陡倾顺层岩质边坡溃屈失稳机制研究-以大奔流沟料场为例

陡倾顺层岩质边坡溃屈失稳机制研究——以大奔流沟料场为例摘要层状岩体在自然界中占据面积较大，较容易形成地质灾害的岩体结构，相对于顺层岩质边坡来讲，倾倒所引起的滑坡难度较大，所以顺层岩质斜坡是层结构岩体发生破坏的最主要斜坡结构形式，而溃屈破坏是顺层岩质边坡最主要的破坏方式之一。本文以大奔流沟料场为例来研究陡倾顺层岩质边坡溃屈失稳机制，并用相似材料做底摩擦实验，主要研究成果如下：利用相似材料做底摩擦模拟实验模拟顺层溃屈失稳机制。简述顺层边坡溃屈机制两种研究理论：弹性板理论和压杆理论，并讨论其异同。以大奔流沟料场为例分析得出其可能存在的5种破坏模式：①开挖边坡压剪变形溃屈破坏；②开挖边坡深层滑移剪出破坏；③开挖边坡浅层滑移剪出破坏；④开挖边坡切脚破坏；⑤开挖边坡局部块体破坏。其中，②发生的可能性较小，而③、④、⑤一般局部发育且规模较小，仅①在西侧正面边坡各类破坏模式中最为常见，且一旦发生，规模较大，后果较为严重。本项目以压剪溃屈破坏模式为主要研究对象，结合大奔流沟料场的工程地质条件做数值模拟计算。关键词：顺层岩质边坡，溃屈失稳Abstract目录823_WPSOffice_Level1第一章绪论 926974_WPSOffice_Level21.1选题目的和意义 915462_WPSOffice_Level21.2研究现状综述 1015462_WPSOffice_Level31.2.1溃屈失稳机制研究现状 1016694_WPSOffice_Level31.2.2溃屈失稳影响因素 108121_WPSOffice_Level31.2.3溃屈失稳稳定性评价方法 1116694_WPSOffice_Level21.3本文研究思路 1226974_WPSOffice_Level1第二章顺层陡倾岩质边坡溃屈破坏物理模型试验 148121_WPSOffice_Level22.1底摩擦试验设备及原理 1418761_WPSOffice_Level22.2相似比关系 146525_WPSOffice_Level22.3相似材料模型制作及检测方案 1511687_WPSOffice_Level22.4实验过程及结果 1615462_WPSOffice_Level1第三章陡倾顺层岩质边坡溃屈分析理论 2224717_WPSOffice_Level23.1压杆理论 2216539_WPSOffice_Level23.2弹性板理论 248541_WPSOffice_Level23.3压杆理论和弹性板理论的区别 2531424_WPSOffice_Level23.4溃屈稳定性评价 2516694_WPSOffice_Level1第四章大奔流沟料场边坡稳定性评价 2616459_WPSOffice_Level24.1料场边坡工程地质条件 2631533_WPSOffice_Level34.1.1地质环境 2627172_WPSOffice_Level34.1.2地质构造 271893_WPSOffice_Level34.1.3水文地质 273090_WPSOffice_Level34.1.4人类工程活动 2727776_WPSOffice_Level24.2料场边坡溃屈稳定性评价 2823443_WPSOffice_Level24.3料场边坡溃屈数值模拟 3025510_WPSOffice_Level34.3.1边界条件与计算参数选取 312398_WPSOffice_Level34.3.2数值模拟计算结果分析 318121_WPSOffice_Level1第五章结论及展望 3713492_WPSOffice_Level25.1结论 3729169_WPSOffice_Level25.2展望 3718761_WPSOffice_Level1致谢词 3827981_WPSOffice_Level2参考文献： 39第一章绪论1.1选题目的和意义层状构造岩层在自然界中非常常见，不仅存在于沉积岩中，还存在于一些岩浆岩和变质岩中，由于其广泛的分布面积，层状斜坡在公路、铁路及水利水电工程中更加常见。在层状岩质边坡中，根据岩层倾向于斜坡坡向的关系可分为反倾边坡和顺向边坡，而顺向边坡稳定相差，危害大，如三峡库区[10]，顺层边坡破坏形式分为两种：一种为顺层滑移，另一种为溃屈破坏，如图1所示，对于溃屈边坡来讲，多发生在深层河谷边坡处，形成较大规模滑坡时，规模较大，但对于一些软岩边坡来讲，规模较小，但大多数为大型滑坡[14-15]，如黄河上游已建的李家峡水电站坝前左岸的2号滑坡[16]，滑坡长度大于500m，体积为1845×104m3、四川白水江的汉平坝水电站坝[17]，前左岸滑坡、雅碧江上游的锦屏水电站右岸边坡、二滩水电站的霸王山滑坡[18]，滑坡长度逾600m，体积约2000×104m3，鸡鸣寺滑坡[19]长度为300m，体积为50×104m3，如此大规模的滑坡不仅影响基础设施的安全运行、生产的顺利进行，同时给当地居民的生命财产造成了损失[20]。