秦望山隧道南口高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析及治理效果評(píng)價(jià)

郝社鋒，蔣 波，喻永祥，宋京雷，徐 昊，孫少銳

(1.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇 南京 210018；2.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100)

0 引言

滑坡作為一種常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅人類的生命財(cái)產(chǎn)安全，嚴(yán)重影響工程施工建設(shè)。邊坡穩(wěn)定性分析對(duì)于判別邊坡穩(wěn)定狀態(tài)、需要加固的程度和采用何種加固措施有著決定性的作用。邊坡穩(wěn)定性受巖土體力學(xué)性質(zhì)、復(fù)雜的地形條件以及多變的周邊環(huán)境等內(nèi)外部因素共同影響。

時(shí)下的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析方法分為兩類：一是建立在極限平衡理論上的傳統(tǒng)方法，如極限平衡法、滑移線法、極限分析法。這些方法的缺陷是未考慮巖土體內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，無(wú)法再現(xiàn)坡體逐步破壞的進(jìn)程，從而忽略了邊坡變形因素。二是數(shù)值分析方法，如有限單元法、有限差分法、離散單元法等數(shù)值模擬方法。曹偉等[1]對(duì)比兩種有限元方法分析邊坡穩(wěn)定的結(jié)果，得出強(qiáng)度折減法優(yōu)于重力比例加載法的結(jié)論。江衛(wèi)華等[2]驗(yàn)證了強(qiáng)度折減法在三維有限元邊坡穩(wěn)定性分析中具有較好的實(shí)用性及精度。周興濤等[3]提出了在PFC人工截?cái)噙吔缟辖ば晕者吔鐥l件方程的方法，研究了順層、逆層巖質(zhì)邊坡在地震荷載作用下的損傷演化規(guī)律。韓萬(wàn)東等[4]利用FLAC3D對(duì)鏵尖露天礦非工作幫邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬分析，揭示了邊坡的變形機(jī)理。李思瀅等[5]運(yùn)用模型試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算得出白鶴灘水電站典型巖質(zhì)邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)，認(rèn)為對(duì)于復(fù)雜巖質(zhì)高邊坡問(wèn)題，應(yīng)多種方法結(jié)合，多角度分析評(píng)價(jià)。楊金旺等[6]將升溫降強(qiáng)與傾斜超載相結(jié)合，提出地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)綜合法來(lái)研究順層巖質(zhì)高邊坡的穩(wěn)定性，推導(dǎo)了該方法下的安全系數(shù)表達(dá)式。王曉靜[7]提出針對(duì)高速公路巖質(zhì)邊坡，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)合蒙特卡洛數(shù)值模擬分析的研究方法，能夠預(yù)測(cè)邊坡變形的發(fā)展趨勢(shì)。種記鑫[8]對(duì)巖質(zhì)邊坡的錨固穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。曾勝等[9]等基于PFC2D模擬軟件，研究多裂隙巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性。曾召田等[10]利用PFC3D軟件模擬了巖質(zhì)邊坡的發(fā)展、演變、破壞過(guò)程。此外還有一些學(xué)者[11-12]對(duì)邊坡穩(wěn)定性做了大量的研究并取得一定的成果。

本文以江陰市海港大道秦望山隧道南出口高陡巖質(zhì)邊坡為對(duì)象，在勘察資料分析的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬方法，對(duì)邊坡治理前后變形破壞模式、應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)及穩(wěn)定性性狀況進(jìn)行研究，用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了所用加固措施對(duì)邊坡的穩(wěn)定性是有效的，為類似工程提供借鑒和經(jīng)驗(yàn)。

1 高陡巖質(zhì)邊坡工程地質(zhì)概況

秦望山隧道是海港大道經(jīng)秦望山路段貫通形成，受2016年汛期的連續(xù)強(qiáng)降雨影響，礦山整治區(qū)外圍東北側(cè)、秦望山隧道南出口上方山體出現(xiàn)橫向拉張裂縫，經(jīng)后期現(xiàn)場(chǎng)巡查及監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，裂縫仍在發(fā)生持續(xù)變形。該裂隙導(dǎo)致秦望山隧道南出口邊坡存在崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害隱患，嚴(yán)重威脅到海港大道來(lái)往車輛安全。 研究區(qū)邊坡呈楔形分布，前窄后寬，平均寬度約35 m，坡長(zhǎng)約88 m，平均厚度約10 m。坡體前緣及西側(cè)側(cè)壁為臨空陡坎，陡坎高差約10 m左右，坡向?yàn)?75°，坡度約70°，當(dāng)前陡坎坡面全部采用錨桿加固，錨桿長(zhǎng)約10 m，間距2.5 m(圖1)。

