作者：朱永生

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在岩体工程实践中，作为岩体的基本构成要素，结构面通常成为控制岩体工程变形破坏机制和安全性条件的重要因素之一，且较为普遍地导致形成结构面控制性问题，如平面滑移、楔形体及其块状倾倒等典型破坏方式。

 

按组合形成块体的结构面类型不同，块体破坏一般可区分为确定性块体、半确定性块体和随机块体三类。其中确定性和半确定性块体定义为由长大结构面切割岩体形成的块体，随机块体则描述了由次级结构面如水力水电规范规程中IV、V级裂隙切割形成的不确定性块体。在岩体工程实践中，确定性和半确定性块体已被普遍关注，且对其稳定性分析评价已形成较为成熟的工作方法，如地勘及设计工作中普遍采用的赤平投影法和极限平衡分析方法，近年来基于离散元理论的数值分析方法也在大型工程实践中得到较为广泛的应用。

 

结构面控制型块体破坏问题并非是岩体破坏的唯一形式，此外还包括应力-结构面破坏、应力型破坏和大变形等基本类型。总体而言，岩体破坏类型取决于其岩性条件、结构面条件及其应力状态等条件的综合作用。块体破坏及其应力-结构面破坏均体现了岩体结构面条件对破坏的重要影响，或者说，这两种岩体破坏类型是岩体结构面条件起到控制作用时岩体所表现的典型变形破坏方式。需留意到，应力-结构面破坏还同时强调了岩体强度与应力水平之间的矛盾。以半确定块体为例，除以原生结构面作为变形边界外，还可因应力水平和岩体强度矛盾突出而形成次生破坏面，如地下工程建设中在洞室边墙可见的倾倒折断破坏现象。

 

结构面条件和应力状态并非是影响岩体变形破坏机制的两个孤立因素，实际上还起到互为制约的作用。在深埋岩体工程实践中，在应力集中区域（如大型地下厂房顶拱部位），由于较高的应力水平及其结构面强度条件的围压相关性，结构面变形行为可以得到显著抑制，此时即便应力集中区具有组合形成空间块体的结构面条件，岩体也往往主要表现为破裂、片帮甚至岩爆等高应力破坏方式，而不是结构面控制性类型；应力松弛区域（如大型地下厂房高边墙部位）则一般表现出迥异的变形破坏机制，如因应力释放引致的结构面张开、剪切滑移等结构面变形破坏现象。

 

由此可见，结构面条件与应力水平对岩体稳定性而言可近似视为一对此长彼消的影响因素。较之地下工程，岩质边坡建设往往更为普遍地面临结构面控制性岩体破坏问题的挑战。从岩体结构及其岩石力学角度，上述问题的本质主要在于： 

l   边坡岩体力学性质：受结构面切割作用，岩体实际是具有几何非连续性、力学性质非均质性以及各向异性等复杂力学特性的物理介质。或者说，具有上述力学性质的岩体成为决定包括边坡工程对象稳定性条件的物质条件；

l   边坡应力条件：较之深埋工程实践，边坡在漫长地质历史过程中应力路径总体以卸荷方式为主，现今应力水平总体不高。结构面对边坡稳定性条件的作用由此可表现的更为突出，较为普遍的引致结构面或结构面-应力型变形破坏问题，即边坡岩体的几何非连续特性可以得到相对充分的发挥。

 

离散单元法可真实描述岩体因结构面切割作用而具有的几何非连续性质，因此更适用于开展岩质边坡变形破坏和稳定性分析。然而，在诸如西部水利水电大型岩质边坡实践中，鉴于其物质条件特别是结构面条件的复杂性，往往需要对结构面输入条件作必要的甄别筛选以划分主次，求得在控制分析模型规模的同时，正确把握边坡问题的本质。

 

以上述讨论作为背景，本次简单介绍采用离散单元法进行岩质边坡稳定性模拟分析时需考察的几点问题以及解决方法建议：

1.       问题的提出

2.       岩质边坡破坏类型和结构面分析

3.       结构面模拟案例

4.       小结

 

1.         问题的提出

对结构面发育条件的考察是边坡工程勘察和地质分析的主要内容之一，不过传统常规地质工作可能会陷于流程化，特别是普遍存在将岩质边坡结构面调查分析与稳定性特征孤立开来的问题，最终地质成果往往无法合理指导开展边坡稳定性分析和设计工作。

 

常见问题之一是依据发育密度条件进行优势性结构面分组的确定方法很可能与边坡分析与设计工作的要求脱节，甚至会导致对边坡变形破坏机制形成错误认识。以图1为例，依据赤平投影裂隙极点等密图分析，地质人员可能将岩体优势性裂隙分组简单定为1、2、3三组。结构面对边坡稳定性的影响作用与其与边坡方位间的交切关系息息相关，从边坡稳定性角度，在既定边坡走向条件下，由于裂隙组1与边坡坡表近似垂直交切，对于边坡稳定性而言是较为有利的发育条件，此时针对易于与坡面及其他节理组切割组合形成块体的裂隙组4的补充调查或许更具有现实意义。

