含顺倾断续节理的高陡岩质边坡稳定性数值模拟

陈旭 ,  李志立 ,  黄超 ,  汤明高 ,  朱星 ,  唐春安

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (19) :8320-8332

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科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (19) :8320-8332 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2506838
水利工程

含顺倾断续节理的高陡岩质边坡稳定性数值模拟

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Numerical Simulation of Stability of High-steep Rock Slope with Consequent Intermittent Joints

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摘要

含顺倾断续节理的岩质边坡在实际工程中较为常见,其稳定性与失稳机制主要受坡体内部的不连续结构面及岩桥的控制。以澜沧江上游某水电站高陡岩质边坡为研究对象建立了概化模型,通过RFPA3D-Centrifuge数值模拟方法及能量耗散理论,系统研究了节理长度、角度及内摩擦角等参数对顺倾断续节理岩质边坡失稳机制及稳定性的影响。通过分析边坡失稳过程中的应力分布、坡脚位移、岩体损伤、微震事件及滑动面贯通规律,揭示了节理参数对边坡失稳模式的主导作用。结果表明:节理长度、角度及内摩擦角是影响边坡稳定性的关键因素,节理长度越长、角度越大、内摩擦角越小,边坡失稳风险就会显著增加,且节理倾角的大小显著影响着边坡的失稳模式;含断续节理的岩质边坡滑动面的形成本质上是节理与岩桥逐渐贯通的渐进破坏过程,通过模拟结果可将边坡的失稳过程分为下部岩桥贯通破坏、上部岩桥贯通后缘拉裂和滑裂面贯通整体失稳三个阶段,断续节理在失稳过程中起主导作用,其贯通方向和应力集中效应显著影响边坡的稳定性及失稳模式。将理论计算能量安全系数与数值模拟计算结果进行对比发现,RFPA3D-Centrifuge方法在评价该类边坡的稳定性方面具有较好的可适用性,并且能够直观展现边坡的渐进失稳过程,为断续节理岩质边坡稳定性分析提供了一定的理论支持。

Abstract

Rock slopes with inclined discontinuous joints are prevalent in practical engineering, and their stability and instability mechanisms are primarily controlled by the internal discontinuous structural planes and rock bridges of the slope. A generalized model for the high and steep rock slope of a hydropower station in the upper reaches of the Lancang River was established in this study. Based on the RFPA3D-Centrifuge numerical simulation method and energy dissipation theory, the influences of parameters such as joint length, angle, and internal friction angle on the instability mechanism and stability of inclined discontinuous jointed rock slopes were systematically investigated. By analyzing the stress distribution, toe displacement, rock damage, microseismic events, and sliding surface connectivity during the slope instability process, the dominant role of joint parameters in slope instability modes was revealed. The research results indicate that joint length, angle, and internal friction angle are key factors affecting slope stability: the longer the joint length, the larger the joint angle, and the smaller the internal friction angle, the significantly higher the risk of slope instability; furthermore, the magnitude of the joint inclination angle significantly affects the slope’s instability mode. The formation of the sliding surface in intermittent jointed rock slopes is essentially a gradual failure process in which joints and rock bridges are gradually connected. Based on the simulation results, the slope instability process can be divided into three stages: the failure and connection of the lower rock bridges, the tensile fracture and connection of the rear edge of the upper rock bridges, and the overall instability due to the connection of the sliding surface. Intermittent joints play a dominant role in the instability process, and their connection direction and stress concentration effect significantly influence the slope’s stability and instability mode. A comparison between the theoretical calculation of the energy safety factor and the numerical simulation results shows that the RFPA3D Centrifuge method has good applicability in evaluating the stability of this type of slope. It can intuitively demonstrate the gradual instability process of the slope, thereby providing certain theoretical support for the stability analysis of jointed rock slopes.

Graphical abstract

关键词

节理岩质边坡 / 顺倾断续节理 / RFPA3D-Centrifuge / 边坡稳定性 / 失稳机制

Key words

jointed rock slopes / downward intermittent joints / RFPA3D-Centrifuge / slope stability / instability mechanism

引用本文

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陈旭, 李志立, 黄超, 汤明高, 朱星, 唐春安. 含顺倾断续节理的高陡岩质边坡稳定性数值模拟[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(19): 8320-8332 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506838
CHEN Xu, LI Zhi-li, HUANG Chao, TANG Ming-gao, ZHU Xing, TANG Chun-an. Numerical Simulation of Stability of High-steep Rock Slope with Consequent Intermittent Joints[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(19): 8320-8332 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506838

