第四讲：岩石高边坡变形稳定性及其控制

2020/2/16边坡稳定性分析李建中岩石高边坡稳定性及其控制2020/2/16边坡稳定性分析李建中大量事例表明，人工边坡在开挖过程中的变形破裂响应与自然边坡在河谷下切过程中所发生的响应具有相似形，均属于“卸荷”响应。从变形破坏的地质-力学行表现上，这种变形具有两种基本性质：一是“表生改造型”的变形和破裂：即岩质高边坡形成过程中，伴随河谷的下切或边坡的开挖，边坡应力释放，从而驱动边坡岩体产生变形和破裂，以适应新的平衡状态，这个过程我们称之为表生改造。这个阶段驱动边坡变形和破裂的动力是边坡开挖引起的内部应力释放，可以称为“释放应力”。1开挖过程中高边坡变形破坏响应2020/2/16边坡稳定性分析李建中二是“时效性质的变形”。当边坡完成表生改造而形成新的应力场体系后，边坡的应力场将转为以自重应力场为主的状态。这时，边坡可能有两种走向，一是由于没有进一步变形的条件从而形成新的稳定结构而处于平衡状态；另一种走向就是边坡内存在不良的地质结构，边坡将在自重应力场的驱动下，继续发生随时间的变形破裂过程，这个过程我们称之为时效变形。显然，这个阶段驱动边坡变形、破裂甚至破坏的“动力”是边坡的自重。最后，随着“时效变形”的发展，边坡将进入以潜在滑动面累进性破坏、滑动面贯穿、滑面形成为特征的破坏阶段。1开挖过程中高边坡变形破坏响应2020/2/16边坡稳定性分析李建中（1）强烈变形及破坏区（2）时效变形区（3）表生改造区（4）应力约束区破坏区时效变形区表生改造区应力约束区1开挖过程中高边坡变形破坏响应2020/2/16边坡稳定性分析李建中边坡岩体的“表生改造”和“时效变形”是边坡稳定性地质-力学行为的两个重要方面。理论上，在卸荷条件下任何高边坡都是在经历表生改造以后，才进入后续的时效变形阶段；也只有通过时效变形，潜在滑动面才得以充分发育并最终贯穿，从而导致边坡的最终失稳。边坡经表生改造进入时效变形，再由时效变形进入最终的破坏阶段，严格说来，这是任何一个边坡演化都将经历的三个阶段。1开挖过程中高边坡变形破坏响应2020/2/16边坡稳定性分析李建中(1)性质和特点表生改造是与坡体开挖过程相伴生的地质-力学行为，是卸荷回弹性质的变形。有以下特点：•表生改造的变形与边坡的开挖卸荷有很好的对应关系，是一种开挖坡体由于卸荷作用产生的回弹变形，•这种变形性质宏观上是“弹性”的，随着开挖的进行，卸荷的过程而产生，一旦开挖过程结束，变形很快就停止，几乎没有后续的变形。•变形的方向也是指向与临空面垂直方向的；•会产生与变形相对应的卸荷破裂，但方向是平行临空面的。表生改造一方面起到释放坡体应力，促进边坡应力场形成的作用；另一方面，这个过程的发生形成了边坡浅表部的“卸荷松弛带”，从而劣化了岩体的工程地质条件，主要表现在：卸荷松弛带破坏了边坡的岩体结构，导致岩体宏观强度和结构面强度的降低，形成边坡继续变形的几何和力学边界条件等。关于表生改造变形2020/2/16边坡稳定性分析李建中有的边坡表生改造完成后，就会处于稳定状态，不会产生随时间的变形，即进入不了“时效变形”阶段。反映在监测曲线上就是变形随开挖过程而发展，尽管开挖过程中还可能出现较大的变形速率（高应力、快速开挖情形），但开挖结束后，位移速率将迅速降低，并趋于平缓，两者基本同步（“同步型”）；边坡进入不了时效变形，进而也没有整体失稳破坏的可能。因此，这类边坡通常整体是稳定的。(2)条件那么，什么样的边坡只产生表生改造变形呢？显然识别这类边坡是很重要的！边坡内没有特定的不利结构面或结构面组合！