萬梁高速某滑坡降雨入滲穩(wěn)定性及處治技術研究*

崔光耀，左奎現(xiàn)，張軍徽，荊鴻飛

(1.北方工業(yè)大學 土木工程學院，北京 100144；2.中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

萬梁高速某滑坡降雨入滲穩(wěn)定性及處治技術研究*

崔光耀1，左奎現(xiàn)1，張軍徽1，荊鴻飛2

(1.北方工業(yè)大學 土木工程學院，北京 100144；2.中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

依托萬梁高速某滑坡，利用有限差分數(shù)值模擬技術對其降雨時的穩(wěn)定性及處治技術進行了研究。結果表明：當淺層滑體部分飽和時，淺層滑體的穩(wěn)定性較好，不會沿滑面整體失滑；當淺層滑體飽和時，淺層滑體會產(chǎn)生變形滑移，最終全部失滑，而中層滑體不會發(fā)生變形滑移；當淺、中層滑體均飽和時，淺層滑體全部失滑，中層滑體僅產(chǎn)生較大位移，不會發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象；在設置支檔結構后，淺層滑體和中層滑體在飽和靜水壓力下的穩(wěn)定性均可以得到保障；淺層滑體始終在失穩(wěn)滑移過程中占據(jù)主導地位；持續(xù)的降雨會使滑體中形成飽和靜水壓力，導致滑面巖土參數(shù)被弱化。研究成果可為類似滑坡的穩(wěn)定性及處治技術的研究提供借鑒。

滑坡；降雨；穩(wěn)定性；處治技術

降雨是造成滑坡失穩(wěn)的一個重要影響因素，不同程度的降雨對滑坡的影響大小各有不同[1]。近年來，降雨造成滑坡失穩(wěn)的現(xiàn)象頻繁發(fā)生，給人民生命財產(chǎn)帶來巨大的損失。因此，有必要對滑坡的穩(wěn)定性及處治技術進行研究。目前，國內外有關專家、學者對滑坡體的穩(wěn)定性及處治措施進行了一些研究，主要有：滑坡災害的成因機制、破壞特征以及力學特性研究[2-5]；降雨條件下滑坡體的穩(wěn)定性分析[6-9]；滑坡防治中的關鍵技術及其處理方法的研究[10]。因此，為了更加深入地了解滑坡的穩(wěn)定性及處治技術，本文依托萬梁高速某滑坡，利用有限差分數(shù)值模擬技術對其降雨入滲時的穩(wěn)定性及處治技術進行研究，為類似滑坡的穩(wěn)定性及處治技術的研究提供借鑒。

1 萬梁高速某滑坡穩(wěn)定性

1.1 工程概況

萬梁高速某滑坡位于重慶萬州區(qū)分水鎮(zhèn)和梁平縣曲水鄉(xiāng)境內，滑坡體縱向長度約1 km，平行路線最大寬度達320 m?；聟^(qū)處在構造剝蝕性低山～深丘地貌單元之中，后緣為北東方向的砂巖陡壁，自該陡壁以下山坡坡度變緩為20°～30°。滑坡體及其周圍分布的地層巖性主要有：三疊系上統(tǒng)須家河組(T3xj)砂巖、頁巖，侏羅系下統(tǒng)珍珠沖組(J1z)砂巖、頁巖互層，侏羅系中統(tǒng)(J2X)頁巖、泥巖夾砂巖；侏羅系中統(tǒng)(J2XS)泥巖夾砂巖，塊碎石土夾砂質粘性土(Q4)?；旧峡砂吹孛蔡卣鲃澐譃槿壌蟮幕麦w，即后級滑坡、中級滑坡、前級滑坡。

1.2 研究情況

1.2.1 地質模型

由地質調查資料，選取萬梁高速某滑坡的其中一個斷面為計算剖面，將計算剖面上的巖土材料概化為5類，分別為：①淺層滑體、②中層滑體、③深層滑體、④完整基巖、⑤古滑體。地質勘察表明其滑面明顯，故淺、中、深以及古滑帶均采用接觸單元模擬，故不作為單獨的巖體考慮。萬梁高速某滑坡地質概化模型如圖1所示。

圖1 萬梁高速某滑坡地質概化模型

1.2.2 計算模型

計算模型水平距離為400 m、豎向距離為161 m、縱向寬為6 m。左邊界除受x方向的水平位移約束外還受三角形分布的自重側壓力作用；底邊界受垂直位移約束，右側邊界受x方向的水平位移約束，兩側邊界受y方向的水平位移約束。萬梁高速某滑坡為堆積層滑坡，計算坡體材料模型選用Mohr-Coulomb模型?；娌捎媒佑|面單元模擬，計算模型如圖2所示。