图1 边坡走向及结构面分布

 

结构面是构造运动及卸荷风化、温度等自然营力综合作用的结果，在具有强烈构造运动历史和恶劣自然环境的岩体边坡实践中，由于裂隙发育条件的复杂性，对现场地勘工作和边坡稳定性分析待输入合理裂隙条件提出更为苛刻的要求，这是边坡工程实践中可见问题的另一表现情形。图2为中国西部某水利水电工程坝址区边坡裂隙分布统计成果，在剧烈构造运动、河谷快速下切及循环冻融等因素作用下，边坡岩体裂隙尤为发育，且发育条件沿河流方向及其边坡高程方向变化强烈，同时表现出方位极其随机、优势性特征不明显的基本特性。这种复杂结构面分布条件往往导致分析人员陷于无所适从或者眉毛胡子一把抓的窘境。

图2 中国西部某水利水电工程坝址区边坡裂隙分布条件

 

从服务于稳定性分析及工程设计角度出发，此时就特别强调在地勘工作中应利用现场岩体变形破坏现象预判边坡潜在破坏机制，甄别不同方位结构面对边坡破坏机制的作用，并按其作用程度进行主次区分。在边坡稳定性分析环节，应依据结构面规模等级、对边坡稳定性条件作用的主次性等因素渐次开展模型分析。显而易见，这种处理方式一方面可合理把握边坡在控制性结构面作用下的潜在变形破坏机制，同时也利于量化考察次要结构面对边坡变形稳定的影响，另一方面也方便工作人员对模型分析的计算规模进行有效控制。

 

2.          岩质边坡破坏类型和结构面分析

以上讨论特别强调了边坡潜在变形破坏机制对现场地勘工作及稳定性分析的指导意义。除依据现场变形破坏现象进行预判外，还应结合必要的地质分析进行复核。其中，赤平投影分析即为简单有效的岩质边坡稳定性分析方法。

 

2.1         岩质边坡基本破坏类型

图3为结构面控制性岩质边坡典型破坏类型。其中，平面滑动、楔形体（四面体）和倾倒破坏是常见的结构面控制性破坏方式，当结构面发育程度高、岩体结构极为破碎时，边坡还可能沿圆弧面发生滑动破坏。基于赤平投影方法的块体稳定性评价方法对图3中前三个模式的破坏问题具有特别好的针对性，但无法满足圆弧状破坏滑面的岩体稳定性评价的要求。此时，以条分法作为原理的极限平衡法更具针对性，必要时可考虑采用连续介质力学方法进行稳定性分析（该破坏方式不作为本次讨论的对象）。

图3 岩质边坡典型破坏模式

 

平面滑动、楔形体与倾倒破坏是块体失稳最常见的形式，在研究上也较为简单。三个以上结构面与开挖临空面组合形成的复杂块体及其稳定性可通过离散单元法模型得到自动描述。

2.2        破坏模式识别与结构面分析

赤平投影法通过判断结构面和开挖面的空间组合关系确定块体的几何形态、空间分布和可能变形位移方位，从而直观地初步得到岩质边坡块体破坏风险和稳定性条件。图4给出了基于赤平投影法的平面滑移、楔形体和倾倒破坏模式的发生条件和识别方法，图中阴影部位指示了破坏模式所对应的结构面极点或交线与坡面方位等要素之间的位置关系。

图4 基于赤平投影法的典型块体破坏模式识别

 

参考图4(a)，平面滑移块体失稳破坏应满足基本条件：(1)块体两端受到的约束强度可忽略不计；(2)结构面倾向αj与坡面倾向αf之间夹角不应大于β即满足关系式|αj-αf|≤β，Hoek等人建议取β=20o。当β超过上述条件时，块体平面滑动风险可因其一端厚度增加、形成较高的抗剪断条件而得到明显抑制；(3)结构面倾角ψj满足φj<ψj<ψf，其中，ψf、φj分别为坡角和结构面摩擦角。其工程意义在于，ψj<ψf保证了块体剪出口在坡面有效揭露，φj<ψj则明确了平面滑动所需的强度条件，即结构面倾角应大于其摩擦角。

 

图4(b)描述了楔形体破坏所需的必要条件：(1)结构面A与B应可以形成相交关系；(2)结构面交线在赤平面内的投影点I的倾角ψj应满足_φj<ψj<ψf，_φj为结构面A与B摩擦角的平均值，该条件的工程意义与平面滑动的条件前提(3)一致。投影点I的倾向αi指示楔形体的滑动方向，当其与结构面倾向满足关系αi<αA或αi<αB时，楔形块体沿结构面A或B倾向滑动，摩擦角_φj也应与相应滑面的摩擦角φj一致。

 

