秦安隧道王家墩滑坡穩(wěn)定性研究

羅海翔

摘要： 以寶蘭客專秦安隧道王家墩滑坡為例，從特殊的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造與地震、降雨與地下水等角度綜合分析了該滑坡的形成原因。采用三維有限差分軟件FLAC3D，對(duì)該滑坡模型做一較接近實(shí)際的概化，針對(duì)該滑坡工程的設(shè)計(jì)方案的甄選、開挖施工以及滑坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)工作，通過建立數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行該滑坡穩(wěn)定性的研究。

Abstract： This paper analyzes the causes of Wangjiadun landslide of Qin'an Tunnel of Baolan Passenger Dedicated Line from the perspective of special lithology， geological structure and earthquake， rainfall and groundwater， and so on. The three-dimensional finite difference software FLAC3D is used to make a general approximation to the landslide model. In order to solve the design scheme of the landslide project， excavation construction and landslide stability monitoring， the landslide stability is established to research the stability of the landslide.

關(guān)鍵詞： 隧道；滑坡；穩(wěn)定性；數(shù)值計(jì)算

Key words： tunnel；landslide；stability；numerical calculation

中圖分類號(hào)：P642.22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）11-0127-04

0 引言

隨著“一帶一路”戰(zhàn)略規(guī)劃的深入推進(jìn)，國(guó)內(nèi)中西部地區(qū)將逐步加大對(duì)高速鐵路的研究和建設(shè)，但由于地形地貌的限制，有些隧道工程必然無法避繞滑坡地段[1]。寶蘭客專秦安隧道長(zhǎng)4905.3m[2]，地處西北地區(qū)甘肅省天水地區(qū)，隧道洞身穿越王家墩滑坡體前緣堆積區(qū)，王家墩古滑坡體存在復(fù)活的可能性，尤其可能對(duì)后期的運(yùn)營(yíng)造成不可估量的負(fù)面影響。韓磊[3]依托寶蘭客專探討了在黃土地質(zhì)、淺埋的條件下修建大跨度隧道群施工的方法。呂磊[4]結(jié)合寶蘭客專黃土隧道臺(tái)階法施工實(shí)踐，分析了七步臺(tái)階開挖法施工過程中隧道圍巖與結(jié)構(gòu)的變形和受力特點(diǎn)，以及施工參數(shù)和相應(yīng)的輔助技術(shù)措施。但這些研究局限于寶蘭客專沿線隧道常規(guī)施工技術(shù)，對(duì)于穿越大型滑坡的長(zhǎng)大隧道的工程安全性研究較為匱乏。因此以寶蘭客專秦安隧道王家墩滑坡為例，分析該滑坡的形成原因，并采用三維有限差分軟件研究該滑坡的穩(wěn)定性，該項(xiàng)研究對(duì)于秦安隧道的建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 滑坡概況

王家墩滑坡位于天禮盆地低山丘陵區(qū)西北部、秦安縣城北側(cè)葫蘆河西岸[2，5]。葫蘆河在秦安縣城形成秦安小盆地，盆地北側(cè)邊緣即為山坡高陡的王家墩滑坡地段。該沖溝發(fā)育的地段地面高程在1210m到1710m之間，相對(duì)高差在200m到500m之間，坡體自西側(cè)山頂附近呈條狀發(fā)育，寬約1.8km，長(zhǎng)2.7km，厚度在60m到90m之間，滑體前端以10°到20°之間的自然坡度將一級(jí)階地覆蓋，滑體上已進(jìn)行了以栽植果樹為主的耕地改造。結(jié)合地形特點(diǎn)以及秦安站位、客運(yùn)專線的建設(shè)要求來看，隧道工程中必然要面對(duì)王家墩滑坡（圖1）問題。

2 王家墩滑坡形成原因

2.1 特殊的地層結(jié)構(gòu)

客專沿線地層分布受地質(zhì)構(gòu)造單元控制，秦安附近新生代地層極其發(fā)育，第三、第四系廣布于地表（圖2）。王家墩滑坡周圍的地層構(gòu)造：以黏質(zhì)黃土和砂質(zhì)黃土為主、垂直節(jié)理發(fā)育、具有良好透水性和較強(qiáng)濕陷性的第四系松散沉積層；被嚴(yán)重風(fēng)化但具有良好隔水性、長(zhǎng)期受剝蝕而不平整第三系泥巖；以及華力西期花崗巖等。滑動(dòng)面多見于泥巖風(fēng)化構(gòu)造中或黃土與泥巖界面。王家墩滑坡滑帶主要分布在第三系泥巖構(gòu)造帶，滑體前端在一、二級(jí)階地形成堆積體（見圖3）。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造與地震

