堆積層滑坡發(fā)生機理及防治措施

王衛(wèi)

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京100083)

堆積層滑坡發(fā)生機理及防治措施

王衛(wèi)

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京100083)

以梁平高速天寶堆積層滑坡為例，在分析工程地質(zhì)條件和地層巖性的基礎(chǔ)上，采用FLAC3D數(shù)值模擬方法研究工程開挖和降雨對滑坡穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明:堆積層滑坡與工程開挖和降雨密切相關(guān);開挖較淺時，滑坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，在開挖角附近產(chǎn)生輕微的剪應(yīng)力集中，滑坡后緣裂縫發(fā)生張拉破壞，隨著開挖深度的增加，滑坡中部塑性區(qū)沿著滑面逐漸向上延伸并與滑坡后緣張拉裂縫帶貫通，在滑坡前緣牽引作用下中部和后部滑坡體發(fā)生整體失穩(wěn);雨水增加滑坡體重度的同時降低了滑坡堆積層與基巖接觸面的抗滑能力，上部堆積層在自重作用下發(fā)生蠕滑，并從滑坡前緣擠壓剪出。為了保障萬梁高速的順利施工，采取綜合措施對堆積層滑坡進(jìn)行了整治，工程治理效果良好。

堆積層滑坡 FLAC3D 穩(wěn)定性 工程擾動 降雨

堆積層滑坡是指第四系及近代松散堆積層發(fā)生失穩(wěn)的一類典型滑坡，具有分布廣泛、爆發(fā)頻率高、持續(xù)危害性大等特點，在我國滑坡類型中占很大比例［1-2］。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，重慶市區(qū)域性堆積層滑坡普遍發(fā)育，僅1998年內(nèi)發(fā)生2 000多處，其中70%的滑坡分布在萬州區(qū)和涪陵區(qū)［3］。堆積層滑坡的頻繁發(fā)生，不僅造成了大量的人員傷亡和財產(chǎn)損失，還對國家基礎(chǔ)建設(shè)產(chǎn)生了嚴(yán)重危害。

目前，國內(nèi)外很多學(xué)者對降雨型堆積層滑坡的滑動機制，成因以及滑坡動力學(xué)特征等進(jìn)行了大量的研究。賀可強等［4］根據(jù)降雨型堆積層滑坡的巖體物質(zhì)組成特點與位移構(gòu)成特征，建立了滑坡黏彈性位移力學(xué)模型與位移動力學(xué)方程，研究表明滑坡位移動力學(xué)特征與滑坡地下水變化規(guī)律密切相關(guān)。吳火珍等［5］運用非飽和土力學(xué)對降雨型堆積層滑坡的滑動機制及滑坡原因進(jìn)行了總體概括。陳善雄等［6］在總結(jié)降雨型堆積層滑坡滑動特征的基礎(chǔ)上，采用傳遞系數(shù)法研究了堆積層滑坡的穩(wěn)定性。J.L.Zezere等［7］對597個侏羅系地層堆積層滑坡的失穩(wěn)原因進(jìn)行了統(tǒng)計調(diào)查，結(jié)果表明降雨是堆積層滑坡主要誘發(fā)因素。成國文等［8］詳細(xì)分析了萬州區(qū)近水平地層區(qū)堆積層滑坡的物質(zhì)來源、結(jié)構(gòu)成因、形成模式以及滑體變形破壞特征，發(fā)現(xiàn)堆積層滑坡主要沿堆積層和基巖接觸面或滑體中部軟弱夾層滑動。馬春馳等［9］采用非飽和土滲流分析軟件和巖土應(yīng)力變形軟件對地下水和開挖作用下的堆積層滑坡的滑動機制進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)地下水的滲流是滑坡失穩(wěn)的潛在因素。李元彪［10］在分析堆積層老滑坡病害特征和成因基礎(chǔ)上，研究了路基設(shè)計位置和開挖深度對老滑坡復(fù)活和規(guī)模的影響。文奎等［11］采用推力傳遞系數(shù)法研究了地下水和邊坡開挖作用下滑坡穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)地下水位是滑坡失穩(wěn)的主要因素。賀可強等［12］通過對堆積層滑坡的基本物理特征與動力學(xué)特征的系統(tǒng)討論和總結(jié)，提出堆積層滑坡治理措施應(yīng)以排水工程、注漿工程和坡形改造為主。綜上所述，前人對降雨型堆積層滑坡發(fā)生機制和發(fā)生原因進(jìn)行了大量研究，但對工程開挖和降雨作用下堆積層滑坡發(fā)生機理的研究相對較少。

