基于FLAC3D的邊坡穩(wěn)定性分析及治理模擬

唐勇

(廣西建工集團(tuán)基礎(chǔ)建設(shè)有限公司，南寧　530001)

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基于FLAC3D的邊坡穩(wěn)定性分析及治理模擬

唐勇

(廣西建工集團(tuán)基礎(chǔ)建設(shè)有限公司，南寧530001)

在現(xiàn)場(chǎng)考察和工程地質(zhì)勘察的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了貴勻高速公路百鳥(niǎo)坡隧道左線進(jìn)口邊坡的工程地質(zhì)條件及其變形特征,認(rèn)為在暴雨條件下，坡體的覆蓋土層與部分強(qiáng)風(fēng)化層沿強(qiáng)弱風(fēng)化基巖接觸面附近產(chǎn)生滑動(dòng)而發(fā)生坍塌，將隧道左洞掩埋；該邊坡破壞機(jī)制屬牽引式破壞；根據(jù)規(guī)范及有關(guān)經(jīng)驗(yàn)對(duì)邊坡力學(xué)參數(shù)取值，用FLAC3D有限差分技術(shù)，建立邊坡地質(zhì)力學(xué)模型，計(jì)算暴雨條件下邊坡的穩(wěn)定性。結(jié)果表明：在暴雨條件下邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需進(jìn)行治理。本文通過(guò)設(shè)計(jì)抗滑樁、鋼管樁及擋土墻等措施對(duì)邊坡進(jìn)行支護(hù)并驗(yàn)證該邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，為貴勻公路的順利完成提供了有力保障。

邊坡穩(wěn)定性；數(shù)值模擬；隧道邊坡；處理措施

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，高速公路的修建也越來(lái)越多。高速公路修建開(kāi)挖時(shí)，形成臨空面，會(huì)導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，對(duì)周?chē)用竦娜松碡?cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生極大的威脅。因此有必要對(duì)擬產(chǎn)生的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析并對(duì)不安全邊坡及時(shí)處理。擬建的貴陽(yáng)至都勻高速公路是連接我國(guó)西部地區(qū)和東南沿海地區(qū)重要的出海大通道，它的建設(shè)對(duì)于推進(jìn)西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施也將起到十分重要的作用。

本文研究的百鳥(niǎo)坡隧道進(jìn)口邊坡位于都勻市小圍寨鄉(xiāng)。隧道進(jìn)口附近有一采石場(chǎng)，有碎石路通往，交通條件相對(duì)方便。隧道進(jìn)洞口位于山坡的中下部，在2009年4月中旬前，隧道進(jìn)洞邊坡穩(wěn)定性情況良好，由于此處進(jìn)洞對(duì)邊坡前緣進(jìn)行了一定的切坡，使邊坡前緣有一個(gè)臨空面，在雨水等不利因素的作用下，邊坡表層覆蓋層由下而上牽引式的發(fā)生了滑移,發(fā)生了邊坡體破壞變形，2009年4月19日隧道左線進(jìn)口上方邊坡洞口段發(fā)生坍塌，將隧道左洞掩埋。隨著時(shí)間的推移，邊坡體上出現(xiàn)多處裂隙，且有2～3級(jí)裂隙是貫穿的。邊坡體破壞范圍為隧道進(jìn)洞口至山坡上部近400 m范圍內(nèi)，邊坡影響面積約為25 000 m2，坡體的平均厚度為6 m左右，前緣較厚，為6～10 m，中后部較薄，為2～6 m。由于邊坡體變形破壞后，隧道左線進(jìn)洞口被埋，影響了正常施工，并且邊坡有繼續(xù)變形破壞的趨勢(shì)，存在較大的安全隱患，有必要對(duì)其進(jìn)行更詳盡的研究。