锦屏一级水电站位于四川省凉山州盐源县雅砻江普斯罗沟峡谷内，是雅砻江干流上的重要梯级电站工程。2008年10月30日，锦屏一级水电站大奔流沟料场开始揭顶开挖；2014年7月10日，水电水利规划设计总院组织专家通过锦屏一级水电站第四阶段蓄水验收鉴定；2014年11月29日，锦屏一级水电站正式建成并投入运营；大奔流沟料场竣工形成顺层陡倾443m岩质特高人工边坡，为国内外最高的顺层陡倾岩质人工边坡。本研究，以锦屏一级水电站大奔流沟料场顺层陡倾岩质特高人工边坡为典型研究对象，采用现场勘察、地质分析与判断、室内和现场力学试验、理论分析计算、数值模拟等多方法、多手段，分析人工边坡变形机制与破坏模式，并评价边坡稳定性和发展趋势，同时为类似特高人工边坡治理工程提供合理的防治措施。图1-1陡倾顺层岩质边坡的滑移—弯曲(或溃屈)模式1.2研究现状综述1.2.1溃屈失稳机制研究现状滑移弯曲也称之为溃屈，是王兰生、张倬元在20世纪70年代所提出的“斜坡岩土体破坏形成演化力学机制模式”的一种[21]，之后，许多学者依据野外工程现象对溃屈进行研究[22-30]，20世纪80年代，孙广忠教授对溃屈破坏做了初步探讨与研究，CaversDS（1981）以平坡三段溃屈等破坏模式研究斜坡溃屈机制[31]，赵平劳（1989）通过研究说明溃屈破坏是由河谷卸荷引起坡脚弯曲，并发生张性破裂，随时间推进最终折断[32]，张倬元等（1994）提出滑坡的滑移-弯曲地质力学模式，并将溃屈破坏分为三个演化过程：(a)轻微弯曲：在斜坡坡脚处，岩层轻微隆起，形成层面小规模错动；(b)强烈弯曲-隆起：在上部岩层自重作用下，岩层弯曲程度增大，并在隆起段出现X型裂隙、层间出现空腔；(c)切出面贯通：在弯曲段发生折断，上部岩层沿层面滑出[33]。李树森（1995）等通过研究说明了溃屈型滑坡包括了顺层滑动和切层滑动两个部分，并从物质构成、力学参数以及变形方式分析顺层滑带和切层滑带在的差异性，着重探讨了两者力学参数的关联性[34]，朱冬林等（1999）也将溃屈滑坡分为顺层和切层两部分来看待，探讨了如何确定两段分界点及其力学参数选取问题，并分析水在整个溃屈过程中所起的作用[35]，朱晗迓（2004）等利用三段式分析了溃屈变形的整个过程，并建立力学模型说明溃屈变形破坏机理[36]，严明（2005）等补充提出了4阶段演化论：在强烈弯曲-隆起后，随着时间推移，弯曲段岩层逐渐破裂，压碎、散体，值到弯曲段岩层折断[37]。黄润秋（2007）不仅分析滑移-弯曲变形过程及机制，还提出相应治理对策[38]，还有很多学者如刘钧（1997）、李桂荣（1997）、孙国富等（2003）及涂国祥（2005）等[39-49]对顺层边坡溃屈破坏机制进行研究与探讨，均认为岩层在自重作用及上部工程作用力共同作用下，坡脚发生应力集中，随着斜坡坡高增加，坡脚应力差增大，岩层在坡脚处发生弯曲变形，随着变形能不断积累，变形逐渐增大，弯曲岩层被压碎，发生破裂，最终折断，岩层沿断面剪出。1.2.2溃屈失稳影响因素在具备形成溃屈的条件前提下，形成溃屈破坏的难易程度受诸多因素的影响，早在20世纪末，潘瑞林（1990）采用弹性力学理论和弹性稳定理论，对多层“板裂”结构进行研究，得到多层模型发生溃屈失稳的临界荷载和临界坡长，根据公式，提出了坡长L、坡角α、地震和坡顶荷载、岩石容重、弯曲刚度D对斜坡溃屈失稳有影响，但只做了简单分析：高、陡边坡较低、缓边坡容易发生溃屈破坏，岩石容重增大，会加速边坡发生溃屈破坏，软弱岩层较坚硬岩边坡更易于发生溃屈破坏[52]，之后，杨清廷（1993）利用可计算大变形的双重非线性有限元程序DNPSAP，结合地质力学模型试验，着重探讨了斜坡坡角、坡长和岩层单层厚度变化对岩层弯曲失稳的影响：斜坡倾角的变化时，坡脚与坡顶拉应力范围明显发生变化，斜坡长度越大，各截面的弯矩就越大，截面应力分布越不均匀，岩层弯曲越明显，更容易发生破坏，并且通过模型试验得到岩层较薄时，斜坡下部发生溃屈，而顶部有可能出现倾倒[53]；朱晗迓（2004）考虑静水压力和地震作用力，将岩层溃屈视为压杆失稳建立模型，通过临界坡长求解公式得到影响溃屈主要的因素有层面倾角、层面力学参数c值和φ值、岩层单层厚度、岩石的弹性模量，分析了各因素对临界坡长的影响关系