形滯后于正常傾倒區(qū)。多種因素共同作用，從而最終導(dǎo)致S型反折變形的產(chǎn)生。

3.3.3 失穩(wěn)破壞階段

計(jì)算至失穩(wěn)時(shí)(100 000)，沿彎曲巖體根部貫通的剪切錯(cuò)動(dòng)帶連接上部拉裂縫，剪應(yīng)力集中帶完全貫通，量值同時(shí)增加，是邊坡失穩(wěn)破壞的最大影響面。而靠近臨空面的剪應(yīng)力集中帶則是另一潛在滑動(dòng)面。對(duì)應(yīng)于變形圖(圖13d)，上部軟巖區(qū)出現(xiàn)明顯的拉裂縫和剪切錯(cuò)動(dòng)，同時(shí)下部軟巖區(qū)變形達(dá)到極限，沿最大彎曲點(diǎn)連線出現(xiàn)明顯的剪切錯(cuò)動(dòng)，形成貫通坡體的整體剪切帶I。同時(shí)，下部臨空面處塊體塌落加劇，促使二級(jí)破裂面貫通，形成整體剪切帶Ⅱ。兩條剪切帶共同作用使中部硬巖層的阻礙作用消散，呈現(xiàn)出最終的S形柔性彎曲變形，沿S的兩個(gè)反彎點(diǎn)均形成剪切帶，成為潛在的邊坡整體滑移面。整體破壞以過(guò)內(nèi)側(cè)第2個(gè)巖層反彎點(diǎn)的深部破裂面為界，其下部巖體變形微小。

3.3.4 與實(shí)際邊坡的對(duì)比驗(yàn)證

將模型邊坡的最終變形狀態(tài)(圖13d)與D7邊坡實(shí)際的變形(圖14)進(jìn)行對(duì)比，可見(jiàn)兩者相似性較高，實(shí)際邊坡中同樣可觀察到明顯的反折變形，以及沿反彎點(diǎn)延伸的剪切錯(cuò)動(dòng)帶。此外，數(shù)值模型的位移時(shí)程曲線走勢(shì)也與監(jiān)測(cè)資料(圖3)高度接近，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的有效性。

圖14 D7邊坡S形變形破壞Fig.14 S-shaped deformation and failure of D7slope

3.4 斷距-層厚對(duì)邊坡破壞的影響

進(jìn)一步探究斷距-層厚對(duì)反傾邊坡變形破壞的影響，在D7邊坡模型基礎(chǔ)上，進(jìn)一步概化，使巖層斷距與層厚的比值(S/T)分別為1、1.5、2、2.5，并保持其他參數(shù)不變，以分析不同斷距-層厚時(shí)反傾邊坡的破壞模式。

如圖15，邊坡在S/T≤2時(shí)，整體變形模式均為具有一定反折變形區(qū)的S型變形破壞，但不同之處在于S/T越大，反折變形區(qū)越小，中部硬巖區(qū)對(duì)反折的響應(yīng)也越小。S/T=2時(shí)(圖15c)的反折變形區(qū)及坡腳垮塌區(qū)范圍明顯小于S/T=1時(shí)(圖15a)，S/T=1.5時(shí)，中部硬巖區(qū)的S型變形已比較微弱。此外，坡腳局部垮塌范圍也隨著S/T的增大而減小。這是由于S/T越大，巖塊的長(zhǎng)細(xì)比越大，巖塊間的嵌固作用越強(qiáng)，巖體內(nèi)部越難形成貫通破裂面。

圖15 不同斷距-層厚比時(shí)的邊坡變形圖Fig.15 Deformation diagram of slopes with different ratio of fault distance and layer thicknessa.S/T=1； b.S/T=1.5； c.S/T=2； d.S/T=2.5

當(dāng)S/T>2時(shí)，邊坡的整體破壞模式出現(xiàn)較大變化(圖15d)，S/T=2.5，此時(shí)坡內(nèi)已無(wú)明顯的反折變形區(qū)，邊坡破壞模式轉(zhuǎn)變?yōu)檩^典型的彎曲-傾倒式變形?？梢?jiàn)斷距與層厚關(guān)系可影響反傾邊坡的破壞模式。

4 治理措施建議

綜合以上調(diào)查與模擬結(jié)果，對(duì)此類(lèi)庫(kù)區(qū)反傾邊坡的加固治理措施進(jìn)行探討。

坡腳破壞是坡體中上部變形破壞的直接誘因之一，因此，保證坡腳巖體的穩(wěn)定性可有效地抑制邊坡的整體變形，從而增強(qiáng)反傾邊坡的穩(wěn)定性。可采用錨噴、格構(gòu)梁等措施加固坡腳，增強(qiáng)坡腳巖體穩(wěn)定性，并抑制庫(kù)水對(duì)坡腳巖體的侵蝕軟化。

針對(duì)于中上部坡體可能產(chǎn)生的次級(jí)破裂面，可采用削坡減載措施，減小坡面坡度； 或采用預(yù)應(yīng)力錨桿錨索等抑制巖體的傾倒變形空間； 亦可通過(guò)注漿加固等措施，增加巖體強(qiáng)度，并增強(qiáng)巖體完整性，使巖體難以相對(duì)錯(cuò)動(dòng)或彎曲拉裂，從而增強(qiáng)邊坡的整體穩(wěn)定性。

5 結(jié) 論

本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與無(wú)人機(jī)傾斜攝影，獲得邊坡斷距-層厚特征的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上對(duì)D7邊坡S型破壞機(jī)理進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。主要得出以下結(jié)論：

(1)獨(dú)龍段邊坡屬陡傾內(nèi)逆向?qū)訝钇麦w，具有薄層狀及中厚層狀巖體結(jié)構(gòu)； 層面J1、外傾裂隙J2以及近垂直坡面的J3共同作用將巖體切割成塊。

(2)獨(dú)龍段邊坡根據(jù)軟硬巖分布可分2類(lèi)：軟巖占比約20%的A類(lèi)邊坡，包含D3、D4、D7邊坡； 軟巖占比約10%的B類(lèi)邊坡，包含D2、D8、D9； A類(lèi)邊坡斷距與層厚比S/T值明顯大于B類(lèi)邊坡。

(3)以斷距-層厚統(tǒng)計(jì)規(guī)律為依據(jù)，考慮庫(kù)水的侵蝕軟化作用，對(duì)D7邊坡的數(shù)值模擬表明，坡腳巖體率先出現(xiàn)彎曲或塊體式傾倒，隨后中上部坡體產(chǎn)生拉裂和剪切錯(cuò)動(dòng)，并逐漸形成貫通坡體的應(yīng)力集中帶，并最終形成整體性滑動(dòng)面。

(4)庫(kù)水侵蝕作用形成的凹腔是導(dǎo)致上部巖體傾倒變形的重要因素，坡腳的局部垮塌將導(dǎo)致反傾邊坡形成兩條破裂面，并由于巖體慣性等的差異導(dǎo)致邊坡形成S型反折式傾倒變形； 巖體斷距與層厚關(guān)系影響此類(lèi)邊坡破壞模式，當(dāng)S/T>2時(shí)，邊坡僅發(fā)生彎曲傾倒變形。