某隧道邊坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)

茹杉杉 俞尚宇

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題是鐵路工程、管道工程及水利水電工程經(jīng)常遇到的，直接關(guān)系到附近人員的生命安全及工程建筑物的安全、經(jīng)濟(jì)和正常使用。在某隧道施工過(guò)程中，由于連續(xù)暴雨，隧道進(jìn)口右側(cè)山體出現(xiàn)地表變形開(kāi)裂，并分布有明顯裂縫，存在滑坡跡象，對(duì)當(dāng)?shù)卮迕竦纳拓?cái)產(chǎn)有一定的安全隱患。發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后，有關(guān)單位立即組織專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘，并開(kāi)展相關(guān)工作。

1 自然地理概況

場(chǎng)地位于貴州省普安縣境內(nèi)，隧道距普安縣城約10 km，有鄉(xiāng)間土路和施工便道相通。

場(chǎng)地屬亞熱帶高原季風(fēng)氣候區(qū)，垂直方向差異較大，立體氣候明顯，降雨具有連續(xù)集中的特點(diǎn)，雨季多暴雨。降雨受地勢(shì)及季風(fēng)氣候影響，在空間上分布不均勻。據(jù)普安縣氣象局資料，普安縣年平均降水量1 439 mm，最大年降雨量1 675 mm，最小年降雨量1 332 mm，多集中于五至十月份。災(zāi)害性氣候主要為春旱、冰雹和暴雨。

2 滑坡區(qū)綜合勘察結(jié)果

2.1 滑坡范圍

評(píng)價(jià)范圍內(nèi)的滑坡體位于隧道進(jìn)口右側(cè)山體斜坡上，與隧道線位不相交，高程分布范圍為1 500～1 580 m。地貌屬剝蝕低中山—中山區(qū)，斜坡地形起伏較大，自然坡度一般為35°～40°，局部稍陡，坡向229°。根據(jù)野外調(diào)查訪問(wèn)和勘探結(jié)果，該滑坡體滑坡周界以巖土體是否產(chǎn)生變形破壞為界，滑坡后緣位于施工便道上方，房子2的后右上方，滑坡前緣剪出口為施工便道邊緣;兩側(cè)以微地貌中自然形成的沖溝及陡坎為邊界。

滑坡體前緣橫寬45～50 m，縱長(zhǎng)95 m，坡體平均坡度35°，主滑方向 229°，平均厚度約15 m，總體積約55 000 m3，屬于中型滑坡。據(jù)鉆探揭示，滑坡物質(zhì)主要為堆積、坡積碎石土、角礫土，堆積厚度不均，屬于松散堆積體滑坡。

2.2 空間形態(tài)分布

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查踏勘，測(cè)繪地形，隧道進(jìn)口右側(cè)滑坡的空間形態(tài)分布如圖1所示，山體上分布有明顯裂縫?；抡w呈長(zhǎng)舌狀，滑坡體邊界明顯。前緣以施工便道內(nèi)側(cè)為界，兩側(cè)以已滑塌范圍為界，后緣以滑塌形成的裂縫為界。

圖1 滑坡全貌及裂縫分布

2.3 坡體物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)特征

通過(guò)地表地質(zhì)調(diào)繪及勘探資料分析，滑坡體物質(zhì)組成主要為松散碎石土及角礫土。

(1)滑體

滑體物質(zhì)組成主要為第四系松散殘坡積層，主要巖性為碎石土、粉質(zhì)黏土，黃褐色，稍濕，呈松散狀。滑坡體物質(zhì)結(jié)構(gòu)較松散，透水性好，抗剪強(qiáng)度低，厚度不均，分布不均。局部滑坡體為滑塌變形后堆積物，主要為碎石土，夾強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖和砂質(zhì)泥巖，平均厚度約15 m，鉆探揭示最厚處可達(dá)21.4 m。下伏基巖為三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組泥質(zhì)砂巖和砂質(zhì)泥巖，灰紫紅色，弱風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎。