：临界坡长随岩石弹性模量增大而缓慢增大，随面层面力学参数增大，临界坡长先缓慢增大，到达一定值后突然增大；层面倾角较小时，随着倾角增大，临界坡长迅速减小，到达一定值后，随着倾角增大，临界坡长缓慢减小[36]；朱玉平（2004）在力学分析过程中发现，岩层厚度、弹性模量、层面粘聚力、内摩擦角和坡角对溃屈的变形破坏影响较大[57]，不仅给出了各因素与临界坡长关系曲线图，还依据优势分析方法给出了各不同影响因素主次关系：在岩层的倾角α、滑移面的粘聚力c、摩擦系数tanφ、岩体弹性模量E和岩层的单层厚度h这些因素中，对溃屈最小长度Lcr和斜坡弯曲变形程度χ的影响程度排序为：岩层的单层厚度h、滑移面的粘聚力c、摩擦系数tanφ、在岩层的倾角α、岩体弹性模量E；杜应琼（2014）在通过物理模拟及力学分析也对溃屈的影响因素进行排序[58]，得出的结论和朱玉平相同。通过以上文献分析，影响岩层溃屈失稳的主要因素有岩层倾角α、滑移面力学参数c、tanφ、岩体弹性模量E和岩层的单层厚度h、坡长L，其中岩层倾角、坡长越大，越容易溃屈、滑动面参数、岩体弹性模量越高，单层厚度越大，斜坡越稳定。1.2.3溃屈失稳稳定性评价方法顺层岩质边坡能否发生溃屈破坏是人们一直关心的问题，因此对溃屈的研究必须明确失稳临界条件，前人对溃屈破坏主要从临界荷载（Pcr）和临界坡长（Lcr）来进行判别，当边坡受到的纵向荷载大于Pcr时，边坡将发生溃屈，或者斜坡的坡长小于临界坡长Lcr时，就不会发生溃屈破坏，岩层溃屈破坏类似于杆件、板梁结构失稳破坏，主要是岩层结构失稳，而岩石破坏影响较小，采用的理论方法为弹性稳定理论，而非强度理论。早在1984年，孙广忠（1984）等在全国工程地质大会上正式提出了“板裂”结构，用压杆能量法建立层状岩体的单层模型，导出了单层溃屈失稳的极限荷载公式[50]；倪国荣（1987）考虑软弱夹层对其上的岩石（梁）施加的反力，并考虑垂直于x方向力的作用给出板的微分方程，求出临界荷载，但这也只是对单层溃屈模型进行过研究[51]；潘瑞林（1990）采用弹性力学理论和弹性稳定理论，对多层“板裂”结构进行研究，得到多层模型发生溃屈失稳的临界荷载和临界坡长[52]；杨清廷（1993）利用欧拉公式得到临界荷载，但公式中系数μ是通过有限元计算结合地质力学模型试验确定与倾角α有关的参数，取值灵活性较大，也只是一个半经验半理论公式[53]；李树森（1995），任光明（1997）通过能量法，将岩层简化为一端固定、一端铰支的梁，在前人的基础上考虑顶部荷载和层与层之间的粘聚力研究，得出多层溃屈的临界长度[34]；朱晗迓（2004）考虑静水压力和地震的影响，依然将岩层溃屈视为压杆失稳建立了弹性力学模型，并且分析了不同层数时边坡的失稳情况，虽然给出了临界坡长的计算公式，但求解过程困难，在实际应用中也只能估算临界坡长[36]；以上学者通过力学模型，虽然求解出临界坡长或者临界荷载的计算公式，但都是在将岩层失稳视为压杆失稳情况下得到的。刘小丽等（2002）将岩层视为岩板，除岩层自重外，考虑层面力学参数，建立模型，应用弹性板理论，利用能量法进行溃屈失稳研究，并求解出了临界长度[54]，冯君（2010）在刘小丽基础上进行了改进，将顺层岩质边坡当作是弹塑性板来考虑，弯曲部分的岩板可看为四边辊轴支撑的弹塑性受压板；但两者在建立力学模型时，未能考虑地震作用以及静水压力，所以岩层受力不全面[55]，肖慧（2014）将岩板视为二维受压板建立模型，岩层不仅受自重、层面摩擦作用，还受到地震作用及水的作用，采用弹性受压板的稳定理论，根据能量法进行稳定性分析，得到不同层数岩体结构的溃屈失稳推导出相应的临界坡长计算公式[56]。通过以上分析，可以看出，对溃屈长度及临界荷载和临界长度求取方面不断的改进与发展：(1)边界条件：由最初的两端采用铰支的方式（低端不存在弯矩），发展为底端固定（底端存在弯矩）、顶端夹支（岩层面可以滑动）；(2)模型：大部分人对溃屈的分析采用的还是压杆失稳模型，理论相对比较成熟，近几年来，部分学者将岩层视为板，考虑岩层宽度对溃屈的影响；(3)影响因素：最初只考虑自重，后来考虑顶部荷载、层间内摩擦角和粘聚力、静水压力及地震力。1.3本文研究思路依托锦屏水电站大奔流沟料场边坡工程，开展超高陡倾顺层岩质边坡变形破坏模式研究，分析其变形破坏特征，综合评价大奔流沟料场边坡稳定性。主要研究内容如下：相似材料物理模型实验利用相似物理材料模拟顺层边坡溃屈条件并进行数值模拟。陡倾顺层岩质边坡溃屈分析理论研究压杆理论和弹性板理论并比较其主要差别。大奔流料场边坡工程地质稳定性评价研究大奔流沟料场边坡工程地质环境及稳定性评价等。