本文以梁平高速公路ZK44+650—ZK45+020段天寶滑坡為例，采用數(shù)值模擬方法分析工程開挖和降雨作用下堆積層滑坡的發(fā)生機理和失穩(wěn)模式，以期為梁平高速公路順利施工和國內(nèi)外此類滑坡的防治提供參考。

1 工程概況

天寶滑坡位于重慶市萬州區(qū)孫家鄉(xiāng)天寶村一帶，為梁平高速公路的左坡，如圖1所示。該路段長為370 m，對應(yīng)的高速公路里程為ZK44+650—ZK45+ 020，路面設(shè)計高程為800.6 m。梁平高速在此處以路塹開挖形式從滑坡前緣通過，路塹最大開挖深度為9 m。

天寶滑坡位于單斜巖層分布地帶，巖層產(chǎn)狀較穩(wěn)定，一般為150°～165°∠15°～20°，坡面呈臺階狀，傾角15°～25°。滑坡地層巖性主要為第四系殘坡積砂質(zhì)黏性土和侏羅系中統(tǒng)新田溝組泥巖、砂巖組，其中第四系殘坡積砂質(zhì)黏性土中含有少量碎石。

該路段地表水較多，并匯集于溝槽中，滑坡體內(nèi)地下水主要包括孔隙潛水和基巖裂隙水?？紫稘撍饕x存于砂質(zhì)黏性土與泥巖的接觸面附近，天寶滑坡上部堆積層在雨季基本處于飽水狀態(tài);基巖裂隙水主要賦存于滑坡下部基巖節(jié)理面或裂隙面中，并對滑坡體內(nèi)地下水有補給作用。

圖1 工程地質(zhì)斷面

2 滑坡成因分析

天寶滑坡內(nèi)部節(jié)理具有順傾向特點，天然條件下巖層產(chǎn)狀相對穩(wěn)定，但滑坡前緣的開挖會切斷順傾向的層理，從而成為堆積層滑坡上部堆積層失穩(wěn)的主要因素，此外開挖時的爆破施工會使巖體產(chǎn)生局部松動，進(jìn)一步降低坡體前緣穩(wěn)定性。

堆積層滑坡上部堆積層為砂質(zhì)黏性土，結(jié)構(gòu)松散，滲透性較好，而下部基巖為泥巖、砂巖，較密實，滲透性較差，在堆積層和基巖層接觸面附近易形成隔水層和滑動面，同時雨水在隔水層集聚，長期的弱化作用必然降低滑面巖土體抗滑能力，為堆積層滑坡的滑動變形創(chuàng)造了條件。

3 數(shù)值分析

3.1 模型建立

采用FlAC3D數(shù)值軟件建立滑坡典型地質(zhì)斷面的數(shù)值計算模型。模型從上到下分別為堆積層和基巖，堆積層和基巖中存在一組接觸面，如圖2所示。滑坡模型長109 m，高35 m，寬5 m，為準(zhǔn)三維數(shù)值計算模型，采用六面體單元對模型進(jìn)行離散，離散后網(wǎng)格單元數(shù)量為4 896個，節(jié)點數(shù)量為7 012個，堆積層和基巖之間接觸面用FLAC3D中Interface單元進(jìn)行模擬。計算過程中模型四周為滾動邊界，底部為固定邊界。模型材料參數(shù)服從Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，在工程開挖和降雨過程中將塑性區(qū)分布和滑坡變形量相結(jié)合作為滑坡失穩(wěn)判別標(biāo)準(zhǔn)?；虑熬壒こ涕_挖按照從上往下的先后順序分為2次開挖。