圖1 秦望山巖質(zhì)邊坡基本特征圖Fig.1 Basic characteristics of QinWangShan rocky slope

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查判定，該滑坡體滑動(dòng)面為石英砂巖層面，平均深度約10 m，滑坡體剪出口位于中部陡坎與下部緩坡的交界部位，標(biāo)高為+65～+95 m。從圖2邊坡典型地質(zhì)剖面圖中可以了解到，由于前期坡體中下部的礦山開(kāi)采活動(dòng)造成了約70°的臨空陡面，而該地層為石英砂巖夾薄層粉砂質(zhì)泥巖，整體產(chǎn)狀為165°∠35°并含有軟弱夾層及產(chǎn)狀為280°∠85°的節(jié)理，這些因素共同造成了順層巖質(zhì)滑坡的隱患，并在滑坡后緣出現(xiàn)一拉張裂縫，該裂縫長(zhǎng)度約20 m，寬度10～30 cm，標(biāo)高約+120 m，監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)該裂縫有緩慢變形跡象，處于蠕動(dòng)滑移狀態(tài)。

圖2 邊坡典型地質(zhì)剖面圖Fig.2 Typical geological sections of slope

2 高陡巖質(zhì)邊坡加固前后穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)

離散元法是基于離散介質(zhì)力學(xué)的數(shù)值模擬方法，該方法將土體視為離散顆粒材料集合，能夠從微觀角度較為真實(shí)地模擬出節(jié)理巖體中出現(xiàn)的非線性大變形力學(xué)特征。3DEC是一種以離散元法為基礎(chǔ)建立不連續(xù)模型的理想數(shù)值模擬軟件，本文采用3DEC數(shù)值模擬軟件建立三維地質(zhì)體模型，對(duì)邊坡加固前后的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析。

2.1 邊坡加固前穩(wěn)定性分析

2.1.1建立模型

圖3為秦望山地質(zhì)體計(jì)算模型，模型水平長(zhǎng)度(X向)190 m，水平寬度(Z向)130 m，豎向高度(Y向)170 m，其中的結(jié)構(gòu)影響主要考慮了兩組產(chǎn)狀分別為280°∠85°、一組產(chǎn)狀為342°∠50°的節(jié)理以及產(chǎn)狀為165°∠35°的結(jié)構(gòu)面，故在研究區(qū)域內(nèi)布置兩組節(jié)理，一組軟弱滑動(dòng)面，為簡(jiǎn)化計(jì)算把相同組節(jié)理簡(jiǎn)化為平行平面，在坡體周圍不易發(fā)生滑動(dòng)的區(qū)域不再布置節(jié)理。在滑坡體剪出口兩側(cè)以及坡體中上部設(shè)置了3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖3 邊坡計(jì)算模型Fig.3 Calculation model of slope

該模型選用Mohr-Couloub本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，用于計(jì)算的基本物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)地勘資料及室內(nèi)試驗(yàn)綜合確定，具體見(jiàn)表1、表2。由于邊坡近期沒(méi)有發(fā)生切坡等人類活動(dòng)，淺層地表的構(gòu)造應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到平衡，因此在計(jì)算時(shí)模型邊界的設(shè)置中只考慮自重應(yīng)力的作用。地震工況節(jié)理參數(shù)參考天然工況設(shè)置，采用擬靜力法，在水平方向設(shè)置加速度模擬地震影響。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass

表2 滑動(dòng)面不同工況物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of sliding surfaces under different conditions

2.1.2總位移分析

圖4為不同工況下邊坡總位移云圖。從左側(cè)圖中可以看出，因受兩組節(jié)理控制，滑坡剪出口位置巖體破碎較嚴(yán)重，相對(duì)位移較大；而從右側(cè)剖面圖可知，受342°∠50°節(jié)理組控制，滑坡體在約120 m處出現(xiàn)位移差，故此位置有可能出現(xiàn)裂縫。天然工況下滑坡體整體位移約為2～4 cm，在邊坡下部最大位移約為6.46 cm；暴雨工況下滑坡體整體位移約為7～8 cm，在滑邊坡下部最大位移約為14.31 cm；地震工況下整體位移約為4～6 cm，最大位移約為7.66 cm。