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岩质边坡通常是由节理及完整岩块所构成的复杂地质体,是山区工程建设中的主要地质环境和工程承载体,其失稳严重威胁着水电站等建筑物的安全,影响着工程整体可行性及其运行效益[1-4]。尤其是在中国西南地区,因受青藏高原隆升等长期地质构造作用的影响,河谷深切,边坡高陡,岩体卸荷强烈,坡体内部节理、断层等不连续面发育显著,边坡稳定性问题极为复杂[5-7]。对于工程尺度而言,大多数岩质边坡节理面呈显著的非贯通特征,表现为顺倾断续节理[8-9]。此类边坡稳定性受岩桥破裂行为、节理组合及几何排布共同影响,节理展布形式会改变边坡内部应力场分布与储能机制[10-12],而岩桥又与边坡结构特征、诱发岩石损伤的局部应力场紧密关联,使得其失稳破坏模式相较于贯通节理边坡更为复杂[8]。因此,研究断续节理岩质边坡的稳定性演化规律及宏观失稳机制对边坡稳定性评价及工程支护设计等方面均具有重要的理论与实际意义。
由于不连续节理面大都埋入边坡内部,且发育具有显著的随机性,因此对其稳定性分析较为复杂和困难[8,13]。针对如何正确分析含顺倾断续节理岩质边坡稳定性这一问题,国内外学者基于经典理论以及数值模拟方法进行了大量研究。周子涵等[14]基于尖点突变理论建立了断续节理边坡尖点突变模型,定量分析了节理连通率等因素对边坡稳定性的影响,并提出了失稳判据;Li等[15]基于上限分析法考虑了岩桥及节理面强度参数的弱化特性,构建了阶梯状滑动顺层边坡稳定性分析模型,得到了边坡安全系数随各关键参数的变化规律。周珂等[16]建立了平面剪切岩质边坡力学模型,推导得到潜在滑裂面解析解与稳定系数表达式,提出兼顾整体与局部破坏的多级边坡稳定性分析方法。上述基于极限平衡法及断裂力学等理论对节理岩质边坡稳定性进行分析时大多对潜在滑动面进行预设或单一裂纹扩展路径,而实际中岩质边坡发生破坏时往往存在多条裂纹扩展路径,并非单一路径主导。这在一定程度上影响了分析的适用性和准确性。
数值模拟作为岩土工程中重要的计算方法,也广泛应用于节理岩质边坡的研究中。Zhou等[17]基于扩展有限元法,提出了新型几何描述方法与精细裂纹贯通模式,建立了非贯通雁列节理岩质边坡数值模型,揭示了台阶式边坡脆性破坏机理并分析了节理参数对边坡稳定性的影响;Xu等[18]基于连续介质损伤与断裂力学,建立含预置裂隙的损伤演化模型,明确了拉应力致脆性断裂的主导作用,提出了对应的边坡滑动分类及失稳判据;王龙灿等[9]研究了裂纹随机性对雁列式裂纹间相对位置复杂变化的影响,系统开展了含雁列式裂纹岩质边坡阶梯状破坏的数值模拟,分析了岩桥参数对破坏模式的影响规律。上述学者的研究基于有限元法分析,虽然能够较好地模拟边坡应力场、位移场的分布演化规律,但在处理大变形、大位移问题时存在明显缺陷[19]。例如,在岩质边坡阶梯状滑移破坏等涉及显著几何变化的问题分析中,网格畸变等问题易导致计算不收敛而使计算终止,且难以模拟断续节理、裂隙等不连续结构的裂纹萌生扩展过程。近年来,以PFC(particle flow code)为代表的离散元法也广泛应用于节理边坡破坏过程的研究。如Jiang等[20]基于离散元法提出新型黏结接触模型,模拟了临界重力作用下边坡滑移与倾倒破坏过程,揭示了岩桥应力集中机制并分析了节理排布与坡面性质对破坏模式的影响。张龙等[21]采用分体式顶推法,建立顺倾优势裂隙边坡非规则模型,基于莫尔-库伦强度理论提出微裂隙破坏模式识别方法,揭示了裂隙演化规律与破坏模式,明确峰后阶段裂隙控制对边坡稳定性的关键作用;Qin等[22]以小湾水电站台阶式节理边坡为案例,揭示了低法向应力下岩桥以拉伸破坏为主的脆性破坏机理,重现了边坡台阶式破坏过程。田俊伟等[23]基于野外地质调查离散元数值模拟,建立了含软弱夹层顺层滑坡降雨入渗数值模型,定量分析了持续性降雨、坡脚开挖等因素对边坡稳定性的影响,揭示了该类滑坡的成灾机理与失稳过程。颗粒流方法虽能较好地再现边坡裂纹扩展过程,但难以定量获取边坡安全系数,在进行边坡稳定性评估时存在一定局限性。梁正召等[24]、唐春安等[25]等在有限元基础上用统计损伤的本构关系考虑岩石材料非均匀性和缺陷分布随机性开发了RFPA(rock failure process analysis)用于模拟岩体内部微裂隙扩展机制,并将离心试验原理引入数值计算中提出了RFPA3D-Centrifuge方法[26],该方法既克服了室内离心机模型试验中模型制备困难、关键数据难以量测等问题,又回避了传统有限元强度折减法中所要求的折减力学参数之间的约束关系,无需对滑动面做任何假定就能够再现边坡潜在滑移面的萌生、发育和贯通渐进破裂至失稳的全过程并求得安全储备系数。为深入分析节理岩质边坡滑动面扩展过程提供了有效手段。
目前,针对顺倾断续节理岩质边坡的研究大多集中于单一节理或岩桥参数对边坡稳定性的影响,缺乏对节理长度、角度及抗剪强度等参数耦合作用的系统分析,没有充分考虑坡体内断续节理空间分布特征对边坡稳定性及失稳机制的影响。针对以上问题,以中国西南地区某水电站高陡岩质边坡为研究对象,基于RFPA3D-Centrifuge方法及能量耗散理论,系统研究节理长度、角度及内摩擦角等参数对边坡失稳机制的影响。通过分析边坡失稳过程中的应力分布、能量耗散及滑动面贯通规律,以期为含断续节理岩质边坡的稳定性评估和工程实践提供一定的理论参考。

