利用连续-非连续单元方法研究软硬互层抗倾岩坡在岩石劣化作用下的失稳行为

《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Failure behaviour of soft–hard interbedded anti-dip rock slopes due to rock deterioration using continuum–discontinuum element method

抗滑岩坡的稳定性受库水位波动带（HFB）岩石劣化影响显著，通过连续-不连续元素法（CDEM）模拟发现三种破坏模式：坡趾浅滑而 upper 稳定（A型）、坡趾滑移并诱导 upper 变形（B型）及整体失稳（C型）。触发机制（岩层倾角与坡角之和＞120°）和诱导机制（之和≤110°）主导破坏模式，稳定性随劣化程度加剧而降低，浅滑进一步削弱稳定性。软硬岩层厚度比（η）和岩层结构影响 upper 失稳机理，提出三步稳定性评估策略。

　　在长江三峡库区，反倾岩质边坡的变形与破坏一直是地质灾害研究的重要课题。随着三峡水库的运行，水位的周期性波动对岩体结构产生显著影响，特别是位于水位波动带（HFB）的岩体。这一区域的岩体由于经历多次干湿循环，其物理力学特性会逐渐退化，进而对边坡的稳定性造成威胁。针对这一问题，本研究采用连续-离散元方法（CDEM）对三峡库区软硬互层反倾岩质边坡（SHIADRSs）在HFB岩体退化条件下的破坏行为进行了深入分析。研究结果表明，SHIADRSs可能表现出三种破坏模式：（1）坡脚发生破坏，而上部保持稳定；（2）坡脚破坏伴随上部逐渐变形；（3）经过几次干湿循环后，整个边坡发生破坏。通过分析，研究还识别出两种破坏机制：触发机制和诱导机制。触发机制更可能导致整体破坏，而诱导机制则在岩层倾角α与坡面角β之和小于或等于110°时更为常见。当该和值超过120°时，触发机制则更有可能发生。这一发现通过两个实际案例进行了验证，并据此建立了一个模型来解释SHIADRSs在诱导机制下的破坏过程，同时提出了一种三步骤的稳定性评估策略。

研究背景表明，反倾岩质边坡在三峡库区的广泛分布使其成为潜在地质灾害的主要来源之一。自2008年三峡水库进入正常运行阶段以来，水位的周期性波动引发了岩体在HFB区域的退化，导致多种地质灾害的发生。其中，2008年11月23日，由于实施175米实验蓄水，发生了公家方滑坡，引发的涌浪高达31.8米，对库区的安全构成严重威胁。此外，库区的水位在145米和175米之间持续波动近16年，导致HFB区域的岩体逐渐退化，进而诱发各种地质灾害。由于三峡工程的重大意义，许多研究集中在HFB区域的岩体退化对反倾边坡的影响上，取得了一些重要的成果。

SHIADRSs在三峡库区的岩质边坡中占据重要比例。由于软硬岩层的机械性能差异，这些边坡在变形过程中会产生显著的应力分布差异，从而导致非同步破坏。因此，SHIADRSs的变形和破坏过程比单一岩性组成的反倾边坡更为复杂，需要一种合适的分析方法来研究HFB区域的岩体退化对SHIADRSs的影响。尽管过去的研究主要采用现场调查、理论方法、物理模型试验和数值模拟等手段，但这些方法在处理SHIADRSs的复杂破坏机制时仍存在一定局限性。因此，本研究推荐使用数值模拟，特别是CDEM，因为它具有更高的灵活性和适应性，适合模拟岩体退化对SHIADRSs的影响。

CDEM是一种基于拉格朗日框架的动态显式数值方法，能够通过分离裂隙来模拟材料的逐步破坏。该方法结合了连续介质模型和离散模型的优点，可以统一描述材料的连续性和不连续性。通过动态松弛法求解，CDEM能够在模拟过程中准确捕捉岩体的破坏过程，从连续变形到裂隙扩展和运动。尽管CDEM在多个领域得到了应用，例如预测水力裂缝在煤层气和地热储层中的传播，以及模拟边坡变形等，但其在研究SHIADRSs时仍具有独特的价值。

为了更全面地理解HFB区域岩体退化对SHIADRSs的影响，本研究构建了一个数值模型，该模型包含代表性的软硬岩层特征。模型中的岩层倾角α、坡面角β和软硬岩层厚度比η被设定为变量。通过调整这些参数，构建了45个数值模型，并进行了系统的数值模拟。模拟结果显示，当α和β之和超过120°时，触发机制更可能引起整体破坏，而当该和值小于或等于110°时，诱导机制则更可能主导破坏过程。此外，模型还揭示了α和β的和对破坏模式和稳定性状态的影响，以及η在破坏过程中的作用。

研究进一步探讨了岩体退化对SHIADRSs稳定性的影响。通过分析不同退化程度下的模型表现，发现随着岩体退化程度的增加，SHIADRSs的稳定性逐渐降低，尤其是坡脚的浅层滑动进一步削弱了整体的稳定性。此外，模型还揭示了破坏机制对稳定性状态的显著影响。在触发机制主导的模型中，80%以上的模型表现出完全破坏状态（稳定性状态C），而在诱导机制主导的模型中，稳定性状态A和B的比例更高。这些结果为理解SHIADRSs在HFB区域岩体退化条件下的破坏机制提供了重要的依据。

为了验证这些发现，研究选取了两个实际案例进行对比分析。第一个案例是位于杜隆岸段的#3边坡，该边坡在HFB区域的岩体退化后经历了局部倒塌和滑动，但整体仍保持稳定。第二个案例是位于西田岸段的杨家坪边坡，该边坡在HFB区域的岩体退化后表现出一定的变形，但整体未发生完全破坏。通过将模拟结果与实际观测数据进行对比，研究确认了所提出的模型和评估策略的有效性。此外，研究还指出，不同地质条件下的HFB区域岩体退化对SHIADRSs的影响可能存在差异，因此在其他水库中也应进一步探讨这一问题。

本研究还提出了一个三步骤的稳定性评估策略，用于分析SHIADRSs在诱导机制下的稳定性。第一步是评估上部边坡在不考虑坡脚支撑情况下的稳定性，第二步是结合上部边坡的主破坏面和坡脚的假设破坏面，进一步评估整个边坡的稳定性。第三步则考虑坡脚的浅层滑动对整体稳定性的影响。通过这一策略，研究验证了其在不同模型中的有效性，为实际工程中的稳定性评估提供了理论支持。

研究的结论表明，随着HFB区域岩体退化的加剧，SHIADRSs的稳定性显著下降，坡脚的浅层滑动进一步削弱了整体的稳定性。为了确保三峡库区边坡的安全，需要采取适当的工程措施来防止或减轻HFB区域岩体退化的影响。对于已经发生坡脚浅层滑动但整体仍保持稳定的边坡，建议对坡脚的空腔进行监测，并及时采取相应的修复措施。这些结论为未来的边坡稳定性评估和灾害防治提供了重要的参考依据。