关于表生改造变形2020/2/16边坡稳定性分析李建中三峡船闸高边坡1999.05（整体块状结构岩体的边坡）2020/2/16边坡稳定性分析李建中TP21GP02测点（右线南坡15571,高程200m）变形过程线（据[28]）变形监测情况外观点变形2020/2/16边坡稳定性分析李建中应力调整带微新岩体全强风化带微新岩体弱风化带下部弱风化带下部弱风化带上部全强风化带强卸荷带弱卸荷带应力调整带弱卸荷带强卸荷带弱风化带上部三峡船闸高边坡卸荷带概化示意图开挖引起的卸荷2020/2/16边坡稳定性分析李建中工程概况岷江紫坪铺水电站2020/2/16边坡稳定性分析李建中8007509002020/2/16边坡稳定性分析李建中7007508岷江成阿公路22#硐808.00800.00delQdlQN10°-40°E/SE∠55°-70°含煤粉砂岩,局部夹薄层状煤质页岩dlQ中粒砂岩夹泥质粉砂岩底部含煤含砾33xj14-133xj13-933xj13-833xj13-733xj13-633xj13-45+L12中粒砂岩,局部含煤粉砂岩,煤质页岩含煤细-中粒砂岩底部为含砾砂岩N40°-70°E/NW∠45°-65°L1133xj13-2粉砂岩夹细砂岩,煤质页岩含煤含砾中粒砂岩33xj13-1粉砂岩夹泥质粉砂岩13-11-33xj13-333xj13-1含煤含砾中粒砂岩33xj12-333xj12-433xj12-233xj12-133xj11L10煤质页岩,泥质粉砂岩L9煤质页岩,粉砂岩含煤含砾中粒砂岩中粒砂岩粉砂岩夹煤质页岩,中粒砂岩alQ2485090070075088509000102030405060708090100110120130140150160170180190200210220230240250260270280290300310320330340350360370380390400410420430440450460470480490500510520530540550560570引水洞开挖线冲砂洞开挖线进水口边坡的岩体结构特征2020/2/16边坡稳定性分析李建中L10边坡中下段上游侧2020/2/16边坡稳定性分析李建中软岩基座原地形线开挖线相对硬岩L10L11变形破裂机理—压缩倾倒型2020/2/16边坡稳定性分析李建中硐脸边坡857m便道一带L11下部岩层的倾倒拉裂缝硐脸边坡顶部因压缩蠕变倾倒引起的墙体拉裂现象变形破裂现象2020/2/16边坡稳定性分析李建中读数仪集线箱多点位移计(6点式)4点式位移计电缆多点位移计钻孔(水平孔）项目1.31.51.421.631.1序号规格型号05-375V12(10芯)AC-1-48GK403GeokonA-6-6台m台m套133011622单位数量821.1815.3827.4836.3841.1852.3842.2835.6829.6831.4819.2811.1791.1784.3752.5766.2766.4760.2752.6766.6760.7776.0782.6771.7793.2796.0784.9789.2797.2797.9789.0783.4793.9778.7767.4767.3823.1827.3836.3846.9826.7801.6785.3791.7802.0791.1786.1785.6776.9768.2778.4782.8789.8847.2878.7877.280081582082583083584084585085586587087588088535463300ADDCCBB多点位移计(4点式)GeokonA-6-4套36点式位移计电缆06-500V7(12或14芯)m100镀锌铁管φ25-100mmm300φ76mmA4点式位移计电缆多点位移计钻孔(水平孔）05-375V12(10芯)mm15030多点位移计(4点式)GeokonA-6-4套1φ76mm预留工作量MP1MP2MP3MP4引水发电洞进水口边坡监测布置图边坡变形监测MP52020/2/16边坡稳定性分析李建中图MIP1多点位移计时间-位移过程线-5.0000.0005.00010.00015.00020.00025.00030.00035.00040.00045.00050.00055.00002-11-3002-12-1402-12-2803-01-1103-01-2503