1 工程概况

研究区位于西藏芒康县境内,地处澜沧江上游,属典型的深切峡谷地貌,如图1所示。经过对坝址区工程地质条件和岩体结构特征的研究,并对坝址区现有勘探平硐所揭露的倾倒变形破坏情况的地质编录与调查分析发现,受构造应力及河谷深切作用的影响,区域内坡体内部结构面发育显著且深度较大,属于典型的强卸荷高边坡,主要发育卸荷裂隙和小断层。其中,卸荷张裂结构面及部分小断层多平行于岸坡走向,以中缓倾角断续结构面占优,陡倾角结构面发育较少,且中缓倾角结构面的分布形成了一定的间隔性,即中缓倾角结构面相对密集段、相对稀疏段相间,发育模式符合祁生文等在《岩质边坡动力反应分析》中提出的有明显结构面控制的边坡工程地质模式[27],在其某一个断面上主要表现为阶梯状卸荷。在此类硬岩强卸荷岩浆岩边坡中,由于存在多组近似平行于坡面或倾角小于坡角的卸荷裂隙等结构面,在长期自重作用及季节性降雨入渗、开挖扰动等外力作用下,连通性较好的结构面均可构成底滑面。导致坡体沿某一结构面发生剪切滑移,在剪切应力的作用下岩桥产生张拉破裂,最终边坡或将沿某一最不利的阶梯状滑裂带发生整体性滑移失稳[1]。

构造应力与河谷深切作用对坝址区不同区域的影响程度存在显著差异,加之岩体本身的不均质性,节理的物理力学特征以及分布均表现出较大的空间差异。这种变异性主要体现在坡体内部结构面的延伸长度、倾角以及力学参数等的分布上。因此,在边坡稳定性分析中,有必要综合考虑不同材料参数的节理对边坡稳定性的影响,以更全面地评估边坡在不同工况下的潜在失稳风险。

2 顺倾断续节理边坡模型的建立及理论分析

2.1 顺倾断续节理边坡力学模型的建立

在岩质边坡稳定性分析中,顺倾节理是诱发边坡失稳的关键因素。受构造应力和河谷深切作用影响,坡体内发育多组平行于岸坡走向的顺倾结构面。这些节理在坡体中形成潜在滑移面,为边坡失稳提供了力学条件。

考虑到实际边坡地质体的复杂性,在边坡失稳分析时对地质模型进行适当概化,旨在探究断续节理的发育特征对于岩质边坡岩桥贯通、潜在滑动面形成以及稳定性的影响,并假定断续节理于坡顶以及临空面均有局部出露,最终将工程问题概化为如图2所示的力学模型。其中,H为边坡高度,H0为从坡底到局部表面暴露节理的高度。AB和BC分别为沿节理迹线方向和垂直于节理迹线方向的节理分布范围。假设岩质边坡的岩桥在重力作用下因剪切拉伸而发生破裂,则可定义ai为平行于AB的节理长度,di为岩桥中第i段完整部分投影到AB上的长度,si为岩桥中扩展裂缝i投影到AB上的长度。三角形ACD即为简化后潜在滑动体的范围,θ为坡面的倾角,W为覆盖在潜在滑动体上的重量,L1为与边AB平行的潜在滑动体宽度;v为滑动体的速度;ϕ1为节理的内摩擦角;α为节理倾角;β为直接沿着倾斜层面发育方向传递应力的角度。

2.2 基于能量耗散的边坡稳定性评估

在断续节理岩质边坡的稳定性评估中,岩桥和节理的力学性质以及节理的空间分布形式对节理边坡的稳定性有着重要的影响。因此,为了更好地对节理边坡稳定性进行评价以及验证数值方法可靠性,基于周子涵[28]、Huang等[29]的研究引入了能量安全系数Es1z用于评估断续节理边坡稳定性。充分考虑了不连续节理面以及岩桥效应对断续节理岩质边坡稳定性的影响。

根据图2所示的几何关系,覆盖在潜在滑动体上的重量W可表示为

W(h)=$\frac{\mathit{\gamma }}{2}$(H-H0)L1

沿节理迹线方向的节理连通系数p可定义为

p=$\frac{\stackrel{\mathit{n}}{\sum _{\mathit{i}=1}}{\mathit{a}}_{\mathit{i}}}{{\mathit{L}}_{\mathit{A}\mathit{B}}}$, 0≤p≤1

式中:γ为岩体的容重;n为平行于AB的节理段数;LAB为沿节理迹线方向的节理分布范围长度。该系数反映了节理沿迹线方向的连通程度,其值介于0~1,值越大表示节理连通性越强,对边坡稳定性的影响也越大。