(2)滑面

按照鉆探揭示情況，該滑坡體滑動(dòng)面為松散堆積層與下伏基巖的巖性接觸面，呈折線形。滑床與滑體的接觸關(guān)系主要以下部風(fēng)化基巖面為標(biāo)志面。在滑體下部主要為含碎石粉質(zhì)黏土、碎石土與中風(fēng)化的泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖直接接觸。碎石土松散，透水性強(qiáng)，碎石土中的黏性土遇水易軟化。下部風(fēng)化基巖工程性質(zhì)較好，透水性差。勘察時(shí)，滑坡體內(nèi)未見(jiàn)地下水，地下水主要該基巖面向下流動(dòng)，在地下水作用下，滑坡體軟化，沿風(fēng)化基巖層面下滑。

隨著醫(yī)院科研管理的快速發(fā)展和環(huán)境的不斷轉(zhuǎn)變，科研經(jīng)費(fèi)審計(jì)已越來(lái)越受到人們的重視。被賦予了組織內(nèi)部控制檢查、為風(fēng)險(xiǎn)管理與治理活動(dòng)增加價(jià)值和改善運(yùn)營(yíng)情況的重任。漸漸成為輔助政策落地、規(guī)范單位運(yùn)行、實(shí)現(xiàn)國(guó)家良治的機(jī)制保障；實(shí)施財(cái)務(wù)監(jiān)督、有效落實(shí)責(zé)任、規(guī)避項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)、優(yōu)化資源配置的必要措施；順應(yīng)社會(huì)輿情、消除破窗效應(yīng)、宣傳貫徹國(guó)家政策、營(yíng)造風(fēng)清氣正的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)；搭建服務(wù)平臺(tái)、提供審計(jì)咨詢、深化科技發(fā)展的有效途徑。

(3)滑床

滑床為基巖，由中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖組成，節(jié)理裂隙較發(fā)育，為軟質(zhì)巖組。巖層產(chǎn)狀20°∠52°，走向與滑向呈交切關(guān)系。

2.4 滑坡變形破壞模式

分為牽引式滑坡和推移式滑坡［1］。

牽引式滑坡其變形特征一般表現(xiàn)為土體向臨空方向的剪切蠕動(dòng)，坡體上產(chǎn)生自地表向深部的拉裂，進(jìn)一步明顯變形產(chǎn)生貫通良好的拉裂縫，然后剪切進(jìn)一步貫通，地表裂縫增多，伴有局部崩滑、掉塊產(chǎn)生，最終滑動(dòng)面產(chǎn)生坍塌。

重力推移式滑坡其變形特征一般表現(xiàn)為土體向臨空方向迅速剪切滑動(dòng)，剪切面已有軟弱結(jié)構(gòu)面控制，其變形是由深部潛在剪切面逐步向地表發(fā)展，滑坡體后緣與剪出口位于地形變化轉(zhuǎn)折部位［2］。

綜合上述變形特征，結(jié)合滑坡發(fā)展過(guò)程和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料，該滑坡體形成的主要原因是連續(xù)暴雨?duì)顩r下，滑體內(nèi)土體重度增加，滑面抗剪強(qiáng)度減小。同時(shí)，也受到施工便道開(kāi)挖后形成臨空面以及坡體上部房屋荷載影響。因此，按照滑坡受力狀態(tài)，滑坡應(yīng)屬于重力推移式滑坡。

3 邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 滑坡參數(shù)確定

根據(jù)勘察及地質(zhì)調(diào)繪分析，該滑坡體的物質(zhì)組成主要為碎石土，滑面的物質(zhì)組成主要為含碎石粉質(zhì)黏土。本次計(jì)算，主要考慮對(duì)該坡體進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，結(jié)合鉆探、調(diào)繪成果，分析該山體潛在滑動(dòng)面為折線型。在勘察階段，根據(jù)鉆探、地質(zhì)調(diào)繪等資料綜合確定，選取了該山體的剖面Ⅰ－Ⅰ'作為本次穩(wěn)定性計(jì)算的典型剖面。