3.2 參數(shù)確定

由于堆積層和基巖接觸面下部是很厚的泥巖層，砂巖對滑坡失穩(wěn)影響很小。為了簡化計算，堆積層巖土參數(shù)取砂質(zhì)黏性土參數(shù)，基巖巖土參數(shù)取泥巖參數(shù)。根據(jù)室內(nèi)試驗分別得到砂質(zhì)黏性土和泥巖物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。接觸面初始參數(shù):黏聚力為12 kPa，內(nèi)摩擦角為10°，抗拉強度為0，接觸面的切向剛度Ks和法向剛度Kn與模型單元的幾何尺寸有關(guān)，可依據(jù)FLAC3D手冊中推薦的公式進(jìn)行計算選取，本文均取9×108Pa/m。

表1 巖土力學(xué)參數(shù)

圖2 離散后計算模型

4 計算結(jié)果與分析

4.1 工程開挖的影響

由于堆積層滑坡巖土體材料服從張拉剪切組合的Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，坡體內(nèi)部塑形破壞區(qū)主要分為剪切塑形區(qū)和張拉塑形區(qū)。第一次開挖后堆積層滑坡塑性區(qū)分布如圖3所示?？梢钥闯?，滑坡中部并未出現(xiàn)明顯的塑形變形，堆積層滑坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，滑坡后緣沿著裂縫出現(xiàn)張拉破壞，滑坡前緣在開挖角附近出現(xiàn)輕微剪切破壞。主要是由于第一次開挖的擾動范圍較小，滑坡內(nèi)部應(yīng)力并未出現(xiàn)明顯的重新分布。

圖4為第二次開挖后堆積層滑坡塑性區(qū)分布。由圖可知:堆積層滑坡在第二次開挖過程中發(fā)生失穩(wěn)，滑坡前緣開挖角附近出現(xiàn)明顯的剪切破壞。對比圖3可知，剪切塑性區(qū)沿著滑面逐漸向上發(fā)展并與滑坡后緣張拉裂縫帶貫通，形成完整的滑體，滑坡堆積層沿著堆積層和基巖接觸面發(fā)生整體性下滑。表明第二次開挖改變坡體內(nèi)部原有的應(yīng)力平衡，且滑坡破壞是從滑坡前緣逐漸向中部和后部發(fā)展的。

圖3 第一次開挖后堆積層滑坡塑形區(qū)分布

圖4 第二次開挖后堆積層滑坡塑形區(qū)分布

4.2 降雨的影響

由于第二次開挖后，坡體已發(fā)生失穩(wěn)，因此文中僅考慮降雨對第一次開挖后堆積層坡體穩(wěn)定性的影響。假定一段時間內(nèi)，滑坡上部堆積層全部充水飽和，計算時堆積層密度取飽和密度2 100 kg/m3，并對堆積層與基巖之間接觸面巖土參數(shù)進(jìn)行0.8倍折減。

圖5為降雨后堆積層滑坡水平位移等值線圖(XDIS表示滑坡的水平位移)?？梢钥闯?降雨對滑坡上部堆積層穩(wěn)定性有顯著影響，對下部基巖影響較小，此時堆積層在自重作用下已經(jīng)發(fā)生滑動;滑坡前緣的水平位移最大為0.2 m，且開挖角附近水平位移等值線分布密集，表明滑坡前緣在中部和上部滑體的推力作用下在開挖角附近發(fā)生明顯的擠壓變形;滑體從開挖角處剪出，坡體后緣裂縫位移量約為0.1 m，表明降雨會導(dǎo)致滑坡后緣裂縫進(jìn)一步擴張。因此，堆積層滑坡整治工程應(yīng)做好截水和排水工作，防止降雨情況下堆積層滑坡發(fā)生失穩(wěn)。

綜上所述，工程開挖和降雨均對堆積層滑坡的穩(wěn)定性有顯著影響，但兩種條件下堆積層滑坡的發(fā)生機理不同。對于開挖工程而言，工程開挖切斷了順傾向的層理，中部和后部滑體在滑坡前緣的牽引下發(fā)生滑動。對于降雨而言，由于堆積層為砂質(zhì)黏性土，滲透性較高，而接觸面附近的基巖主要是滲透性較差的泥巖，雨水的下滲導(dǎo)致堆積層重度的增加，同時雨水降低了滑面抗滑能力，堆積層滑坡上部坡體在自重作用下沿著堆積層和基巖接觸面產(chǎn)生蠕滑，滑坡前緣在中部和上部滑體推力作用下從開挖角附近擠壓剪出。