第二章顺层陡倾岩质边坡溃屈破坏物理模型试验2.1底摩擦试验设备及原理试验仪器采用三相调频电机底摩擦试验仪，台面尺寸1.5m*1.4m，电机功率4kw。底摩擦法是以摩擦力在摩擦方向上的分布与重力场相似的性质，利用模型和底面之间的摩擦力来模拟模型体积力(重力)。底摩擦模型是由Goodman于1971年首先提出的，其基本思想是用摩擦力模拟重力。底摩擦试验原理即将研究对象的剖面制成模型，平放在可以持续移动的底板上，并使原剖面的深度方向与底板移动方向一致。随着底板持续移动，模型也随之移动。在底板移动方向有一固定框架，当模型受到这一固定框架阻挡时，在模型与底板接触面上每一点就形成摩擦阻力。F=μ其中P为作用于模型法向单位面积上的压力；μ为模型与接触面滑动摩擦系数；γ为模型材料容重；t为模型的厚度。2.2相似比关系几何条件相似系数：l受力条件相似系数：γR=δγm摩擦系数相似系数：f式中：l为几何尺寸，γ为材料的密度，σ为应力，f为摩擦系数；下标p、m分别代表原型和模型，下标R表示研究对象原型和模型相应项的比值。上述相似系数间关系由下式确定：σR=γ满足上述条件的试验模型一般为机制模型。2.3相似材料模型制作及检测方案通过查阅相关文献和试验，确定采用质量比黏土：石膏：水=10:1:2作为相似材料，并根据实际操作需要添加石膏质量0.5%的石膏缓凝剂延缓石膏的初凝和终凝时间。在瑜伽山北侧靠近东湖边选取一处土质较好无碎石和植物根系的区域进行取土。将取回的黏土分批次放入恒温鼓风干燥箱中，采用梯级升温法加热至110℃烘干8小时以上，取出干燥土块碾碎，通过0.5mm筛子得到试验用黏土。石膏采用高强石膏粉，细度0.3mm，初凝时间>6min，终凝时间>30min。石膏混凝剂采用磷酸盐型，石膏混凝剂掺量为0.5%时初凝时间>3h，终凝时间>5h。图4-3恒温鼓风干燥箱图4-4黏土、石膏和缓凝剂混合固体粉末用木条在底摩擦试验仪上搭建如图所示边坡框架。将黏土、石膏和缓凝剂充分混合成粉末状固体，用喷壶缓慢均匀加水拌和，直至达到设定比例。将拌和好的混合材料堆放到底摩擦试验仪上的木质框架内，用橡胶锤反复打击压实，最后用刮刀抹平，模型尺寸为150cm×120cm×4.5cm。图4-5模型制成抹平照片采用预制的不锈钢板按预设3cm层厚切割边坡层面，并在切割过程中向层面间加注润滑油，防止凝固过程中层面粘连。由于相似材料模型相对软弱且考虑到尽量减少对模型的影响，无法安装位移传感器，决定采用数字图像分析技术进行位移监测。在模型临空面一侧等距布置图钉若干作为观测标记，在底摩擦试验仪顶部架设用GoPro相机进行全过程图像采集。后期使用图像分析技术分析同一参考点在溃屈变形前后其像素改变大小。然后根据像素改变确定其水平面上的两个方向移。图4-6图像采集设备GoPro相机2.4实验过程及结果等待石膏终凝后即可进行试验，试验前检查电路及仪器正常状况，打开GoPro相机进行录制，接通电源进行调频器自检，一切正常后运行电机。先缓慢调节变频器至传送带开始运转，土样与传送带发生摩擦后适当加速，观察实验现象，并时刻关注GoPro相机图像采集状态。图4-7底摩擦试验仪变频器本次试验对同一模型重复进行三次试验，三组试验依次由表层至深层进行的，观察不同深度岩层溃屈过程，依次编号为试验1、试验2和试验3。模型坡角和倾角均为65°。（1）试验1（d）（b）（a）模型开始与传送带间摩擦，表层两层岩层开始逐渐发生变形，最终发生破坏，变形区在坡脚处。溃屈过程如下：（d）（b）（a）（c）（c）（f）（e）图4-8试验1溃屈破坏过程图（f）（e）根据宏观定性分析，陡倾坡外的层状岩质边坡产生溃屈破坏大致经历了如图4-8所示的几个过程：在传送带摩擦力荷载的驱动下，中上部岩体顺层间软弱面滑移，对应于图4-8（a）所示的主动传力区。由于层间软弱面埋入坡体内，致使岩体向下变形受阻，下部岩体形成被动挤压区而向临空面方向隆起，产生弯曲变形。在摩擦力以及上部层面挤压的持续作用下，边坡下部岩体发生压剪屈服，层状岩体由轻微弯曲（图4-8（b））发展为严重弯曲（图4-8（c）、（d））。层面张开，坡脚剪应变强烈集中，呈溃屈向外鼓出，并在边坡下部形成剪出口。岩体发生断裂（图4-8（e））。下部锁固段岩体刚度和强度削弱后将导致中上部岩体继续下错变形，坡脚部位岩体弯曲隆起加剧，最终导致锁固段岩体被剪断，边坡整体失稳（4-8图（f））。（2）试验2（b）（a）去除两层岩层，清理干净后重新架设仪器，启动仪器，仍有两层岩样发生变形，变形区在坡脚处，溃屈过程如下：（b）（a）（d）（c）（e） （f）（d）（c）图4-9试验2溃屈破坏过程图根据宏观定性分析，陡倾坡外的层状岩质边坡产生溃屈破坏大致经历了如图4-9所示的几个过程：在传送带摩擦力荷载的驱动下，中上部岩体顺层间软弱面滑移，对应于图4-9（a）所示的主动传力区。由于层间软弱面埋入坡体内，致使岩体向下变形受阻，下部岩体形成被动挤压区而向临空面方向隆起，产生弯曲变形。在摩擦力以及上部层面挤压的持续作用下，边坡下部岩体发生压剪屈服，层状岩体由轻微弯曲（图4-9（b））发展为严重弯曲（图4-9（c）、（d））。层面张开，坡脚剪应变强烈集中，呈溃屈向外鼓出，并在边坡下部形成剪出口。岩体发生断裂（图4-9（e））。下部锁固段岩体刚度和强度削弱后将导致中上部岩体继续下错变形，坡脚部位岩体弯曲隆起加剧，最终导致锁固段岩体被剪断，边坡整体失稳（4-9图（f））。（3）试验3清理干净后，重新开始试验，模型有五层土样发生变形，变形区在坡面中部处。溃屈过程如下：（b）（f）（e）（d）（c）图4-10试验3溃屈破坏过程图（f）（e）（d）（c）根据宏观定性分析，陡倾坡外的层状岩质边坡产生溃屈破坏大致经历了如图4-10所示的几个过程：在传送带摩擦力荷载的驱动下，中上部岩体顺层间软弱面滑移，对应于图4-10（a）所示的主动传力区。由于层间软弱面埋入坡体内，致使岩体向下变形受阻，下部岩体形成被动挤压区而向临空面方向隆起，产生弯曲变形。在摩擦力以及上部层面挤压的持续作用下，边坡下部岩体发生压剪屈服，层状岩体由轻微弯曲（图4-10（b））发展为严重弯曲（图4-10（c）、（d））。层面张开，坡脚剪应变强烈集中，呈溃屈向外鼓出，并在边坡下部形成剪出口。岩体发生断裂（图4-10（e））。下部锁固段岩体刚度和强度削弱后将导致中上部岩体继续下错变形，坡脚部位岩体弯曲隆起加剧，最终导致锁固段岩体被剪断，边坡整体失稳（4-10图（f））。三次试验有什么不同之处，有什么共同之处？陡倾顺层岩质边坡溃屈机制是什么？试验一、试验二和试验三均发生破坏且均为由于层间软弱面埋入坡体内，致使岩体向下变形受阻，下部岩体形成被动挤压区而向临空面方向隆起，产生弯曲变形，由轻微弯曲发展为严重弯曲，最终形成剪出口而发生断裂。试验一和试验二为试验结果相似，都是在坡脚处发生变形，均有两层土样发生变形，最终产生破坏。试验三为中部发生变形，且有五层土样发生破坏。可见陡倾顺层岩质边坡的溃屈模式为表面岩层在坡脚处发生隆起，产生弯曲变形，由轻微弯曲发展为严重弯曲，最终形成剪出口而发生断裂，之后继续影响深层岩层由坡中部发生隆起，产生弯曲变形由轻微弯曲发展为严重弯曲，最终形成剪出口而再次发生断裂。