計(jì)算參數(shù)的選取結(jié)合目前的滑坡體穩(wěn)定狀態(tài)，以及同類(lèi)工程經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比的基礎(chǔ)上，對(duì)該滑坡體采用綜合取值法進(jìn)行確定。隧道進(jìn)口右側(cè)滑體主要以第四系殘坡積碎石土、角礫土為主，結(jié)合勘察試驗(yàn)和同類(lèi)工程的經(jīng)驗(yàn)確定滑體的重度參數(shù)。計(jì)算中，滑體天然重度取21.00 kN/m3、飽和重度取21.50 kN/m3。本次設(shè)計(jì)采用經(jīng)驗(yàn)值與參數(shù)反演結(jié)果綜合取值進(jìn)行驗(yàn)算，選取天然狀態(tài)和飽和狀態(tài)的邊坡巖土體內(nèi)聚力(C)和內(nèi)摩擦角(φ)，如表1所示。

表1 滑帶土(巖)抗剪強(qiáng)度參數(shù)采用值

3.2 穩(wěn)定性分析計(jì)算

為保證勘察工作的有效性，以及保證治理設(shè)計(jì)工程的安全可靠行，結(jié)合該滑坡的實(shí)際情況，采用傳遞系數(shù)法［3］和理正軟件模型進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)，根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021—2001)2009年版，設(shè)計(jì)了兩種計(jì)算工況。

工況一:天然工況(自重);

工況二:暴雨工況(自重+50年一遇暴雨)。

(1)傳遞系數(shù)法

結(jié)合勘察、地質(zhì)調(diào)繪的分析，本次滑坡穩(wěn)定性計(jì)算采用傳遞系數(shù)法作為計(jì)算方法。勘探過(guò)程中，滑坡體內(nèi)未見(jiàn)地下水，所以計(jì)算時(shí)不考慮浮托力和動(dòng)水壓力。

式中:Fs—穩(wěn)定系數(shù);θi—第i塊段滑動(dòng)面與水平面的夾角/(°);Ni—第i塊段滑動(dòng)面的法向分力/(kN/m);Ri—作用于第i塊段的抗滑力/(kN/m);Ti—作用于第i塊段滑面上的滑動(dòng)分力/(kN/m);Qi—第i條塊自重標(biāo)準(zhǔn)值與相應(yīng)附加荷載之和/(kN/m);Ci—第i條塊滑面粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值/kPa;Li—第i條塊滑面長(zhǎng)度/m;φi—第i條塊滑面內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值/(°);ψj—第i塊段的剩余下滑力傳遞至第i+1塊時(shí)的傳遞系數(shù)(j=i時(shí))。

根據(jù)已確定的滑坡體參數(shù)，根據(jù)上述公式進(jìn)行傳遞系數(shù)法計(jì)算，得出該山體潛在滑坡典型剖面的安全系數(shù)如表2和表3所示，圖2為滑坡坡面條分情況，圖3為滑坡分段力系分解圖。

表2 隧道右側(cè)山體滑坡Ⅰ－Ⅰ'天然狀況下穩(wěn)定性計(jì)算

表3 隧道右側(cè)山體滑坡Ⅰ－Ⅰ'暴雨工況下穩(wěn)定性計(jì)算

圖2 傳遞系數(shù)法計(jì)算坡面條分

(2)理正軟件分析結(jié)果

圖3 滑坡分段力系分解

利用理正邊坡分析軟件，選擇復(fù)雜土層土坡穩(wěn)定計(jì)算，選擇并輸入相關(guān)數(shù)據(jù)后得到分析結(jié)果。對(duì)于指定折線滑動(dòng)面問(wèn)題，軟件提供了簡(jiǎn)化畢肖普、簡(jiǎn)化簡(jiǎn)布和摩根斯頓－普賴斯三種極限平衡計(jì)算方法［4］。

簡(jiǎn)化畢肖普法適用于一般土層且滑動(dòng)面為圓弧情況，該方法考慮了條間的水平力，以整體力矩平衡和各條垂直力平衡條件為基礎(chǔ)進(jìn)行求解。由于沒(méi)有考慮條間垂直向力，因此存在2%～7%的誤差。簡(jiǎn)化簡(jiǎn)布適于任意土層任意滑動(dòng)面情況，考慮條間的水平力的同時(shí)指定水平力作用點(diǎn)，以整體力矩平衡、各條力矩平衡、各條垂直力力平衡和各條水平力平衡為基礎(chǔ)進(jìn)行求解，但求解精度較難確定。