本文將針對(duì)祁呂弧形褶皺帶與隴西系旋卷構(gòu)造的復(fù)合地段、近東西→北西向發(fā)育的構(gòu)造線展開研究[6]。按照國(guó)家地震局的劃分標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)度和頻度較高的天水—秦安地震帶系青藏高原東北部地震區(qū)的天水—蘭州地震帶。該地段以斷裂、褶皺構(gòu)造為主（晚第四紀(jì)以來斷裂活動(dòng)比較活躍），該地段曾經(jīng)發(fā)生過8.2 級(jí)地震，這是史料記載的震級(jí)最大的地震活動(dòng)。

分布在天（水）禮（縣） 盆地北段的王家墩滑坡 構(gòu)造較為發(fā)育。從晚第三紀(jì)開始，該滑坡段 地質(zhì)活動(dòng)十分活躍，新構(gòu)造不斷產(chǎn)生，集中體現(xiàn)在頻繁的地震活動(dòng)、河谷兩岸高階地發(fā)育、現(xiàn)代河流侵蝕以及顯著的下切運(yùn)動(dòng)上。黃土和第三系泥巖界面在頻發(fā)的地質(zhì)活動(dòng)中逐漸變得不平整，呈斜坡發(fā)育，構(gòu)造極不穩(wěn)定。從地貌上看，該段黃土梁峁在侵蝕切割的活動(dòng)中逐漸呈陡坡深溝發(fā)育，山體的平衡性較差，滑坡時(shí)有發(fā)生。

2.3 地下水及集中降雨

葫蘆河是該滑坡地的最大河流，它屬于黃河水系中渭河的一級(jí)支流，水流常年不斷，近些年的史料中有斷流的記載。該地段地下水主要是松散層孔隙潛水以及碎屑巖類孔隙裂隙水兩種。

該區(qū)域滑坡后緣 分布有下降泉的地表泉水點(diǎn)，水量常年在0.5～1m3/d之間，是當(dāng)?shù)氐娘嬘盟乃袋c(diǎn)。滑體前緣有呈扇形的連續(xù)分布的構(gòu)造，出露高程在1250m到1320m，地表有8個(gè)水量為0.5～2m3/d、可形成積水、主要用來澆灌農(nóng)田的積水點(diǎn)（見圖4）。據(jù)鉆探資料記載，鉆孔中的水主要是呈片狀分布不連續(xù)的點(diǎn)，受強(qiáng)降雨影響，淺表黃土有可能出現(xiàn)指向沖溝的局部滑動(dòng)。根據(jù)氣象數(shù)據(jù)來看，秦安縣每年的降雨量平均值為448. 8 mm，最大降雨量達(dá)到了713. 1 mm，一次最大94. 1 mm，持續(xù)17 d。但是從《天水市志》中也有“秦州大雨傾盆，山水泛濫，沖入城內(nèi)，淹沒農(nóng)舍”的氣象記錄[7]。

3 滑坡體的建模與參數(shù)分析

3.1 滑坡體三維模型的構(gòu)建

從上述地質(zhì)、氣象分析來看，王家墩滑坡體積大，并且分布在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的區(qū)域，故本文特選取滑坡體典型工程地質(zhì)剖面圖來構(gòu)造簡(jiǎn)化三維計(jì)算模型，利用該模型進(jìn)行深入分析。簡(jiǎn)化三維計(jì)算模型X（剖面垂直方向）方向-2921.59m，Y（線路軸線方向）方向-10m，Z（豎向）方向-526.25m。

各巖層材料均采用莫爾-庫侖彈塑性計(jì)算模型，結(jié)合該滑坡工程地質(zhì)勘察資料和以往同類型工程的地勘經(jīng)驗(yàn)最終確定表1所示各地層基本巖體力學(xué)參數(shù)。