第三章陡倾顺层岩质边坡溃屈分析理论3.1压杆理论根据溃屈破坏的地质力学模型建立一端固定一端夹支的压杆模型（图3-1）图3-1压杆分析模型李树森、任光明结合典型的溃屈型斜坡调查，建立力学模型前定义：盐城走向与坡向一致，岩层厚度相对于岩层长度来说较小，然后去单位宽度岩层，视为板梁建立力学模型（图3-2）梁长度为,在坐标系中为方向，与水平线夹角为,即岩层倾角为,厚度为,在坐标系中为方向，边界条件:处为固定端，存在弯矩，处，沿x轴无约束条件，

处没有约束条件，处，受到下部岩层的支撑和阻碍作用，然后取微元体，进行受力分析，最终将板梁简化成一个纵向受压附加弯曲的选加受力模式。(a)整体受力图 （b）单层受力图图3-2李树森力学模型图设此板梁弯曲变形的方程为（3-1）根据能量守恒原理：外力所做的功等于岩体的变形能可得到的临界荷载：（3-2）式中：为弹性模量，MPa为板梁横截面惯性矩为顶部荷载，kN对于多层，虽岩层之间存在摩擦力，但可以户罗布及，设每一层的层挠度曲线方程都一样，可将上式改为（3-3）由上式可求得临界坡长为：（3-4）式中：为岩层倾角，（°）；为弹性模量，MPa；为泊松比；为岩层容重，kN/m³；为层间粘聚力，kPa；为层间内摩擦角，（°）。3.2弹性板理论依据压杆理论所建立的地质力学模型，只考虑沿着坡长(纵向)对溃屈的影响，而没有考虑横向长度对于溃屈的影响，以刘小丽等(2002)，冯君(2010)为首的学者将岩层视为弹性板考虑横向长度因素对于溃屈的影响，这更接近于实际，刘小丽将顺层斜坡简化为四边简支板建立力学模型(图3-3).图3-3弹性板力学模型图