摩根斯頓－普賴斯適用于有軟弱夾層、薄心墻及任何壩型的壩坡穩(wěn)定分析，它是一種滿足力和力矩平衡的計(jì)算方法，其計(jì)算滑動(dòng)面為非圓弧滑動(dòng)面，適用范圍較為廣泛?；麦w條分情況如圖4所示，天然工況及暴雨工況下的計(jì)算結(jié)果如表4所示。圖5和6為兩種計(jì)算工況情況下的摩根斯頓－普賴斯計(jì)算曲線［5］。

圖4 理正軟件計(jì)算坡面條分

表4 理正軟件邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

圖5 天然工況下摩根斯頓－普賴斯計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

上述計(jì)算及分析表明，理論分析結(jié)果與理正軟件計(jì)算結(jié)果雖然存在一定偏差，但總體上較為接近。因考慮條件及計(jì)算條件的不同，三種方法的軟件計(jì)算結(jié)果存在一定差異，簡(jiǎn)化簡(jiǎn)布法得出的計(jì)算結(jié)果偏于保守。

總體來(lái)看，該邊坡在天然工況下能處于穩(wěn)定狀態(tài)，但安全系數(shù)不高，處于較危險(xiǎn)狀態(tài)。在暴雨工況作用下安全系數(shù)小于1，表明會(huì)發(fā)生滑動(dòng)破壞，而且暴雨工況并沒(méi)有考慮地下滲流力，計(jì)算過(guò)程沒(méi)有考慮隧道爆破施工的影響。因此，與計(jì)算結(jié)果相比，實(shí)際情況下該邊坡可能更易產(chǎn)生滑動(dòng)破壞。對(duì)隧道邊坡進(jìn)行綜合勘查及穩(wěn)定性分析后，提出以下治理建議:

①建議在滑坡體范圍內(nèi)及周界外側(cè)，建立完善的排水系統(tǒng)，并做好防滲漏措施，確保降雨、地表水及時(shí)暢通排泄;對(duì)滑坡體出現(xiàn)的裂縫及時(shí)進(jìn)行回填夯實(shí)處理，防止地表水沿裂縫灌入影響坡體穩(wěn)定;堅(jiān)決杜絕生活用水、污水、灌溉水等隨意排放。

②建議結(jié)合實(shí)際情況可采用排水法、支擋法與注漿加固法和避讓法等方法，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮以上方法，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，采用經(jīng)濟(jì)合理的方法。

③對(duì)滑坡、道路和房屋要定員做好巡視檢查(包括經(jīng)常性檢查、定期檢查和特別檢查)，如發(fā)現(xiàn)隱情，及時(shí)預(yù)警，疏散周邊村民，鄉(xiāng)村道路禁止通行。

④設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)慎重考慮邊坡設(shè)置問(wèn)題，可適當(dāng)采取放緩邊坡和加強(qiáng)邊坡支護(hù)的方法處理。

⑤房屋已發(fā)生開(kāi)裂變形，安全隱患大，建議拆遷，對(duì)施工便道兩側(cè)應(yīng)設(shè)置警示牌，在通過(guò)前首先一看二查三注意，快速通過(guò)，不應(yīng)停留在坡體上。

圖6 暴雨工況下摩根斯頓－普賴斯計(jì)算結(jié)果

［1］劉文平，鄭穎人，等．邊坡穩(wěn)定性理論及其局限性［J］．后勤工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2005(1)

［2］曾斌，余宏明．條分理論及其在下川島某巖石邊坡分析中的應(yīng)用［D］．武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2005

［3］王新珂．土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定分析研究［D］．合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2007

［4］夏元友，李海．邊坡穩(wěn)定性研究及發(fā)展趨勢(shì)［J］．巖石力學(xué)及工程學(xué)報(bào)，2002，21(7)

［5］蘇利軍．基于極限平衡法和有限元法的土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析研究［D］．成都:西華大學(xué)，2012