3.2 建模計(jì)算結(jié)果

一直以來，滑坡穩(wěn)定性分析作為滑坡治理的前提和依據(jù)，在巖土工程領(lǐng)域始終是熱門研究課題[8]。鑒于安全系數(shù)的原理及物理意義簡(jiǎn)單清晰，工程界常常用這種原理進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)的評(píng)估。在數(shù)值運(yùn)算環(huán)節(jié)，滑坡不穩(wěn)定和數(shù)值計(jì)算不收斂的情況有可能同步出現(xiàn)，假設(shè)通過數(shù)值計(jì)算不收斂進(jìn)行邊坡不穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，則天然狀態(tài)下的滑坡體的穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)當(dāng)是1.15；若通過運(yùn)算得到的穩(wěn)定系數(shù)達(dá)不到1.0，則將該滑坡歸為“不穩(wěn)定滑坡”，若穩(wěn)定系數(shù)為1.0～1.25，則無法對(duì)滑坡不穩(wěn)定性進(jìn)行定性，因?yàn)榧词故峭换聨?，巖土體分布也可能呈現(xiàn)多變性，而參與穩(wěn)定性運(yùn)算的參數(shù)的獲取方法及取值必然與實(shí)際狀況有差距， 即便取值與實(shí)際狀況相符，區(qū)區(qū)幾個(gè)參數(shù)也不能以偏概全，概括實(shí)際巖土體的力學(xué)結(jié)構(gòu)。拿節(jié)理的賦存情況來說，即便其優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面已有統(tǒng)計(jì)，但現(xiàn)實(shí)中結(jié)構(gòu)面的賦存情況往往會(huì)出現(xiàn)明顯的變化，這樣一來，結(jié)構(gòu)面對(duì)滑坡的影響 也僅僅是一個(gè)統(tǒng)計(jì)資料，因此，應(yīng)該結(jié)合統(tǒng)計(jì)資料和工程經(jīng)驗(yàn)來綜合析和評(píng)價(jià)滑坡穩(wěn)定性。

3.3 參數(shù)分析

在下文中，筆者將結(jié)合滑坡的位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、塑性區(qū)分布特點(diǎn)等多個(gè)維度來進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性的分析和評(píng)價(jià)。

3.3.1 位移場(chǎng)規(guī)律分析

在自重應(yīng)力下達(dá)到平衡后滑體開始發(fā)生形變，下圖分別是滑坡的整體方向以及Y、Z方向的位移云圖。X方向?yàn)榛麦w最主要的滑動(dòng)方向，其次是Z方向（垂向）位移，最小位移Y方向未列出。

由滑坡天然狀態(tài)位移云圖6（a）、6（b）可以看出，滑坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，局部出現(xiàn)較大變形。滑坡體后緣凸起部分淺層位移最大為0.275～0.29m，在外界因素影響下易發(fā)生滑移、崩塌；滑坡后緣位移由淺至深逐漸遞減。滑坡體前緣中上部的位移最大，最大位移為0.0225～0.0226m，滑坡體前緣位移分布均勻。綜上所述，在隧道開挖時(shí)，王家墩滑坡后緣凸起部分由于隧道施工的撓動(dòng)以及在其他不利狀態(tài)（地震、降雨入滲等）下，坡體出現(xiàn)滑動(dòng)位移的可能性較大。

如圖7所示，天然狀態(tài)下滑坡滑體的頂部是X方向最大位移區(qū)域，最大滑移位移為0.225 ～0.247 m。最大位移區(qū)域的下邊界是滑體的主要分布區(qū)，形成滑動(dòng)剪出口的可能性很大，主要沿該方向產(chǎn)生向前的滑動(dòng)位移。如圖8所示，天然狀態(tài)下滑坡滑體后緣下部是Z方向最大位移區(qū)域，最大沉降位移在0.2m到0.218m之間。由此可見，王家墩滑坡不穩(wěn)定區(qū)域主要分布在后緣凸起部分，這個(gè)地段是滑動(dòng)破壞比較嚴(yán)重的地段。

從上文的分析來看，該滑坡坡體后段穩(wěn)定性較差，是最大位移的集中分布區(qū)。而據(jù)大型堆積體滑坡分析經(jīng)驗(yàn)來看，坡體在發(fā)生滑動(dòng)位移的過程中，主動(dòng)下滑的區(qū)域主要集中在滑坡后段較陡的滑動(dòng)面，該區(qū)域的主動(dòng)下滑后，坡度緩的前段坡體會(huì)被動(dòng)地隨之下滑。如果要治理這類滑坡，須利用抗滑段的抗滑力與抗滑結(jié)構(gòu)聯(lián)合作用，共同阻止下滑段下滑。