在模型中，板的总长度为.方向为方向，与水平线夹角为.即岩层倾角为.宽度为.延伸方向为方向，弯曲变形段为.则滑移段的长度为，岩层厚度为，且每一层都相等，岩层间的粘聚力为.内摩擦角为。

将板的挠曲变形函数设为：

（3-5）

岩板由于弯曲变形而增加的势能为,顶部工程作用力和重力的分量所作之功即为外力功为,根据能量守恒:即：可得到：

（3-6）整理之后可得到的临界坡长为：（3-7）式中：。

3.3压杆理论和弹性板理论的区别公式（3-4）为压杆理论模型所得到的临界坡长判别公式，公式（3-7）为弹性板力学模型得到的临界坡长计算公式，通过两个受力分析和力学模型建立以及求解过程中看出，弹性板理论和压杆理论之间存在差异性，均有各自优点，主要体现在两个方面：

(1)溃屈宽度

压杆理论没有考虑斜坡横向宽度对溃屈的影响，是以单位宽度来计算，弹性板力学模型将斜坡横向长度考虑在内，更符合实际情况，在建立平衡方程时，考虑边坡横向受力情况。

(2)边界条件

压杆理论在建立力学模型时斜坡下端为固定端，存在弯矩，弹性板力学模型来说，在建立力学模型时，将斜坡简化为四边简支板建立力学模型，所以底端为固定端建立的力学模型更符合实际。3.4溃屈稳定性评价将上述两种理论方法分别应用于大奔流料场边坡稳定性判断！将上述两种理论方法分别应用于大奔流料场边坡稳定性判断！层状岩体是指具有一组占绝对优势的结构面（层理面、片里面等）的岩体。对于层状岩体边坡破坏模式主要包括蠕滑(滑移)一拉裂、滑移一压致拉裂、弯曲一倾倒拉裂、塑流一拉裂、滑移一弯曲等。特别对于层状同向结构，当切坡脚易发生滑动破坏，对于插入坡在岩层较薄倾角较陡时易发生溃屈破坏。