同理,垂直于节理迹线方向上岩桥的连通系数q可表示为

q=$\frac{\stackrel{\mathit{m}}{\sum _{\mathit{i}=1}}{\mathit{s}}_{\mathit{i}}}{\stackrel{\mathit{n}}{\sum _{\mathit{i}=1}}{\mathit{d}}_{\mathit{i}}}$=$\frac{\stackrel{\mathit{m}}{\sum _{\mathit{i}=1}}{\mathit{s}}_{\mathit{i}}}{(1-\mathit{p}){\mathit{L}}_{\mathit{A}\mathit{B}}}$

式(3)中:m为节理尖端扩展剪切裂缝的数量;n为间歇性节理的数量;n-1为岩桥的数量。

式(3)可以用于评估节理连通程度对边坡稳定性的影响,即当q增大时,表明节理间的连通性增强,岩桥的稳定性降低,边坡失稳风险增大。滑动体在失稳过程中会经历复杂的能量耗散过程,主要包括节理、剪切裂缝和岩桥中的能量耗散,可采用弹塑性模型来分析滑动体的能量耗散机制。内部能量耗散PD可以表示为

PD=P1+P2+P3

式(4)中:节理、剪切裂缝和岩桥中的能量耗散P1、P2、P3分别为

P1=c1pLABvcosϕ1
P2=c2q(1-p)LABvcosϕ1
P3=c3(1-p)(1-q)LABvcosϕ1

式中:c1、c2和c3分别为间断节理、节理尖端扩展剪切裂缝和岩桥中完整岩石的黏聚力。

将式(5)~式(7)代入式(4)中,得

PD=[c1p+c2q(1-p)+c3(1-q)×(1-p)]LABvcosϕ1

重力是驱动滑动体运动的主要力量之一,为了评估重力对滑动体运动的影响,需要计算重力产生的功率PG。重力产生的功率PG可以表示为

PG=$\frac{\mathit{\gamma }}{2}$(H-H0)L1vsin(α-ϕ1)

据此,能量安全系数Es1z可定义为内部能量耗散与重力功率的比值,可以表示为

Es1z=$\frac{2[{\mathit{c}}_{1}\mathit{p}+{\mathit{c}}_{2}\mathit{q}(1-\mathit{p})+{\mathit{c}}_{3}(1-\mathit{q}\left)\right(1-\mathit{p}\left)\right]{\mathit{L}}_{\mathit{A}\mathit{B}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\mathit{\varphi }}_{1}}{\mathit{\gamma }(\mathit{H}-{\mathit{H}}_{0}){\mathit{L}}_{1}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}(\mathit{\alpha }-{\mathit{\varphi }}_{1})}$

能量安全系数Es1z越大,边坡稳定性越好。具体来说,当Es1z> 1时,表明内部能量耗散大于重力功率,边坡稳定;当Es1z=1时,边坡处于临界状态;当Es1z<1时,边坡趋于不稳定。

3 数值模型的建立

3.1 RFPA3D-Centrifuge基本原理

RFPA3D-Centrifuge法基于物理离心模型试验思想[20],继承了RFPA系统在岩石破裂过程分析中的优势。该方法通过离心场代替重力场,在其他参数保持不变的情况下,按一定离心加载系数不断增加细观单元的自重,当自重增加到一定程度,相对较弱单元就会因其所受应力超过其承载能力而开始出现破坏,直至边坡出现宏观失稳破坏。由于突破了传统的断裂力学理论,RFPA方法可以很好地再现边坡内部岩体破裂的萌生、扩展、交汇以及贯通形成潜在滑移面的全过程,解决了传统有限元方法在计算时由于网格畸变导致的计算终止,以及离散元方法无法得到边坡安全系数等问题,为深入分析节理岩质边坡的裂纹扩展演化过程及安全储备系数提供了有效手段。

在边坡稳定性分析中,适当考虑岩体的拉伸破坏是必要的,尤其是在节理岩质边坡稳定性分析中,拉伸破坏有时是导致边坡失稳的关键因素[30]。因此,计算过程采用带拉伸-截断的Mohr-Coulomb破坏准则[31-32],充分考虑岩石材料的拉伸破坏,使计算结果与实际情况更为接近。

RFPA3D-Centrifuge中以计算过程中最大的基元破坏数作为边坡失稳判据,安全系数K定义为基元破坏数最大时的单元自重与初始单元自重的比值,表达式为

K=$\frac{\mathit{\gamma }+\mathit{\gamma }({\mathit{S}}_{\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{p}}-1){\mathit{\Delta }}_{\mathrm{g}}}{\mathit{\gamma }}$=1+(Step-1)Δg

式(11)中:Step为基元破坏数最大时的加载步数;Δg为离心加载系数。

3.2 数值模型的建立

基于图2的基础模型建立有限元实体模型,旨在对不同节理参数对岩质边坡稳定性及失稳破坏模式进行研究,以及讨论岩体内裂隙发育演化规律。有限元网格模型如图3所示,在软件ABAQUS中建立有限元实体模型并完成材料分区及网格划分,然后将有限元模型导入PATRAN中进行边界赋予,再运用C语言编制数据转化接口程序Ator将模型中节点、单元信息提取并导入RFPA3D。模型共划分429 720个全六面体单元,为提高计算精度,对节理尖端部位的网格进行了适当加密处理,离心加载系数取0.01。模型整体尺寸为:总体高度150 m,顺河向200 m,顺河向为30 m。模型中,边坡底座为30 m,边坡台阶高度120 m,坡角取66°,计算模型四周法向约束,底部采用固定铰支座。