圖5 降雨后堆積層滑坡水平位移等值線圖

5 工程措施

由上述分析可知，第一次工程開挖對整體滑坡穩(wěn)定性影響不大，在降雨或第二次工程開挖作用下，天寶滑坡上部堆積層均可能發(fā)生整體性失穩(wěn)。為了保障萬梁高速的順利施工和防止運營期內(nèi)天寶滑坡發(fā)生失穩(wěn)，須對天寶滑坡上部堆積層進(jìn)行支擋。根據(jù)工點的地質(zhì)條件，綜合考慮工程擾動和降雨等誘發(fā)因素，征求專家意見，對該病害工點采取了以下整治措施。

1)布設(shè)截水溝

滑坡外側(cè)布設(shè)地面截水溝，截水溝與梁平高速ZK45+020—ZK45+200段滑坡排水溝相接，在萬州一側(cè)將水排出。截水溝一般距滑坡外側(cè)5 m左右布設(shè)，根據(jù)地形情況可對截水溝位置和長度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

2)布設(shè)抗滑樁

線路左側(cè)滑坡距高速公路左線中心線15 m處布設(shè)一排抗滑樁，共計11根，以增加堆積層滑坡上部堆積層的抗滑能力。樁長17 m，截面2.0 m×2.6 m，抗滑樁間距6 m。

3)布設(shè)排水孔

抗滑樁之間布設(shè)一排仰斜排水孔，共10孔，孔長18 m，仰角4°，孔間距6 m，排水孔開孔標(biāo)高高于路肩2.0 m，終孔直徑為110 mm，內(nèi)放直徑為90 mm的排水軟管進(jìn)行排水，以減小降雨對堆積層滑坡穩(wěn)定性的影響。

4)布設(shè)擋土墻

線路左側(cè)滑坡布設(shè)擋土墻，抵擋滑坡推力并限制開挖臨空面土體的塑形變形。擋土墻高10 m，頂寬1 m，胸坡1∶0.35，背坡1∶0.2，與梁平高速ZK45+ 020—ZK45+200段滑坡內(nèi)側(cè)擋土墻相接，同時墻體每隔2 m上下左右交錯布置泄水孔。

5)綠化坡面

由于滑坡傾角在13°左右，具備種草綠化的客觀條件，因此在堆積層滑坡坡面種植草皮，既能防止雨水沖刷坡面，又可以美化高速公路沿線景觀。

6 結(jié)論

本文以梁平高速天寶堆積層滑坡為例，在分析了工程地質(zhì)條件和地層巖性的基礎(chǔ)上，采用FLAC3D數(shù)值模擬方法研究工程開挖和降雨對滑坡穩(wěn)定性的影響。得出結(jié)論如下:

1)堆積層滑坡穩(wěn)定性隨著開挖深度增加而逐漸降低。開挖擾動范圍較小時，滑坡整體仍能保持自身穩(wěn)定;隨著開挖范圍增加，滑坡前緣塑性區(qū)沿著接觸面向上延伸并與后緣裂縫帶貫通，滑坡體在滑坡前緣牽引作用下發(fā)生整體失穩(wěn)。

2)降雨后堆積層砂質(zhì)黏性土吸水飽和以及接觸面抗滑能力的降低，堆積層滑體在自重作用下沿著基巖接觸面發(fā)生蠕滑，滑坡前緣在中部和上部滑體推力作用下從開挖角附近擠壓剪出。

3)采取以抗滑樁、擋土墻為主，截排水工程為輔的措施對天寶滑坡進(jìn)行綜合治理。治理工程結(jié)束后，滑坡經(jīng)歷了多個雨季均未發(fā)生變形破壞，治理效果較為理想。

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(責(zé)任審編葛全紅)

P642.22

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.31

1003-1995(2015)06-0121-04

2014-10-20;

2015-04-20

王衛(wèi)(1992—)，男，安徽淮南人，碩士研究生。