第四章大奔流沟料场边坡稳定性评价4.1料场边坡工程地质条件4.1.1地质环境大奔流沟料场位于坝址左岸下游9km的雅砻江左岸临江岸坡，距上游锦屏二级电站闸坝0.3～1km。料场区自然岸坡为倾角55°～65°的顺向边坡，坡脚河床高程1620m，坡顶高程2414m，开挖坡最大高度443m，后缘距离高竣陡峭的自然坡面更近，本边坡实际最大高度可达794m。见图4-1。大奔流料场边坡岩体主要为三叠系杂谷组厚层变质细砂岩夹板岩，岩层产状为N10°～30°E/SE∠64°～72°，边坡走向与岩层走向近平行，岩层陡倾坡外，坡内岩层层间错动带发育，岸坡卸荷强烈。图4-1锦屏一级水电站大奔流料场边坡图大奔流沟料场位于锦屏一级电站坝址左岸下游9km的雅砻江左岸临江岸坡，距上游锦屏二级电站闸坝0.3～1km。锦屏一级电站坝址位于雅砻江大河湾干流河段，上距小金河口约20km，地跨木里、盐源两县。坝址控制流域面积10.256万km2，占雅砻江流域面积的75.4%，下距河口358km，距西昌市直线距离约75km。雅砻江流域地处青藏高原东侧边缘地带，属川西高原气候区，主要受高空西风环流和西南季风影响，干、湿季分明。每年11月至次年4月为干季。流域南部天气晴和，降水很少，气候温暖干燥；流域北部气候寒冷干燥。干季日照多，湿度小，日温差大。5～10月为雨季。流域内气候湿润、降雨集中，雨量约占全年雨量的90～95%，雨日占全年的80%左右。雨季日照少、湿度较大、日温差小。4.1.2地质构造工程区位于锦屏山断裂西侧2km，三滩倒转向斜之南东翼（正常翼），为一单斜层状构造岩体，岩层总体走向350°～30°，倾向SE，倾角64°～72°。受构造作用影响，局部岩层挠曲，其走向为40°～56°，倾向SE，倾角陡至80°～85°。根据地质测绘与调查岩层倾角在EL1865以下倾角主要为64°～69°居多。根据地质测绘与调查、边坡与施工支洞的地质编录，工程区主要地质构造有断层、裂隙、层间错动带。4.1.3水文地质边坡工程区地下水主要靠大气降水补给，向雅砻江和上游侧的大奔流沟排泄，雅砻江是边坡区地下水最低排泄基准面。边坡地下水类型主要为基岩裂隙水，其次为岩溶水和孔隙水。边坡EL1670以上无泉点出露，以下在北侧雅砻江的沿江道路内侧见一处W1，出露于（T2-3z3（1-1））变质砂岩层面裂隙中，出露EL1665m，出水量30ml/min。因坡面较陡，大气降水后，大部分水都将沿陡峭的山坡下泄，少量沿裂隙渗入地下再向河谷排泄。从钻孔揭露及地下水调查情况看，边坡地下水位埋深一般在100m～120m，分布高程在EL1868以下。再从施工支洞调查情况看，EL1940～1968段仍有一定的地下水活动，且主要表现在T2-3z3层砂岩中渗滴水，大理岩中活动较少。地质分析认为，该高程段的地下水活动主要与边坡临时施工用水有关。为研究岩体的透水性，进行了27段钻孔压水试验，试验结果表明，本区弱～微新岩体透水率一般均小于10Lu，为弱透水。仅局部因破碎带不起压，为中等～强透水。边坡工程区地下水以HCO3-Ca型为主，少量为SO4-HCO3-Mg、HCO3-Mg·Ca型；其PH值为8.3～8.9，矿化度为201.06mg/l～360.01mg/l。地表水、地下水对混凝土均不具侵蚀性。4.1.4人类工程活动料场区最大自然坡高约860m，料场边坡设计高度518m。2008年10月30日，大奔流沟料场开始揭顶开挖，2014年11月29日，锦屏一级水电站正式建成并投入运营，大奔流沟料场竣工形成顺层陡倾443m岩质特高人工边坡，为国内外最高的顺层陡倾岩质人工边坡。由于大量工程开挖和施工爆破等因素，影响山体的稳定性。随着工程的进展，诸多工程活动如交通隧洞、施工支洞等在建设过程中，改变了地表水径流条件，大量工程用水排泄不畅、地下水长时间集中下渗等情况，严重影响着下级边坡岩体稳定的内、外界条件。4.2料场边坡溃屈稳定性评价大奔流沟料场边坡为顺向坡，自然地形坡角50°～55°，局部为直立状陡崖。在天然状态下自然斜坡是稳定的。大奔流沟料场因锦屏水电站取料，经开挖形成人工边坡。料场西侧（开挖Ⅱ、Ⅲ区及部分Ⅰ区）为顺向边坡，南侧（开挖Ⅰ区南段）为斜向边坡，北面及东面为自然临空面。图4-1边坡分区简图根据开挖支护设计图，西侧正面边坡走向NE28°，与岩层走向夹角约2°～10°，基本上为顺层开挖，形成顺向边坡。其范围是开挖Ⅱ、Ⅲ区及Ⅰ区的北段。本文结合大奔流沟料场开挖边坡走向，对西侧正面边坡的地质条件进行深入研究，分析得出其可能存在的5种破坏模式：①开挖边坡压剪变形溃屈破坏；②开挖边坡深层滑移剪出破坏；③开挖边坡浅层滑移剪出破坏；④开挖边坡切脚破坏；⑤开挖边坡局部块体破坏。其中，②发生的可能性较小，而③、④、⑤一般局部发育且规模较小，仅①在西侧正面边坡各类破坏模式中最为常见，且一旦发生，规模较大，后果较为严重。本项目以压剪溃屈破坏模式为主要研究对象。