RFPA3D中假定组成岩石的细观单元的力学参数服从Weibull分布,以反映岩石的非均匀性,用均质度表示。均质度越大则岩石细观单元的力学性质越均匀,均质度越小则岩石细观单元的力学性质越离散。结合工程地质条件及前人研究经验[32-33],取均质度为5。根据工程地质勘察资料、室内试验结果[34-36]以及RFPA用户手册推荐的宏、细观岩体力学参数对应关系[37],综合确定该边坡模型计算的物理力学参数如表1所示。

为系统研究节理长度、节理倾角及内摩擦角对边坡稳定性的影响,基于实际边坡节理情况,建立了10种不同的含断续节理边坡的概化模型,如表2所示。通过对比分析不同参数组合下的边坡失稳模式,揭示节理参数对边坡失稳机制的影响规律。

4 节理参数对边坡稳定性的影响分析

4.1 节理长度对边坡稳定性的影响

节理长度的不同会改变边坡内部应力分布并影响潜在滑动路径,进而影响边坡的稳定性[38]。为深入分析节理长度对边坡稳定性的影响,选取方案1~方案4的模拟结果进行对比分析,不同节理长度下边坡的最大主应力演化云图如图4所示。对比不同节理长度下边坡的最大主应力分布可知,在加载初始阶段,由于岩体重力增加值较小,不同节理长度条件下的边坡整体均处于稳定状态,应力集中现象主要出现在边坡表层及部分浅层区域,随着节理长度的增大,应力集中区域逐渐向坡体内部扩展,并且应力集中值明显增大。同时,随着节理长度的增加,节理尖端的应力集中现象也逐渐增强。ai=20 m时,应力主要集中在节理尖端,岩桥区域应力分布较为均匀;而当ai增大至35 m时,应力集中区扩展至岩桥区域,岩桥部位的承载能力显著降低,此时由节理尖端萌生出的翼裂纹显著增多,这表明岩桥连通性的增强显著改变了坡体内部应力的分布。随着离心加载系数的增大,节理尖端及岩桥部位的应力集中效应逐渐增大,裂纹逐步扩展,逐步形成贯通型滑移面。通过分析边坡在渐进破坏过程中的裂纹扩展规律可以得知,不同节理长度边坡的初始裂纹均是由最下部岩桥开始扩展,从下至上逐渐贯通,逐渐向坡顶发展,最后形成由多组不连续节理及岩桥搭接而成的阶梯状滑移破坏面,这与周喻等[2]、王龙灿等[9]得出的断续节理岩质边坡渐进破坏过程较为一致。这是一类典型的断续节理岩质边坡破坏模式,其破坏面整体呈陡-缓相接的台阶状,其稳定性与潜在滑裂面受断续节理及岩桥所控制。Brideau等[39]在对瑞士Randa滑坡的研究以及中国小湾水电站水库失稳边坡[40]的考察中,都观察到了这一类似现象,即顺倾断续节理岩质边坡破坏通常为台阶状滑移破坏,这是一类典型的受不连续节理面与岩桥控制的岩质边坡破坏模式,其破坏面整体呈陡-缓相接的台阶状,如图5、图6所示。

坡脚的水平位移能直观揭示结构面失稳效应以及潜在滑动面的贯通程度,并可以通过位移变化直接反映边坡失稳的临界状态[9]。通过对数值计算结果进行处理,绘制出坡脚水平位移曲线。不同节理长度边坡坡脚水平位移对比图如图7所示,随着加载的进行,各曲线均可大致分为等速变形阶段和加速变形阶段,坡脚位移呈现出先平缓后迅速上升的趋势,这是由于随着离心加载系数的增加,边坡内部应力逐渐积累,潜在滑移面损伤程度持续增大,最终导致坡体内部节理间岩桥的贯通,使得边坡出现宏观失稳。这与黄润秋提出的岩质高边坡变形破坏理论较为一致[1]。

对比不同节理长度影响下的坡脚位移曲线可知,随着加载的进行,坡脚位移随之增大,且节理长度越长,位移值越高。在加载步为20 step时,ai=20 m时对应的坡脚位移为12.4 mm,而ai=35 m对应的坡脚位移则达到18.5 mm。在失稳阶段,坡脚位移急剧增大,且节理长度对水平位移值的影响更加显著,ai=20 m时的坡脚位移为38.6 mm,而ai=35 m的坡脚位移则高达60.3 mm。这一结果表明,较长的节理长度为滑动面的形成和发展提供了更长的路径,增大了节理间连通率,显著加速了边坡失稳过程。节理长度越长,边坡内部应力集中现象越显著,潜在滑动面的范围越大,导致坡脚区域的应力分布更加不均匀,从而加剧了坡脚位移的扩展。同时,较长的节理长度降低了边坡的整体刚度,使其抵抗变形的能力减弱,进一步放大了坡脚位移的累积效应。在失稳阶段,较长的节理长度为滑动面的形成提供了更长的路径,使得坡脚位移急剧增大,边坡失稳过程加快,而较短的节理长度时节理的连通率较小,节理间岩桥距离较长,岩桥所能承受的荷载较大,边坡失稳过程相对缓慢。