1　工程地質(zhì)條件

1.1地形地貌

該研究區(qū)位于構(gòu)造剝蝕侵蝕低中山地貌區(qū)，地面標(biāo)高883～1 140 m，相對(duì)高差257 m，一般地形切割深度120～150 m，隧道進(jìn)口段所在山體斜坡呈緩‘W’型，左右線進(jìn)口分別位于‘W’型底部，起伏較小，總體坡向約234°，坡角36°。邊坡變形破壞區(qū)域在軸向上總體為坡頂和坡身部位較平緩，坡腳較陡，寬120 m，長(zhǎng)約230 m，上覆松散層厚一般1～6 m，山上植被較發(fā)育。

1.2地層巖性

該研究區(qū)巖層屬泥盆系中統(tǒng)獨(dú)山組(D2d)，巖性以石英砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖或頁(yè)巖為主，表層覆蓋有殘坡積成因的碎石土。

殘坡積層為碎石土、粉質(zhì)粘土、含碎石粘土，含少量植物根系和強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖、泥灰?guī)r殘塊?；露逊e層為現(xiàn)在洞口已滑動(dòng)的部分，由塊石土、碎石土等組成。

強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖體極破碎，膠結(jié)程度較差，巖芯呈砂和碎石狀，夾粉砂質(zhì)泥巖或頁(yè)巖等軟弱夾層，屬較軟巖。

弱風(fēng)化石英砂巖、弱風(fēng)化砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖節(jié)理裂隙極發(fā)育-發(fā)育，巖體極破碎-破碎，裂隙面多被鐵錳質(zhì)渲染，同時(shí)夾有不等厚的軟弱夾層，軟弱夾層主要為薄層粉砂質(zhì)泥巖和頁(yè)巖。

該研究區(qū)地層結(jié)構(gòu)、構(gòu)造相對(duì)較簡(jiǎn)單，屬工程地質(zhì)條件簡(jiǎn)單場(chǎng)地。無(wú)不良地質(zhì)體和斷層破碎帶，屬抗震有利場(chǎng)地。

1.3氣候及水文地質(zhì)條件

1.3.1氣候、氣象

都勻市境屬亞熱帶東南季風(fēng)氣候區(qū)，溫和濕潤(rùn)，四季不甚分明，冬無(wú)嚴(yán)寒，夏無(wú)酷暑，氣候隨地勢(shì)的高低略顯垂直變化，山地比河谷洼地氣溫偏低，雨水充沛。年均降水1 448.1 mm，多集中在4～8月，占全年的55%～60%；年均氣溫15.9℃。

1.3.2地表水

研究區(qū)內(nèi)地表水主要是大氣降水，地表水對(duì)邊坡的影響體現(xiàn)在地表水下滲增加了地表巖土體的含水量，增大了坡積物孔隙水壓力，降低了巖土體(特別是軟弱夾層)的抗剪強(qiáng)度，從而影響了邊坡的穩(wěn)定性，對(duì)擬建工程造成危害。

1.3.3地下水

本區(qū)內(nèi)地下水類(lèi)型主要為基巖裂隙水。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，含水巖組枯季地下徑流模數(shù)3.19～6.58 l/s·km2，為弱富水巖組。

本區(qū)內(nèi)地下水主要接受大氣降水的垂直入滲補(bǔ)給，其徑流主要受地形條件控制。邊坡下部山體陡峻，有利于地表水體的排泄，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，有利于地表水沿裂隙下滲[1]。

研究區(qū)屬非巖溶發(fā)育區(qū)，地表及深部巖溶現(xiàn)象不發(fā)育，水文地質(zhì)條件相對(duì)較為簡(jiǎn)單，水量一般較為貧乏，地下水不發(fā)育。

2　坡體變形原因及形成機(jī)制分析

該滑坡的形成主要受控于以下2方面：(1)不良的邊坡地質(zhì)條件；(2)暴雨條件下的觸發(fā)作用[2]。在該邊坡中有兩層破壞帶(面)。目前已破壞的是表層破壞面，在邊坡體前緣約30 m范圍內(nèi)破壞面主要為巖體裂隙面；邊坡體中部約30～90 m范圍內(nèi)破壞面主要為巖層間軟弱夾層(泥巖、砂質(zhì)泥巖、頁(yè)巖)；邊坡體上部約90～230 m范圍內(nèi)，破壞面為覆蓋層與巖層交界面。滑坡后緣為貫通的深層裂縫，傾角和巖層傾角基本一致。