料场边坡在开挖过程中，因为边坡岩层的真倾角与其综合开挖坡角大致相等，对于这种数百米的边坡，可以将层状岩体视为薄板，使得开挖边坡具有了层状结构特点。边坡开挖后，临江一侧的层状岩层处于临空状态，应力得到充分释放，岩层向临空面缷荷回弹，受此影响，层状岩体将沿层面产生一定蠕滑，而下部岩体并未有足够蠕滑空间，下滑的岩体在边坡下部受阻，以致于边坡中下部岩体可能出现臌胀、脱空、拉裂甚至脱层现象。当应力集中部位岩体的抗剪强度被压剪应力超越时，岩层剪切折断后被上覆岩体挤压而出，边坡岩体压剪溃屈破坏就此行成，其模式见图4-2。图4-2边坡压剪溃屈破坏演化示意图对于顺层陡倾岩质高边坡，视其岩体为板状结构，此时处于边坡底部的岩体受力状态，应以压剪应力为主，并且其主压应力方向应与顺层陡倾的岩层层面保持基本平行。在边坡的中下部岩体中势必存在一个或多个压剪应力集中区，正是在几种外力的共同作用下，中上部边坡岩体沿层间错动带或其他结构面剪切滑动，挤压边坡下部岩体产生顺层臌胀式变形，直至溃曲破坏。顺层陡倾岩质边坡压剪溃屈破坏与以下因素关系密切：岩层层厚、层间错动带或结构面的抗剪强度、单层岩层临空高度等。单层岩层的临空高度越高，距离坡面越近，开挖后回弹缷荷就越强，松驰力也就越大，被剪断的概率也就越高。在边坡高程1865m以下坡面，层厚5cm～10cm的薄～极薄层状变质砂岩与板岩互层是构成坡表的主要岩体，且临空高度较大，此处极易发生溃屈破坏。此外，由于大奔流沟料场边坡岩体变质砂岩与板岩存在软硬相间的结构，加之开挖削弱了坡脚的岩体强度，从而更有利于溃屈破坏发展，因此一定埋深的变质砂岩中也可能发生溃屈破坏。4.3料场边坡溃屈数值模拟层状岩体是一种具有成层分布结构面的地质体，其力学行为具有明显的结构面效应，岩体中的结构面将岩体切割成大小不一的块体，使得岩体的变形不连续和各向异性，因此合理的层状岩体的力学模型要能够考虑介质的不连续性和各向异性。本节采用考虑软岩流变的本构模型并考虑结构面，基于数值模拟方法研究边坡潜在破坏失稳机理。数值模拟模型依据大奔流料场边坡2-2＇纵剖面图建立。大奔流料场边坡2-2＇纵剖面工程地质剖面图见图4-5。图4-5大奔流料场边坡2-2＇纵剖面工程地质剖面图此图不规范，缺少纵横坐标，缺少剖面走向等信息此图不规范，缺少纵横坐标，缺少剖面走向等信息在计算过程中通过命令流在靠近临空面的岩层间形成接触面用以模拟岩层间的结构面，靠近临空面的岩层采用cvisc粘弹塑性模型，后部岩体采用莫尔库伦模型。数值模拟计算模型见图4-6。图4-6数值模拟计算模型图4.3.1边界条件与计算参数选取数值模型底部采用固定约束边界条件，侧边界约束法向方向位移。二维模型所有节点y方向（垂直于剖面的方向，z方向为高程方向）位移均为0，即所有剖面采用平面应变模式进行分析。根据试验结果并结合工程经验确定数值模拟岩土体和结构面物理力学参数，见表4-1。表4-1岩体物理力学指标参数类型岩土体类型密度(g/cm3)内聚力C（kPa）内摩擦角QUOTE（°）体积模量K（法向刚度Kn）(MPa)剪切模量G（切向刚度Ks）(MPa)岩体（mohr）2.683000426.53e119.45e11岩体（cvisc）2.6537024.73.89e116.21e11结构面\518（0.1）（0.2）Cvisc模型中，蠕变参数开尔文剪切模量EK、开尔文粘性系数ηK、麦克斯维剪切模量EM、麦克斯维粘性系数ηM，根据3.2节中的试验结果，取两组试验点参数反演结果的均值作为数值模拟中的蠕变模型参数。EK、ηK取值分别为1.78GPa、5.99GPa∙h；EM、ηM取值分别为13.91GPa、5.59×104.3.2数值模拟计算结果分析通过数值模拟（FLAC）的强度折减分析，得到大奔流沟料场边坡位移云图与塑性区分布，如图4-7～图4-13所示。（a）开挖边坡（b）中上部岩体（c）下部岩体图4-7岩体变形形态图（a）位移云图（b）塑性区图图4-8106时步计算成果（a）位移云图（b）塑性区图图4-92×106时步计算成果（a）位移云图（b）塑性区图图4-103×106时步计算成果（a）位移云图（b）塑性区图图4-114×106时步计算成果（a）位移云图（b）塑性区图图4-125×106时步计算成果从图中可以看出，边坡处于临界失稳状态时，中上部岩体产生顺层滑移，沿层间错动带或层面滑动下坐，在上覆岩层自重荷载作用下边坡下部岩体发生压剪屈服；同时岩层向坡外侧产生弯曲变形，层面张开，坡脚剪应变强烈集中，呈溃屈向外鼓出，并在边坡下部形成剪出口。由于层状岩体的不连续和各向异性，边坡在变形孕育、发展与演化过程中岩体层面间发生滑移错动、拉裂张开，特别最终破坏阶段岩体及结构面发生大变形、层面脱开。图4-13压剪破坏示意图计算表明，边坡在渐进失稳过程中中下部产生压剪破坏（图3-17），层间滑移错动、弯曲、张开并向临空面产生较大变形，上部岩