通过式(10)和式(11)分别计算不同节理长度下的能量安全系数Es1z以及安全系数K,可以评估不同节理长度下边坡的稳定性,结果如图8所示。随着节理长度的增加,能量安全系数Es1z和安全系数K均呈现明显的线性下降趋势。当节理长度从20 m增加到35 m时,安全系数从约1.67降至1.26,减小了0.41;同样,能量安全系数Es1z从3.16降至2.91,同比减小了7.9%。

综合分析可以看出节理长度是影响边坡稳定性的关键因素之一。节理长度越长,边坡的应力集中范围、滑动面贯通速度和失稳规模均在增大,由此可以看出节理的长度决定了边坡失稳的范围及边坡安全储备系数。尽管不同节理长度边坡潜在滑动面的贯通路径不尽相同,但总体均表现为阶梯状滑动破坏。

4.2 节理角度对边坡稳定性的影响

为探究节理角度对边坡稳定性及失稳模式的影响,对节理角度为15°、30°和45°模型的数值计算结果进行对比分析。不同节理角度条件下边坡的最大主应力演化云图如图9所示。当节理角度α=15°时,坡体应力分布受自重作用影响较大,应力集中现象相对较弱,滑动面贯通方向接近垂直方向,潜在滑动面贯通难度较大,边坡失稳模式为局部崩塌或局部块体滑移,失稳范围较小,边坡安全系数较高,表明此时边坡稳定性较好。当节理角度α=30°时,最大主应力主要集中在节理尖端和边坡中部区域,应力集中程度有所增强,边坡失稳模式转变为渐进式阶梯状破坏,最大主应力值有所增加,边坡稳定性比节理角度α=15°时有所降低。当节理角度α=45°时,节理与边坡层面的夹角接近平行,最大主应力主要集中在节理尖端和边坡浅层区域,应力集中现象显著,滑动面贯通方向接近顺坡向,节理的空间分布为潜在滑动面的贯通提供了较好的条件,边坡的最终失稳模式表现为多级锁固拉裂型阶梯状破坏[10-11],岩桥部位的锁固效应显著。该破坏模式的演化机制表现为:自坡脚至坡顶,各级剪切滑动面的作用力呈梯度递减分布;最下部锁固岩桥因未受其他岩桥的连锁约束效应,率先发生剪切破坏,进而引发岩桥自上而下的逐级受剪拉裂。在此过程中,节理尖端因应力集中萌生翼裂纹,裂纹持续扩展并贯通至坡表,最终使边坡呈现分级、分块的破裂特征。该倾角条件下岩桥区域的应力集中程度达到峰值,导致边坡整体稳定性处于较低水平,这是由于边坡坡角与岩体结构面产状的不利组合,使得应力场在岩桥区域高度集中,显著降低了边坡的整体稳定性。

不同节理角度下边坡坡脚位移的曲线如图10所示,可以看出,随着加载的进行,三种不同节理角度下的坡脚位移均呈现逐渐增大的趋势。对比不同节理角度下的影响曲线可知,节理角度α=15°时,位移增长最缓慢,直到边坡失稳坡脚的最大位移未超过70 mm,曲线平缓几乎无突变点;节理角度α=45°时,坡脚位移在早期阶段迅速增加,并在20步时出现突变点,位移急剧增至80.2 mm,节理端部块体由内而外拉裂而形成分离块体,边坡失稳。这表明节理角度越大,边坡稳定性越差,更易发生突然失稳;角度越小,边坡越稳定,表现为渐进性失稳。

边坡的安全系数及能量安全系数与节理角度的关系如图11所示。安全系数K随节理角度增加呈显著下降趋势,当节理角度从15°增至45°时,安全系数从1.68降至1.31,降低了0.37,表明较大角度节理为潜在滑动面的发展贯通提供了更好的条件,从而降低边坡稳定性。能量安全系数Es1z同样表现出显著的负相关关系,当节理角度从15°增至45°时,能量安全系数从7.0降至1.5,减少了79.4%。这是由于随着节理角度增大,能量释放路径变短,能量安全系数显著下降。

4.3 节理内摩擦角对边坡稳定性的影响

节理等结构面的存在为岩质边坡提供了几何形态与力学性质均劣于完整岩体的潜在滑动面,其抗剪强度参数直接决定了滑动面的抗滑稳定性[41]。由于在RFPA中,材料黏聚力属性为间接计算,因此仅对节理不同内摩擦角的影响进行讨论。模拟结果表明,节理内摩擦角的减小使边坡的安全系数显著降低,潜在滑动面更容易发生剪切破坏,进而导致边坡失稳。