圖4 治理前不同工況總位移云圖Fig.4 Cloud map of total displacement before treatment

2.1.3監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移分析

圖5為不同工況各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的總位移曲線。在天然工況下，1、2、3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)總位移量分別為6.10 cm、5.48 cm和1.98 cm，可以明顯看出，滑移過(guò)程中下部位置與坡體上部巖體的位移量存在差距，1、3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)總位移差為4.1 cm。由此可知，天然工況下，巖體沿節(jié)理有一定程度的位移差，但沒(méi)有造成明顯開(kāi)裂；在暴雨工況下，1、2、3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)總位移量分別為10.7 cm、14.04 cm和3.98 cm，可知在暴雨工況下，2、3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)總位移差約為10 cm，巖體位移大量增加，巖體下部與坡體上部巖體有較大位移差，可能造成巖體沿節(jié)理面出現(xiàn)拉張裂縫；在地震工況下，1、2、3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)瞬時(shí)總位移量分別為6.76 cm、7.63 cm和3.06 cm，可知在地震工況下，2、3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)總位移差約為4.5 cm，巖體位移變化情況與天然工況相近，并沒(méi)有造成明顯開(kāi)裂。

圖5 不同工況各監(jiān)測(cè)點(diǎn)總位移曲線Fig.5 Total displacement curves of monitoring points under different working conditions

2.2 邊坡加固后穩(wěn)定性分析

2.2.1加固設(shè)計(jì)

上述計(jì)算結(jié)果表明該邊坡有明顯安全隱患，為防止邊坡整體順層滑動(dòng)破壞，采用錨固措施對(duì)坡面巖體進(jìn)行加固。錨索沿等高線布置，錨索長(zhǎng)度為24 m、20 m兩種。錨索錨固段長(zhǎng)度均設(shè)計(jì)為8 m，錨索傾角均為15°，錨孔直徑130 mm，錨索由7根φ15.2 mm鋼絞線組成。錨索水平向間距4.0 m，豎直向間距3.0 m，錨索注漿材料為水泥凈漿，漿體材料強(qiáng)度不應(yīng)低于40 mPa。錨索布置位置如圖6所示。

圖6 錨索位置圖Fig.6 Anchor arrangement

2.2.2總位移分析

如圖7所示，在3DEC所建原有模型基礎(chǔ)上加入錨索設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)治理后坡體的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析。圖8為治理后不同工況下邊坡總位移云圖，可以看出各個(gè)工況下的邊坡在經(jīng)過(guò)錨索加固后，坡體位移明顯減小。治理后，天然工況下坡體整體位移約為1～2 mm，在坡體下部最大位移約為2.5 mm；暴雨工況下坡體整體位移約為2～3 mm，在坡體下部最大位移約為3.1 mm；地震工況下整體位移約為1～2 cm，最大位移約為2.01 cm。

圖7 治理后邊坡模型Fig.7 Slope model after treatment

圖8 治理后不同工況下總位移云圖Fig.8 Cloud map of total displacement under different working conditions after treatment

2.2.3加固前后計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

綜上可知，不同工況下的坡體在加固前后都有向下滑動(dòng)的趨勢(shì)，但在錨索加固治理后，位移明顯減小，坡體穩(wěn)定性得到改善，其中天然工況下坡體整體位移減少了約2 mm，暴雨工況下坡體整體位移減少了約5 mm，地震工況下整體位移減少約3 mm。故由數(shù)值模擬得到的結(jié)果表明，采用錨固措施對(duì)坡面巖體進(jìn)行加固治理的方案是可行的。

3 邊坡加固檢測(cè)結(jié)果

為檢驗(yàn)治理效果，在2017年3月16日至2017年9月27日期間，根據(jù)治理區(qū)場(chǎng)地通視條件，采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)手段對(duì)治理后的坡體開(kāi)展監(jiān)測(cè)工作，主要包括滑坡體后緣裂縫變形監(jiān)測(cè)和錨索應(yīng)力監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)布置點(diǎn)見(jiàn)圖9紅點(diǎn)位置，其中MC1～3為錨索應(yīng)力計(jì)位置，LC1和LC2為裂縫計(jì)位置。