在暴雨條件下，大氣降水垂直入滲到滑坡前緣的上覆松散層和巖體裂隙中，使得前緣坡體自重增大，抗滑力減小，下滑力增加。由該研究區(qū)的地形地貌知，邊坡的坡腳較陡，其臨空面一側(cè)在暴雨條件下發(fā)生蠕變變形，洞口近30 m范圍內(nèi)巖體裂隙面與層面貫通產(chǎn)生了垮塌，將隧道洞口掩埋；軟弱夾層(粉砂質(zhì)泥巖、頁(yè)巖)同節(jié)理裂隙面一樣，它的存在同樣也是造成邊坡滑塌的重要原因之一。在暴雨條件下，滑坡體中部的軟弱夾層對(duì)水及其敏感，在遇水情況下，軟弱夾層的飽和抗壓強(qiáng)度僅為干抗壓強(qiáng)度的二分之一甚至更低，抗剪強(qiáng)度力學(xué)指標(biāo)也會(huì)大大地降低，加上其力學(xué)強(qiáng)度和變形模量均較低，使得該層坡體的抗滑力大為減小，更加促進(jìn)了滑坡的產(chǎn)生。因此當(dāng)邊坡前緣坡體失去穩(wěn)定，發(fā)生坍塌后，邊坡中部的覆蓋土層與部分強(qiáng)風(fēng)化層沿強(qiáng)弱風(fēng)化基巖接觸面附近滑動(dòng)，并在邊坡中部出現(xiàn)了較寬的裂縫(圖1)。

圖1中部坡體的裂縫

邊坡后部90～230 m范圍內(nèi)由于前面坡體的牽引作用，覆蓋層沿基巖面滑動(dòng)。因此，該邊坡破壞形式為牽引式破壞。

該滑坡深層潛在破壞形式是內(nèi)沿軟弱夾層破壞，從巖層露頭、目前鉆孔揭露和物探揭露等情況來(lái)看，巖層在此處是沿左洞進(jìn)口同坡成順層，在巖層間離地表12 m深左右處含有軟弱夾層，坡體有可能沿該層大面積滑動(dòng)。

3　FLAC3D有限元技術(shù)模擬

對(duì)邊坡治理方案的定性與定量評(píng)判是邊坡治理決策的關(guān)鍵之一[3-7]，綜合考慮滑坡體的地質(zhì)環(huán)境條件和工期等因素,對(duì)滑坡體應(yīng)采用以抗滑為主、治水與抗滑相結(jié)合的治理措施[8]。本文采用鋼管樁、抗滑樁及截水溝等措施對(duì)滑坡進(jìn)行支護(hù)。

采用剛體極限平衡法無(wú)法得到斜坡體內(nèi)部的變形機(jī)制及變形量，本文將利用FLAC3D編程對(duì)斜坡的變形破壞機(jī)制進(jìn)行數(shù)值模擬，這能夠幫助分析和檢驗(yàn)治理前后斜坡內(nèi)部變形的特征及其變形量。

3.1計(jì)算模型和材料參數(shù)

利用部分詳勘階段的鉆孔資料，將邊坡共分成3個(gè)工程地質(zhì)剖面，本文選取邊坡中部剖面2-2′剖面為研究對(duì)象(圖2)，利用FLAC3D有限差分軟件，建立邊坡地質(zhì)力學(xué)模型，并對(duì)巖土體分組(圖3)[9],剖分網(wǎng)絡(luò)包含10 582個(gè)節(jié)點(diǎn)、9 030個(gè)單元，計(jì)算中對(duì)模型左邊進(jìn)行水平方向約束，對(duì)底部進(jìn)行全約束。參照2-2′剖面，將該邊坡巖土體擬分為4組：表層碎石土，基巖(石英砂巖)，鋼管樁和抗滑樁，軟弱夾層作為一個(gè)接觸面處理，人工材料如抗滑樁、鋼管樁為彈性模型。