仅改变节理内摩擦角条件时,离心加载系数为0.1时各模型的最大主应力云图及岩体损伤分布图如图12所示。可见,随着内摩擦角的减小,节理尖端的应力集中效应显著增强,节理尖端的应力集中效应不仅加速了节理尖端裂纹的扩展、加剧了岩桥的损伤,还诱发了更多的翼裂纹,进而降低了岩桥部位的承载力,边坡达到失稳所需要的自重应力显著减少。其机制在于:节理内摩擦角越小,节理面抗剪能力越弱,在自重应力逐渐增大的情况下越容易发生剪切滑移,导致应力向岩桥部位传递,这一过程既加速了原有裂纹扩展,又诱发更多翼裂纹,显著增加了边坡失稳的风险。当内摩擦角为28°、24°时,节理尖端应力集中效应较弱,仅尖端部位岩体出现损伤,此时岩桥承载能力较大,坡体稳定性较好。随着内摩擦角的减小,局部应力水平显著提高,在相同的离心加载系数下节理尖端裂纹的扩展速率明显加快,岩桥的损伤程度加剧,这一过程直接导致岩桥区域的承载能力大幅降低,进而加速了潜在滑动面的贯通,增大了边坡失稳的风险。

节理内摩擦角对边坡安全系数和能量安全系数的影响关系如图13所示。分析可知,随着内摩擦角的增大,安全系数和能量安全系数均呈现指数增长趋势,当内摩擦角ϕ1由12°增至28°时,安全系数K从1.38增至1.62,增加了0.24;能量安全系数Es1z则从1.98升至12.83,增幅高达84.57%,其中,节理的内摩擦角由24°增至28°时,Es1z的增长最为显著,增幅为57.36%,这是由于内摩擦角的增大减弱了节理尖端的应力集中效应,同时减少了节理尖端裂纹的扩展,从而降低了能量释放的速率。

5 边坡失稳机制分析

根据数值模拟结果,可将含顺倾断续节理的岩质边坡的渐进失稳过程分为三个阶段:下部岩桥贯通破坏、上部岩桥贯通后缘拉裂和滑裂面贯通整体失稳阶段。在加载初期,坡体应力分布主要受自重作用影响,最大主应力值较低,节理尖端未表现出明显的应力集中效应,边坡整体处于稳定状态;随着加载的进行,应力集中现象逐渐显现,节理尖端部位最大主应力值显著增大,应力集中区域向相邻节理间岩桥部位扩展,潜在滑动面开始沿节理方向扩展并沿岩桥方向逐渐贯通;在失稳破坏阶段,断续节理间的岩桥最终贯通并与节理共同搭接组成滑动面的主要路径,边坡内部应力分布呈现出明显的非均匀性,最大主应力值达到峰值,边坡最终失稳。

该渐进演化过程表明,断续节理在边坡失稳机制中起主导控制作用,其贯通方向与应力集中效应显著影响边坡的失稳模式及安全系数。节理的发育为边坡提供了潜在滑动面,而节理间岩桥的贯通是触发边坡失稳的直接诱因。随着节理长度增加、倾角优化及节理抗剪强度衰减,应力集中现象逐步向边坡内部延伸,岩桥区域应力显著释放,承载能力弱化,进而加速了潜在滑动面的形成与扩展演化。由图8、图11以及图13可知,由数值模拟计算所得到的边坡安全系数均大于理论方法计算所得到的安全系数。总体上看,数值模拟与能量耗散理论计算得出的安全系数随节理参数变化的规律较为吻合,但具体数值存在差异,表现为数值计算结果偏大。这一差异的主要原因,是两种计算方法对安全系数的定义不同,RFPA以弹性损伤理论及修正后的Coulomb破坏准则为基础[19],考虑了岩体材料的缺陷性及复杂应力场分布情况,其安全系数的求解更贴合边坡渐进失稳的力学响应;而能量耗散理论则基于理想化的能量传递模型[14-15],以能量守恒与耗散定律为核心,通过构建简化的能量平衡方程推导安全系数,该方法在定义中往往忽略了岩体内部缺陷、应力集中等实际工程因素,从而导致理论计算结果与数值模拟结果产生偏差。

由RFPA3D-Centrifuge计算所得到的边坡在离心加载过程中的微震事件空间分布如图14所示。以模拟方案8为例,进一步分析顺倾断续节理岩质边坡滑裂面贯通规律。可以发现,加载初期,岩桥部位因应力集中导致承载力降低因而率先出现损伤,增大了节理之间的连通性,该部位的破坏以剪切破坏为主导,伴有少量的拉伸破坏。这是因为节理岩质边坡内部应力集中区主要发生剪切破坏[42]。随着离心加载系数的增大,声发射逐渐沿着节理面扩展贯通呈条带状,坡顶形成拉裂缝,最终中部锁固段被剪断,形成宏观阶梯状滑动面,边坡失稳,与黄润秋[43-44]提出的高边坡失稳“滑移-拉裂-剪断”三段式机制较为一致。

离心加载过程中微震事件数与坡脚水平位移变化过程如图15所示。可以看到,边坡在整个渐进破坏过程中能量释放强烈。在加载初期,坡体内所发生的微震事件数较少,此时水平位移曲线处于线性阶段,随着微震事件数的突增,水平位移曲线逐渐过渡到加速变形阶段,边坡接近失稳时微震事件数激增,坡脚水平位移也随之急剧增大。由此可以看出,在边坡渐进失稳过程中坡体内的微震事件数与边坡的变形破坏过程有着较好的对应关系,通过坡体内部微震事件空间演化规律可以很好地再现断续节理岩质边坡内部微破裂萌生、发育、扩展以及贯通形成阶梯状滑移面的全过程,也印证了断续节理以及节理间岩桥是控制岩质边坡破坏模式的主要因素之一。