倾倒破坏是较为复杂的岩体破坏方式，按构造特征及作用的不同可分为层状倾倒、块状倾倒和两者的组合三种基本类型。其中，层状倾倒破坏在工程实践中较为典型，图4 (c)对其发生条件进行了描述：(1)结构面反倾坡内；(2) 结构面倾向与坡向夹角满足关系式|αj-αf|≤β，Hoek等人建议取β=10o；(3)结构面倾角ψj、坡角ψf和结构面摩擦角φj满足下式关系：

2.3        对数值分析的指示意义

岩质边坡在现场可见的变形破坏现象，以及基于诸如赤平投影法复核分析可综合帮助确定边坡潜在变形破坏机制，以及相应的控制性结构面条件，从而为基于离散单元方法的边坡稳定性分析确定结构面输入条件和主次关系。此外，针对平面滑动与倾倒破坏这两种情形，其定义的夹角参数β在数值分析中具有灵活调整的空间，并不一定需严格按Hoek建议取值。

3.          结构面模拟案例

中国西北地区某大型水利水电工程库区岩质边坡在蓄水过程中出现持续变形现象。大量补充勘探揭示，变形主要出现在坡顶平台及个别山梁中部高程一带，且变形与蓄水高程具有强烈的相关性。

 

现场变形现象主要表现为坡表特别是坡顶平台一带出现明显的错台式变形，形成大量与河流方向基本平行的剪切裂缝、且伴随有局部张开现象。结合大量地质分析表明，边坡变形机制与倾倒变形一致。

 

分析基本勘探成果可知，除若干断层外，边坡内发育有多组优势性结构面。由于工程区域历史构造运动较为强烈，裂隙发育条件在边坡内具有一定程度的空间差异性；同时，优势性结构面间距、贯通率也存在差异。结合边坡潜在变形破坏机制及其结构面控制性分析，最终确定3组重点裂隙组作为边坡稳定性平面分析的结构面条件。在模型分析过程中，依据规模等级及其控制性性质依次纳入结构面，在正确描述边坡潜在变形破坏机制的同时，量化对比不同结构面条件对边坡变形稳定性的影响。

 

模型设置及计算结果（水平向变形）图5所示，工况1模型中仅考虑了断层，工况2、工况3、工况4则以工况1作为前提，依次纳入了反倾结构面、顺坡向结构面及其缓倾坡外的次级裂隙。依据分析结果可见：

l   考察工况1水平变形分布特征，可见断层等长大结构面作为不连续边界控制了边坡变形的整体格局，显著变形主要分布在坡顶前缘一带，且未见边坡内有；

l   考察工况2计算结果，经纳入陡倾坡外的优势性裂隙后，反倾结构面错动变形明显，边坡表现出典型的倾倒变形现象。对比工况1可见，反倾结构面基本未改变边坡总体变形分布格局，其作用更多体现在对岩体变形模式的改造结果；

l  工况3、4分别对应于依次纳入顺坡向和缓倾坡外次级裂隙的计算结果。对比工况2可见，经考虑顺坡向和缓倾坡外次级结构面后，边坡变形方式维持为倾倒变形模式，差异则体现在倾倒变形水平有一定幅度变化。

图5 结构面模拟案例

 

在该边坡工程稳定性分析案例中，除优势性结构面的方位因素外，还特别考察了优势裂隙间距、连通率因素在不同岩体结构带内的差异对边坡变形模式和变形水平的影响。简单来说，对于具有复杂结构面发育条件的大型岩质边坡，除结构面力学特性外，边坡稳定性分析成果的合理性往往还需要全面考察其分布因素的影响。

 

4.     小结

在岩质边坡工程实践中，由于结构面的几何非连续性质具有较为充分发挥的应力条件，结构面控制性变形破坏是需面临和解决的主要问题，如普遍可见的块体破坏问题。

 

离散单元法可直接描述岩体的几何非连续性质，因此可作为岩质边坡稳定性分析的首选工具，稳定性分析成果的合理性与其结构面输入条件密切相关。现场变形破坏现象调查及其必要的地质复核分析可以帮助预判边坡潜在变形破坏机制，同时为模型分析确定结构面输入条件，及其结构面模拟的次序关系。

 

结构面优势性方位与边坡走向间交切关系是决定结构面控制性问题变形破坏机制的首要因素。然而，对于结构面发育条件复杂的情形，往往还需要考察结构面面间距、连通率等因素的综合影响。以同时发育有反倾、顺坡向优势性结构面的边坡为例，此时倾倒或剪切滑移均是边坡可能的变形破坏模式，因此两者具有互竞性质，边坡最终变形破坏性质显然还取决于结构面间距、连通率等这些具体因素。

 

参考文献：

[1]                       Hoek E，Bray J W. Rock Slope Engineering[M]. London：E and FN Spon，1981.

[2]                       3DEC 7.0 Manual. Itasca Consulting Group, Inc.