3.3.2 應(yīng)力場(chǎng)規(guī)律分析

滑坡體的應(yīng)力分布及巖土的強(qiáng)度特征等是造成滑坡滑動(dòng)和位移的主要因素[9]。而滑坡體的應(yīng)力分布又受多種因索的影響，巖體中的初始應(yīng)力狀態(tài)、坡形、坡高、巖土體特性和結(jié)構(gòu)特征，都對(duì)滑坡和位移具有影響作用，其中作用比較明顯的是初始應(yīng)力狀態(tài)。通常情況下，在滑坡未形成之前坡體只存在自重應(yīng)力時(shí)，巖土體中的主應(yīng)力（初始應(yīng)力）主要呈鉛直與水平狀態(tài)，鉛直應(yīng)力是最大主應(yīng)力，水平應(yīng)力是最小主應(yīng)力。在這種狀態(tài)下，巖土體中的最大剪應(yīng)力與最大、最小主應(yīng)力基本呈45°交角。滑坡在發(fā)育成形階段會(huì)產(chǎn)生一個(gè)側(cè)向臨空面，使坡面周圍的巖土體逐漸卸荷回彈，進(jìn)而使巖體出現(xiàn)應(yīng)力重分布和應(yīng)力分異、應(yīng)力集中等現(xiàn)象。

圖9為第一主應(yīng)力云圖，圖10為第三主應(yīng)力云圖。在這兩幅云圖中，滑坡基本呈現(xiàn)壓應(yīng)力狀態(tài)，且為應(yīng)力漸變狀態(tài)，從上到下大致是隨著深度變化均勻增加，尚未產(chǎn)生拉應(yīng)力效應(yīng)。

3.3.3 塑性區(qū)及剪切應(yīng)變?cè)隽糠治?/p>

塑性區(qū)分布面積的大小以及貫通情況可以判斷滑坡的穩(wěn)定性[10]。塑性區(qū)分布面積越大，說明滑體處于塑性屈服的區(qū)域越大。塑性區(qū)的貫通情況說明滑體滑動(dòng)破壞面的分布情況和發(fā)展趨勢(shì)。塑性區(qū)一旦貫通，整個(gè)滑動(dòng)面就基本形成并將沿貫通面發(fā)生滑動(dòng)的趨勢(shì)。因此判斷滑坡體的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，亦可根據(jù)滑坡體塑性區(qū)圖來判斷。

滑體中部與基巖接觸面、滑坡前緣大部及滑體后緣部分范圍內(nèi)出現(xiàn)剪切破壞塑性區(qū)，但滑坡后緣與其接觸面塑性區(qū)沒有貫通，塑性區(qū)后緣局部小范圍出現(xiàn)零星張拉破壞[11]。天然狀況下滑體大部分土體處于剪切破壞狀態(tài)（圖11（a）），說明滑坡穩(wěn)定性狀況不佳，尤其是滑坡后緣頂部區(qū)域（圖11（b））。也可以直觀觀察到，shear-n所顯示橙色區(qū)域的底部曲線即最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的可能位置。需要強(qiáng)調(diào)的是，計(jì)算結(jié)果顯示的是以Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則為依據(jù)的塑性區(qū)分布情況，該屈服準(zhǔn)則認(rèn)為材料進(jìn)入屈服即破壞，事實(shí)上土體材料進(jìn)入屈服并不意味著破壞，它在一定程度上還可以在硬化狀態(tài)下繼續(xù)工作，因而滑坡實(shí)際的穩(wěn)定性狀態(tài)要比計(jì)算結(jié)果顯示的要好一些。但需要說明的是，邊坡破壞選用塑性區(qū)的范圍及其貫通情況作為標(biāo)準(zhǔn)受其它因素的影響很大，塑性貫通是發(fā)生破壞的必要條件，不是充分條件。

從圖12（a）天然狀態(tài)下滑坡位移矢量圖可以看出，王家墩滑坡從整體上來說是穩(wěn)定，但局部地區(qū)坡體不穩(wěn)定，易發(fā)生滑動(dòng)破壞。滑坡頂部位移矢量與坡面幾乎平行，表現(xiàn)為“剪切”。在區(qū)域性強(qiáng)震、暴雨條件下，滑坡體頂部“剪切”區(qū)域極有可能發(fā)生局部坍塌進(jìn)而誘發(fā)滑坡災(zāi)害發(fā)生。從圖12（b）天然狀態(tài)下滑坡位移矢量圖可以看出，滑坡下緣位移矢量較小，處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

4 小結(jié)

王家墩滑坡為一巨型切層古滑坡，滑坡發(fā)育范圍大，次生滑坡發(fā)育，寶蘭客專線路無法完全繞避，本文以秦安隧道王家墩滑坡為例，從特殊的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造與地震、降雨與地下水等角度綜合分析了該滑坡的形成原因。并采用三維有限差分軟件FLAC3D，對(duì)該滑坡模型做一較接近實(shí)際的概化，通過建立數(shù)值計(jì)算模型，研究了該滑坡的穩(wěn)定性。

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