-02-0803-02-2203-03-0803-03-2203-04-0503-04-1903-05-0303-05-1703-05-3103-06-1403-06-2803-07-1203-07-2603-08-0903-08-2303-09-0603-09-20时间位移（mm）0.0m4.0m10.0m18.0m30.0m图发电引水洞进口边坡MIP1位移-孔深曲线-5.0000.0005.00010.00015.00020.00025.00030.00035.00040.00045.00050.00055.0000.05.010.015.020.025.030.035.040.0孔深(m)位移(mm)2003-2-162003-3-72003-3-302003-4-272003-5-31MIP1多点位移计时间－位移过程线MIP1多点位移计位移－孔深曲线边坡变形监测2020/2/16边坡稳定性分析李建中图MIP4多点位移计位移-时间过程线-5.00.05.010.015.020.025.030.035.040.045.050.055.060.065.070.002-11-1202-11-2602-12-1002-12-2403-01-0703-01-2103-02-0403-02-1803-03-0403-03-1803-04-0103-04-1503-04-2903-05-1303-05-2703-06-1003-06-2403-07-0803-07-2203-08-0503-08-1903-09-0203-09-1603-09-30时间位移（mm）0.0m3.0m7.0m12.0m18.0m26.0m图MIP4多点位移计位移-孔深曲线-5.000.005.0010.0015.0020.0025.0030.0035.0040.0045.0050.000510152025303540孔深(m)位移(mm)2003-1-152003-2-152003-3-12003-3-1003-3-202003-3-31MIP4多点位移计位移－孔深曲线MIP4多点位移计时间－位移过程线边坡变形监测2020/2/16边坡稳定性分析李建中①随着边坡的开挖（约7个月），边坡的变形有明显增大的趋势；在受支护措施控制的情况下，边坡的最大变形量已达55mm以上。从2002年11月30日开始（不包括此前的变形），到2003年5月31日，位于865高程的MIP4测点表面点的位移量为55.8mm，845m高程的MIP3测点表面点的位移量为32.5mm。随着高程的降低，边坡的变形具有减弱的趋势，表现在边坡的变形量及变形涉及深度均逐渐减小。②从位移与孔深的关系看，开挖量较大的硐脸边坡，845m高程以上的MIP1、MIP3、MIP4等监测点一带的边坡变形的最大涉及深度一般可达25－30m左右，但变形主体发生在0-10~12米的范围内，如MIP4测点位移主要发生在7.0m以外的坡体，而7~26m位移随深度的增加而递减，26.0m以内的岩体已基本未有变形。边坡变形监测2020/2/16边坡稳定性分析李建中③2003年2月初，随着开挖量的增大，边坡的变形持续增大，自2003年4月中旬始，随着坡体开挖结束、锚索支护的加强以及进水口处闸室修建等，尤其是边坡上部对穿锚索的施工完毕，边坡的变形明显得到控制，位移曲线逐渐趋于平缓，2003年5月份各支仪器表面点的平均位移速率均小于0.10mm/d，2003年5月份始边坡已趋稳定。④上述监测资料显示，开挖边坡的变形具有倾倒变形的特征，这与边坡结构分析及边坡的变形迹象所显示的变形特征具有较好的一致性。边坡变形监测2020/2/16边坡稳定性分析李建中认识（1）边坡的变形随着开挖的进行而发展，开挖的结束而停止，两者基本同步。表明这种变形的产生主要受开挖卸荷的影响，是边坡开挖过程中，坡体的卸荷回弹的调整变形，变形本身具有“弹性性质”。变形的量级最大50-60mm。（2）边坡的变形主要发生在浅表层