圖2 離散后的計算模型(前視)

1.2.3 計算參數(shù)

巖體參數(shù)如表1所示。采用接觸面單元模擬滑面，參數(shù)如表2所示。

表1 計算巖體參數(shù)

1.2.4 計算工況

開挖圖1中的①-1、①-2、①-3后，研究降雨對滑體的穩(wěn)定性影響，計算工況如表3所示。

1.3 計算結果分析

1.3.1 降雨使淺層滑體部分飽和(工況1)

提取位移、最大主應力、塑性區(qū)的計算結果如圖3所示。由圖3可知，豎向滑面處的水平位移值最大，最大值為12.47 mm，位移等值線的變化趨勢整體呈弧形由上至下逐漸減弱；水壓力的作用導致滑體坡面在豎向滑面出露處出現(xiàn)小范圍最大主應力的拉應力區(qū)，其最大拉應力值達22.67 kPa；本次工況下的塑性區(qū)集中在滑體的前后兩部分。

表2 計算滑面參數(shù)

表3 計算工況

圖3 工況1的計算結果

綜上可知，滑坡體在雨水作用下的整體變形兼具牽引式和推動式的復合性質；淺層滑體在部分飽和水的條件下穩(wěn)定性較好，不會沿滑面整體失滑，僅在滑體前緣形成剪切破壞區(qū)，牽引滑體變形，在滑體后緣形成拉張塑性區(qū)，推動滑體變形。

1.3.2 降雨使淺層滑體飽和(工況2)

圖4 工況2的計算結果

提取位移、最大主應力、塑性區(qū)的計算結果如圖4所示。由圖4可知，受到滑面形狀的限制，滑坡體首先從滑體后部失穩(wěn)下滑，推動前部滑體向前失穩(wěn)滑移；整個滑體除后上部位移值相對較小，處于牽引滑移段外，且滑坡體已經(jīng)處于整體滑移階段，最大位移已達5.32 m；經(jīng)過上述階段的滑坡變形，滑坡體最終失穩(wěn)滑移時，中層滑體的位移變化較?。黄麦w最大主應力仍在豎向滑帶的出露位置，淺層滑體有局部范圍的拉應力區(qū)，最大拉應力達26.67 kPa，除此之外，其余部位基本沒有拉應力存在；整個淺層滑體均發(fā)展成為塑性破壞區(qū)，而中層滑體沒有發(fā)生塑性破壞。

綜上可知，當降雨在淺層滑體中形成飽和的靜水壓力時，滑面巖體強度遇水弱化，最終全部失穩(wěn)滑移。因此在工程開挖形成即有坡面以后，雨水是滑坡穩(wěn)定性降低的首要影響因素，在滑坡治理工程措施中，必須考慮排水措施。

1.3.3 降雨使淺、中層滑體飽和(工況3)

提取位移、最大主應力、塑性區(qū)的計算結果如圖5所示。由圖5可知，淺層滑體的在失穩(wěn)滑移工程中占據(jù)了主導地位，最終全部失穩(wěn)滑移，中層滑體其前端在淺層滑體的推動和雨水的聯(lián)合作用下，位移較為明顯，其最大位移值與淺層滑體前端位移值相差無幾，除此之外，其余部位位移值均在0.086 m以下，在淺層滑體后部的中層滑體位移表現(xiàn)出上部大、下部小的特征；在中層滑體后部的坡面部位，有局部淺表部位為拉應力區(qū)，較為明顯的拉應力區(qū)仍位于淺層滑體后緣豎向滑帶附近，最大拉應力為31.25 kPa，其余部位則無拉應力存在；盡管中層滑體在雨水作用下的位移遠沒有淺層滑體明顯，但因其巖土體力學性質較低，在飽和地下水作用下，經(jīng)過一段時期的變形演變，全部滑體均發(fā)展成為塑性區(qū)。

圖5 工況3的計算結果

綜上可知，當降雨在淺層滑體和中層滑體中形成飽和的靜水壓力，淺層滑面巖土參數(shù)被弱化以后，淺層滑體將變形滑移，最終全部失滑，除中層滑體除前部穩(wěn)定性較差外，其余部位相對變形不大。即雨水是滑坡穩(wěn)定性降低的首要影響因素，在滑坡治理工程措施中，除有提高滑體整體穩(wěn)定性的措施外，必須考慮排水措施。