圖9 監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖Fig.9 Distribution of monitoring points

根據(jù)圖10裂縫計(jì)1、2位移變化可以看出，在按設(shè)計(jì)進(jìn)行加固之后，裂縫變化趨于減緩，但仍有小幅增加，裂縫計(jì)1所測(cè)位移在7月29日之后基本停在約1.8 mm上下波動(dòng)，不再出現(xiàn)明顯增大；而裂縫計(jì)2所測(cè)位移也在相似時(shí)間達(dá)到2 mm，此后變化幅度較小，可見(jiàn)，裂縫大小在前3個(gè)月的緩慢增長(zhǎng)之后，基本停止發(fā)生較大變化。

根據(jù)圖11預(yù)應(yīng)力錨索計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，錨索應(yīng)力計(jì)2監(jiān)測(cè)值始終較平穩(wěn)，表明此監(jiān)測(cè)點(diǎn)處于穩(wěn)定狀態(tài)。而錨索應(yīng)力計(jì)1、3則經(jīng)歷了降低、平穩(wěn)、起伏、平穩(wěn)等過(guò)程，這是由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)表土松散，錨墩陷進(jìn)土體內(nèi)，錨索伸張量變化而引起的。錨索的預(yù)應(yīng)力最終都穩(wěn)定了下來(lái)，錨索計(jì)1在經(jīng)過(guò)前3個(gè)月的預(yù)應(yīng)力損失階段后，拉力在7月29日往后逐漸穩(wěn)定在-20 kN左右，錨索計(jì)2在在經(jīng)過(guò)前3個(gè)月的預(yù)應(yīng)力損失階段后，拉力在7月29日往后逐漸穩(wěn)定在150 kN左右，錨索計(jì)3在在經(jīng)過(guò)前3個(gè)月的預(yù)應(yīng)力損失階段后，拉力在7月29日往后逐漸穩(wěn)定在-350 kN左右。

整體看來(lái)，秦望山巖質(zhì)滑坡基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，錨索加固后各工況下坡體位移均明顯減小，可見(jiàn)治理效果顯著，滑坡隱患得到解決，但應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)巡查，及時(shí)分析邊坡穩(wěn)定性，最大限度降低滑坡災(zāi)害所造成的損失。

圖10 裂縫寬度監(jiān)測(cè)曲線Fig.10 Monitoring curve of crack width

4 結(jié)論

本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與地勘資料，查明了研究區(qū)基本地質(zhì)條件，運(yùn)用數(shù)值模擬方法分析了不同工況下坡體的變形情況，提出了采用預(yù)應(yīng)力錨索的加固方案。主要結(jié)論如下：

(1)秦望山坡體地層巖性為石英砂巖，局部夾薄層粉砂質(zhì)泥巖，地層產(chǎn)狀為165°∠35°，為順向坡，且在坡體中下部存在采礦所造成的臨空面。在強(qiáng)降雨等因素作用下，巖體結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)變差，抗剪強(qiáng)度降低，該邊坡有較大發(fā)生巖質(zhì)滑坡的隱患。

(2)通過(guò)3DEC模擬分析可知，在天然工況下，坡體在重力作用下沿坡面下滑，最大位移量達(dá)6 cm，用強(qiáng)度折減法算得其安全系數(shù)為1.04，坡體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；在暴雨工況下，坡體發(fā)生更大下滑，最大位移量達(dá)14 cm，強(qiáng)度折減法算得安全系數(shù)為0.93，坡體處于不穩(wěn)定狀態(tài)；在地震工況下，坡體最大位移為7 cm，強(qiáng)度折減法算得安全系數(shù)為1.01，坡體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。模擬預(yù)應(yīng)力錨索加固邊坡后，結(jié)果表明：三種工況下滑坡體的最大位移相對(duì)加固前均有所下降，滑動(dòng)區(qū)巖體基本不再滑移，證明該加固方案的可行性。

(3)采取錨固措施對(duì)坡面巖體進(jìn)行加固，并采用裂縫計(jì)和預(yù)應(yīng)力錨索計(jì)對(duì)秦望山研究區(qū)巖體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明坡體位移量與錨索預(yù)應(yīng)力在一段時(shí)間后都會(huì)達(dá)到穩(wěn)定階段，故錨索加固措施達(dá)到了預(yù)期效果，滑坡隱患得到有效解決。