综上所述,含顺倾断续节理岩质边坡的失稳是一个从下部岩桥起始、逐步由下而上扩展直至岩桥与节理贯通形成滑裂面的渐进演化诱发突变的过程。边坡的失稳机制主要由节理贯通、应力集中和能量释放主导。节理长度、角度和内摩擦角是影响边坡稳定性的关键因素,其变化显著改变了边坡的失稳模式和安全系数。在边坡渐进失稳过程中,岩桥部位的贯通破坏与坡体拉裂分离表现出明显的阶梯状破坏特征,且下部岩体的拉裂与失稳往往牵动上部岩体,整体呈现牵引式破坏模式。因此,边坡下部岩体是实际工程中边坡稳定性控制与防护的重点区域。

在实际工程中,针对如美水电站坝址区内不同工程地质特征的断续节理岩质边坡应采取差异化防治策略。应重点关注节理长度较长、倾角与边坡坡脚接近平行且风化程度较高导致节理抗剪强度较低的边坡,因其节理连通率高、应力集中显著,更易沿阶梯状滑裂面发生渐进贯通失稳。工程防治应以增强岩桥区域锁固能力为核心,优先采用预应力锚索与注浆加固等措施以抑制节理尖端裂纹扩展与岩桥贯通;针对坝址区重要工程设施设置处及已出现变形迹象的边坡,需结合微震、位移等监测手段,微震监测系统应重点针对边坡失稳的初始破坏区域,将微震监测点优先布置于坡脚及坡体下部岩桥等应力集中明显、易先发生破坏的关键部位,以实现对岩桥破裂萌生与扩展过程的及时捕捉,对边坡渐进失稳过程的早期识别与动态预警。

6 结论

以澜沧江上游某水电站高陡节理岩质边坡为研究对象,基于RFPA3D-Centrifuge数值模拟方法,建立了断续节理岩质边坡概化模型,系统研究了节理长度、角度及内摩擦角等参数对边坡失稳机制的影响。通过分析边坡失稳过程中的应力分布、微震事件、岩体损伤及滑动面贯通规律,揭示了节理参数对边坡失稳模式的主导作用,得出以下结论。

(1)节理的几何特征及空间分布是影响边坡稳定性的关键因素。随着节理长度的增加,节理连通性增大且节理间岩桥距离缩短,致使边坡更容易贯通形成阶梯状滑裂面,导致边坡稳定性显著降低;节理倾角的大小控制着边坡的失稳模式,随着节理倾角的增大,潜在滑动面贯通方向与坡面走向接近平行,边坡失稳模式逐渐由阶梯状滑移转向多级锁固拉裂,此时岩桥处应力集中程度最大,削弱了岩桥的锁固作用,边坡失稳风险显著增大。

(2)随着节理内摩擦角的增大,节理抗剪强度随之升高,致使贯通型滑动面形成所需克服的剪切阻力显著增大,进而抑制节理与岩桥的贯通进程,越不利于形成贯通型滑动面,显著降低边坡失稳风险。反之,节理内摩擦角的减小会削弱节理抗剪强度,加剧节理尖端的应力集中效应,加速岩桥的拉伸或剪切破坏,并产生更多的翼裂纹,导致岩桥部位承载力降低,促使节理与岩桥间贯通速度加快,显著增大边坡失稳风险。

(3)含断续节理岩质边坡的失稳破坏本质上是节理与岩桥逐渐贯通的渐进破坏过程。以方案8为例,可将断续节理岩质边坡的失稳过程分为下部岩桥贯通破坏、上部岩桥贯通后缘拉裂、滑裂面贯通整体失稳三个阶段。滑裂面的贯通具有一定的时空性,滑裂面贯通起始于坡体下部,呈现出由下而上的渐进式发展特征,具有明显的牵引性。断续节理在边坡失稳过程中起主导作用,其贯通方向和应力集中效应显著影响边坡的安全系数及滑裂面的空间形态。

(4)在后续工程以及具有类似地质条件的含顺倾断续节理边坡工程中,应重点关注节理的力学参数与空间展布特征,优先对坡体下部岩桥等易发生破坏的关键区域采取加固措施。同时,微震、位移等监测点位应优先布设于坡脚及坡体下部岩桥等应力集中关键部位,以实现边坡渐进式失稳过程的早期识别与及时治理。

本文研究方法及成果可弥补现有理论、试验及数值计算方法的不足,明确了不同节理参数对断续节理岩质边坡稳定性的影响,并可为系统开展断续节理岩体及岩质边坡破坏机制研究,提供较好的参考借鉴。

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基金资助

国家自然科学基金(42107208)

四川省自然科学基金(面上项目)(2024NSFSC0099)

地质灾害防治与地质环境保护全国重点实验室自主课题(SKLGP2023Z014)

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