2 萬梁高速某滑坡處治技術

2.1 處治技術

淺、中層滑體在飽和靜水壓力作用下會全部發(fā)展成為塑性區(qū)，失穩(wěn)現(xiàn)象嚴重。因此，針對淺、中層滑體均飽和的情況，計算中設置支擋結構，即坡體上設置了1個抗滑樁及4束預應力錨索，1品框架及6束預應力框架錨索。

支擋結構的相關參數(shù)：樁截面為1.8 m×2.4 m，樁長18 m，E=3×104MPa、μ=0.25。豎梁和橫梁的截面尺寸均為0.6 m×0.6 m、E=3×104MPa、μ=0.25。錨索E=2×105MPa、σt=1860 MPa、樁錨索預應力為1 000 kN、框架錨索預應力為800 kN。

2.2 計算工況

本節(jié)開挖范圍及滑體容重與1.2.4節(jié)相同，在開挖后設置支擋結構，研究支擋后降雨對滑坡的穩(wěn)定性影響，計算工況如表4所示。

表4 計算工況

2.3 計算結果分析

2.3.1 支擋后，降雨使淺層滑體部分飽和(工況4) 提取位移、最大主應力、塑性區(qū)的計算結果如圖6所示。

圖6 工況4的計算結果

由圖6可知，水平位移最大值為7.61 mm，位移等值線呈中間大，兩頭小的分布態(tài)勢。沒有支擋結構的條件下，滑坡體的最大位移為12.47 mm，加支擋結構后減小了4.86 mm；其次位移等值線的分布形式發(fā)生了很大的改變，工況1為中間小，兩端大，工況4則剛好相反。淺層滑體的后部靠近豎向滑面處仍有局部區(qū)域在最大主應力圖中表現(xiàn)為拉應力區(qū)，但其最大拉應力值略有減小，如在工況1中為22.67 kPa，本工況為21.02 kPa。樁前巖體沿樁分布大片的塑性區(qū)，特別是在滑體中(包括淺、中、深滑體)塑性區(qū)連續(xù)且區(qū)域較大，其性質表現(xiàn)為剪切塑性；淺層滑體的塑性區(qū)主要沿滑面分布，特別是在滑面轉折處，有較大的塑性區(qū)分布，表明滑面對滑體的變形滑移有限制性作用；與結構后部的較大位移積累相對應，結構后部的淺層滑體亦是塑性區(qū)，其流動性質亦是剪塑。

綜上可知，支擋結構較好的限制了滑坡體的位移發(fā)展，使工況1中前牽引、后推動的變形模式不再存在，降雨使淺層滑體部分飽和時，滑坡體的整體穩(wěn)定性可以得到有效保證，僅在結構后部有局部的位移積累。

2.3.2 支擋后，降雨使淺層滑體飽和(工況5)

圖7 工況5的計算結果

提取位移、最大主應力、塑性區(qū)的計算結果如圖7所示。由圖7可知，在飽和的靜水壓力作用下，淺層滑體的位移有較大增長，最大位移達0.136 m，位于滑體的中部，表明滑體在飽和靜水壓力的作用下呈加速失穩(wěn)趨勢，該部分滑體的整體位移基本一致，表明該部分滑體在飽和靜水壓力作用下，有沿坡面越過框架整體失滑的位移趨勢，乃是本工況下的最危險坡體部位；最大主應力等值線的拉應力區(qū)僅位于淺層滑面的豎向出口處，最大主應力等值線的分布規(guī)律仍然保持為連續(xù)的坡體應力特征，由此表明滑體整體仍然穩(wěn)定，淺層滑體內局部較為明顯的水平位移乃是靜水壓力影響下的坡體內部蠕動變形、應力調整所致，不會造成坡體失穩(wěn)滑移，塑性區(qū)分布在淺層滑體和抗滑樁附近的中、深滑體內，各滑體中的塑性區(qū)均是在滑面附近范圍大，沿樁身向上逐漸減小，滑面成為一個明顯的分界面，由此也表明滑面是弱面。

綜上可知，在支擋結構作用下，當淺層滑體因降雨而導致飽水時，滑坡體的整體穩(wěn)定性可以得到保證，但框架后部的滑體變形仍較大，必須加強排水措施。

2.3.3 支擋后，降雨使淺、中層滑體飽和(工況6)