隧道發(fā)生崩塌之前的4月，由于連續(xù)降雨，使得大量雨水直接滲入到邊坡體中，暴雨是該邊坡破壞變形的誘發(fā)因素，因此本文選取治理前后暴雨工況下，對(duì)滑坡體采用流-固耦合方式進(jìn)行計(jì)算。

首先由彈性模型計(jì)算得到治理前斜坡的初始地應(yīng)力，本階段抗滑樁和鋼管樁選取原始狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的巖土體參數(shù)。

利用含初始地應(yīng)力的模型，將本構(gòu)模型設(shè)置為Mohr-Coulomb，同時(shí)對(duì)斜坡左側(cè)施加水頭，由流-固耦合計(jì)算得到治理前斜坡的變形。

再次利用含初始地應(yīng)力的模型，將抗滑樁和鋼管樁對(duì)應(yīng)的單元設(shè)置為彈性模型，同時(shí)改變相應(yīng)參數(shù)[11]；將碎石土和基巖設(shè)置為Mohr-Coulomb，同樣對(duì)斜坡左側(cè)施加水頭，由流-固耦合計(jì)算得到治理后斜坡的變形特征。計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　巖土體數(shù)值模擬物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)

注：標(biāo)注*的材料采用彈性模型，其余采用Mohr-Coulomb模型。

圖2　2-2′剖面工程地質(zhì)剖面圖

圖3　數(shù)值模擬網(wǎng)格剖分及巖土分組

3.2計(jì)算結(jié)果分析

由上述計(jì)算過(guò)程得到斜坡治理前后位移等值線圖(圖4、圖5).

圖4　治理前暴雨工況位移等值線圖

由圖4分析，治理前暴雨工況下最大位移為91.6 cm，位于斜坡中下部，該部位臨空面坡度較大，形成了一個(gè)次級(jí)變形體。由圖4看出，其位移等值線呈現(xiàn)出由下部向上部發(fā)散，表現(xiàn)出牽引式滑坡的特征，在本工況下因發(fā)生嚴(yán)重變形而失穩(wěn)，對(duì)下方的公路隧道口直接造成威脅。斜坡上部雖然也形成了一個(gè)不穩(wěn)定部位，最大位移71.2 cm，但斜坡中部臨空面坡度較緩，在一定程度上不會(huì)對(duì)斜坡下方的公路隧道口造成直接威脅。據(jù)以上分析，該工況下斜坡中部一個(gè)次級(jí)變形體的失穩(wěn)將對(duì)其下部的公路隧道口造成威脅。這與治理前暴雨過(guò)后的隧道洞口上方邊坡坍塌，將其掩埋的實(shí)際情況吻合。

由圖5分析，按照設(shè)計(jì)要求在斜坡中部施加了兩排鋼管樁和一排抗滑樁后，斜坡中下部最大變形量不到20 cm，注意到臨空面坡度較大的一段恰位于鋼管樁和擋土墻之間，同時(shí)根據(jù)治理前該段斜坡失穩(wěn)的機(jī)制為牽引式滑坡的結(jié)論，抗滑樁布置的位置恰為該失穩(wěn)斜坡的前部，這極大的加強(qiáng)了不穩(wěn)定坡體前部抗滑力，所施加的鋼管樁、抗滑樁等支護(hù)結(jié)構(gòu)很好的遏制了變形的蔓延，對(duì)下方的公路隧道口起到了很好的保護(hù)作用。斜坡上方雖然還是形成了一個(gè)不穩(wěn)定坡體，最大變形量55.7 cm，但由于斜坡中部臨空面坡度較緩，同時(shí)中部的支護(hù)結(jié)構(gòu)也在一定程度上遏制了上部變形體的發(fā)展，不會(huì)對(duì)下部的公路隧道口造成威脅。