由圖8可知，從位移發(fā)展變化的一開始，淺層滑體就占據(jù)了主導地位，淺層滑體的位移明顯大于其余坡體部位，最大淺層滑體位移為0.19 m，而中層滑體的最大位移為0.051 m，差值達0.14 m；在淺層滑面的后緣滑體以及中層滑體后部的坡面位置，有局部的拉應力區(qū)存在；在雨水作用下，淺層滑體和中層滑體經(jīng)過變形和應力調整，大部分滑體均經(jīng)歷了塑性流動，總體而言，沿滑面的各滑體下部產(chǎn)生的全部是剪切塑性流動，中層滑體后部坡面附近的滑體內產(chǎn)生的全部是拉張塑性流動，淺層滑體表面坡體后部主要是拉張塑性區(qū)，前部則是剪切塑性區(qū)。

圖8 工況6的計算結果

綜上可知，當降雨導致淺、中層滑體均飽和時，滑體將產(chǎn)生較大的位移和變形，穩(wěn)定性相對較差的仍然是淺層滑體，但設置支擋結構后，滑坡體的整體穩(wěn)定性可以得到保障。

3 結論

(1)當降雨使淺層滑體中產(chǎn)生部分飽和靜水壓力時，淺層滑體的穩(wěn)定性較好，不會沿滑面整體失滑，僅在滑體前緣形成剪切破壞區(qū)，牽引滑體變形。

(2)當降雨使淺層滑體中形成飽和靜水壓力時，淺層滑體將變形滑移，最終全部失滑；在支擋結構作用下，當淺層滑體因降雨而導致滑體飽和時，滑坡體的整體穩(wěn)定性可以得到保障。

(3)當降雨使淺、中層滑體中均形成飽和靜水壓力時，淺層滑體將變形滑移，最終全部失滑，中層滑體除前部穩(wěn)定性較差外，其余部位相對變形不大；在支擋結構作用下，淺、中層滑體均飽和時，滑體將產(chǎn)生較大的位移和變形，但滑坡體的整體穩(wěn)定性可以得到保障。

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Study on Stability and Treatment Technology of Rainfall Infiltration in a Landslide of Wangzhou-Liangping Highway

CUI Guangyao1, ZUO Kuixian1, ZHANG Junhui1and JING Hongfei2

(1.SchoolofCivilEngineering,NorthChinaUniversityofTechnology,Beijing100144，China;2.ChinaRailwayFifthSurveyandDesignInstituteGroup,Beijing102600,China)

Based on a landslide of Wangzhou-Liangping Highway, we study the stability and treatment technique of continuous rainfall by finite difference numerical simulation technique. It is shown that when the shallow slip body is partially saturated, the stability of the shallow slab is better and does not slip along the slippery surface, and when the shallow sliding body is saturated, the shallow sliding body produces deformation slip and finally all slip, and the middle layer does not occur deformation slip. When the shallow and middle slip is saturated, the shallow sliding bodies are all slippery, and the middle layer of the body only a large displacement and there will be no instability phenomenon. The shallow sliding body will slip under the effect of saturated hydrostatic pressure, and ultimately all slip, and the middle layer of the body only produce a large displacement, there will be no instability phenomenon. After setting the retaining structure, the stability of the shallow and middle sliding body can be guaranteed. Shallow slippers are always dominant in the process of unsteady slip. Continuous rainfall will form a saturated hydrostatic pressure in the body, resulting in weakening of the sliding geotechnical parameters. The research results can provide reference for the research of stability and treatment of landslide.

landslide; rainfall; stability; treatment technology

崔光耀，左奎現(xiàn)，張軍徽，等.萬梁高速某滑坡降雨入滲穩(wěn)定性及處治技術研究[J].災害學，2018，33(1)：117-121.[CUI Guangyao，ZUO Kuixian，ZHANG Junhui and JING Hongfei.Study on Stability and Treatment Technology of Rainfall Infiltration in a Landslide of Wangzhou-Liangping Highway [J].Journal of Catastrophology，2018，33(1)：117-121.

10.3969/j.issn.1000-811X.2018.01.021.]

2017-07-03

2017-08-29

國家自然科學基金(51408008、51478277)；四川省應用基礎研究計劃項目(2014JY0090、2015JY0166)； 四川省交通科技項目(2013A1-5)；北方工業(yè)大學科研創(chuàng)新團隊(XN018007)

崔光耀(1983-)，男，山東莒南人，博士，副教授，主要從事隧道與地下工程研究.E-mail：cyao456@163.com

X43;P642;Tu47

A

1000-811X(2018)01-0117-05

10.3969/j.issn.1000-811X.2018.01.021