圖5治理后暴雨工況位移等值線圖

4　結(jié)論

基于FLAC3D的抗滑樁輔助設(shè)計(jì)方法，比之以前的基于剛體極限平衡理論的方法有很多優(yōu)越之處。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①計(jì)算理論要比傳統(tǒng)方法先進(jìn)；②計(jì)算的維數(shù)更高；③樁位的選擇更加合理；④計(jì)算樁體受力更準(zhǔn)確。本文運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬方法對(duì)貴勻高速公路百鳥(niǎo)坡隧道左線進(jìn)口邊坡暴雨工況下，治理前后的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得出下列結(jié)論：

(1) 通過(guò)分析貴勻高速公路百鳥(niǎo)坡隧道左線進(jìn)口邊坡的工程地質(zhì)條件及其變形特征，得到如下結(jié)論：該邊坡破壞機(jī)制為牽引式破壞，邊坡前緣由于松散堆積物及巖體裂隙面的存在，在暴雨情況下，產(chǎn)生崩塌，將前緣隧道口掩埋；邊坡中部由于軟弱夾層的存在，土層力學(xué)性質(zhì)差，使得覆蓋土層與部分強(qiáng)風(fēng)化層沿強(qiáng)弱風(fēng)化基巖接觸面附近滑動(dòng)，邊坡后部則由于坡體前部的牽引作用，上部覆蓋層與巖層交界面產(chǎn)生滑動(dòng)。

(2) FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果證實(shí)了上一分析，并驗(yàn)證了暴雨工況下治理后的邊坡變形量滿足工程需要，對(duì)公路隧道口不造成威脅。

(3) 隧道洞口存在地質(zhì)災(zāi)害的情況目前普遍存在，建議勘探、設(shè)計(jì)單位今后在勘探和線路設(shè)計(jì)方案的比選中重視地質(zhì)危害，盡可能將洞口設(shè)置在地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單、匯水面積較小、不易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的地段[10]。

[1]黃潤(rùn)秋，趙建軍，巨能攀,等.湯屯高速公路順層巖質(zhì)邊坡變形機(jī)制分析及治理對(duì)策研究[J]，巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26(2)：239-246.

[2]趙瑜，王鐵成，李維朝,等.高速公路滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及其治理模擬[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27(11)：2340-2346.

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[10]張偉，焦玉勇，郭小紅.隧道洞口滑坡穩(wěn)定性分析與防治措施[J],巖土力學(xué)，2008.29(增刊1)：311-314.

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STABILITY ANALYSIS AND TREATMENT SIMULATION OF LEFT IMPORT SLOPE OF BAINIAOPO TUNNEL IN GUIYANG-DUYUN HIGHWAY

TANG Yong

(Guangxi construction group Infrastructure co., LTD, Nanning Guangxi530001,China)

Based on the engineering geological exploration and site investigation, detailed analyze the engineering geological conditions and deformation characteristics of the left import slope of bainiaopo tunnel in Guiyang-Duyun Highway. In this paper, the author concludes that the cover soil and portal strong weathering layer of the slope mass slides along the interlayer between strong and weak weathering layer under condition of rainstorm, and it buries the left hole of tunnel. The deformation mechanism of the landslide is tractor-destruction. According to some regulations and experince, the slope’s mechanical parameters is confirmed.The geomechanical model is estabilshed by using FLAC3Dof FED technology to calculate the slope stability under condition of rainstorm. The results indicate that the slope isn’t stable and needs to be treatmented. Some measures such as anti-slide pile，steel pipe pile, earth-retaining wall,and so on,are designed to support the slope and then make sure the slope is stable which provides an effective guarantee for the successful performance of Guiyang-Duyun Highway.

slope stability; numerical simulation ；tunnel slope；control measures

1006-4362(2016)03-0081-05

2016-05-09改回日期：2016-06-24

TU457

A

唐勇(1988-)，男，壯族，廣西壯族自治區(qū)河池市人，助理工程師，就職于廣西建工集團(tuán)基礎(chǔ)建設(shè)有限公司，研究方向?yàn)閹r土工程。E-mail:1372271585@qq.com