門頭溝二斜井滑坡機制研究及穩(wěn)定性分析

周立 張園園 何欣 劉洋 張彬

摘 要：通過對滑坡體進行工程地質調(diào)查測繪以及鉆探等手段，結合現(xiàn)場施工環(huán)境因素，分析研究滑坡發(fā)生機制;采用FLAC3D建立計算模型，對邊坡穩(wěn)定性進行定量分析，同時反演最優(yōu)設計參數(shù)值。經(jīng)分析，門頭溝二斜井發(fā)生滑坡的直接原因為在順層基巖邊坡進行切坡及削坡角作業(yè)，形成坡腳臨空面，同時未及時做支護，致使巖體抗剪強度降低，加之基巖層中存在的順層軟弱結構面在地表水的作用下，致使上覆巖體沿軟弱面滑動，形成滑坡。通過FLAC3D分析計算得出，在天然工況下，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為0.96，暴雨工況下，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為0.68，邊坡均處于不穩(wěn)定狀態(tài)。邊坡的最大位移位于邊坡中下部，表現(xiàn)為明顯的順層滑動，坡體出現(xiàn)明顯的塑性貫通區(qū)。

關鍵詞：滑坡機制;FLAC3D模型;穩(wěn)定性分析;邊坡防治

Abstract： We study the formation mechanism of landslide mass by means of engineering geological surveying， mapping and drilling， and the site operation environmental factors. The quantitative analysis of the slope stability by FLAC3D is used to invert optimum design parameter values. The analysis results show that the Mentougou Erxiejing landslide is caused by the empty face of slope that is formed by cutting bedding rock， so the slope toe has no timely support to result in the reduction of shear strength. Additionally， with the influence of surface water the weak structural surface of bedding rock moves with the covered mass and cause the landslide. By analyzing and calculating by FLAC3D， we found no matter in natural condition with the stability coefficient of the slope 0.96 or in the rainstorm condition with the stability coefficient of the slope 0.68， i.e.， the slope is in instability state. The maximal displacement is located in the central and lower part of slope， and landslide is appeared as the strong bedding slipping and the formation of plastic penetration area on the surface of slope.

Keywords： Formation mechanism of landslide; FLAC3D model; Stability analysis， Slope prevention

0 引言

隨著人類工程活動的發(fā)展，邊坡失穩(wěn)問題越來越突出。目前現(xiàn)階段滑坡調(diào)查最常見的方法是變形跡象調(diào)查，并結合鉆探、物探等勘探手段;在邊坡變形破壞機制研究及穩(wěn)定性評價方法方面，前人做了大量的科研工作及理論分析，也獲得非常寶貴的實踐經(jīng)驗（李忠等，2004;張倬元等，1994;鄭穎人等，2003;張社榮，2007;伊麗娟等，2008;中國科學院武漢巖體土力研究所，1981）。對于穩(wěn)定性評價，多以建設適宜的模型，將復雜問題簡單化、形象化，從而得出合理的參數(shù)取值。模型的建立大多采用極限平衡理論的條分法以及數(shù)值分析方法（張建永，1999）。前者以極限平衡理論為基礎，力學模型簡單;后者數(shù)值分析法作為有限單元法，可直觀的模擬出滑坡體的運動形態(tài)及潛在的滑動面，推算出坡體的穩(wěn)定性系數(shù)（連金芳，2009）。本次選用目前我國巖土力學與工程界發(fā)展最快、最具有影響的數(shù)值分析軟件FLAC3D進行計算，該軟件采用了混合離散方法來模擬材料的塑形流動特性，利用動態(tài)的運動方程以及顯示方法進行求解，使計算過程更為合理，同時也提高了邊坡防治設計計算的精度，為邊坡的防治提供了理論基礎（李朝暉等，2011）。

研究項目位于北京市門頭溝區(qū)二斜井小區(qū)北東側，規(guī)劃建設中的黑山大街北延道路西側邊坡。工程管線鋪設施工時，道路邊坡發(fā)生滑坡，坡長約80m，寬約60m，造成道路及管線損壞，同時嚴重影響附近居民的生命財產(chǎn)安全。本文通過定性分析與FLAC3D建模計算，對滑坡機制及邊坡穩(wěn)定性進行了系統(tǒng)研究，提高了邊坡防治設計計算的精度，為邊坡的防治提供了理論基礎。

1 場地工程地質條件

1.1 地形地貌條件

滑坡場地位于低山丘陵斜坡地段，原始地形坡度較陡，總體介于20°～35°。因道路建設，該處邊坡已做削坡處理，但并未采取其他支護措施，一直處于基巖裸露擱置狀態(tài)?；掳l(fā)生前，坡腳處正在進行電力管線開挖施工，沿坡腳形成了高寬為4m×4m明挖管溝，長約1.5km，且該段未采取任何支護措施;滑坡發(fā)生后，滑坡體對坡腳處正在施工中的電力管溝造成了擠壓破壞，部分滑落的破碎巖體滾落堆積于坡腳下道路，坡體上電線桿存在傾倒現(xiàn)象。坡體多處出現(xiàn)裂縫，長約3～8m不等，寬約1～3m不等，隨著汛期雨季的到來，雨水的不斷入滲致使滑坡后的巖體持續(xù)變形，裂縫存在持續(xù)增大的趨勢?；潞缶壨鈧鹊乇砭植扛采w有殘坡積土，大部分地段植被較好，山體未見開裂跡象。

1.2 地層巖性

區(qū)內(nèi)地層由新至老主要有上更新統(tǒng)、侏羅系窯坡組。

上更新統(tǒng)（Qp3）：場地南側有上更新統(tǒng)地層出露，成因主要為坡洪積及洪積。坡洪積物主要為灰黃色黃土質砂質黏土、礫石等，分選差，磨圓為次圓狀;礫徑大小不一;洪積物主要為黃土質粉砂、夾有礫石層等。

侏羅系窯坡組（Jy）：場地附近基巖主要為窯坡組一段（Jy1）。該地層在場地周邊山區(qū)和第四系覆蓋層下分布。

1.3 結構面情況

根據(jù)現(xiàn)場基巖露頭和開挖探槽進行地質調(diào)查量測，該段邊坡坡向約為117°，坡角28°～35°，主要存在二組裂隙結構面。第一組裂隙（L1）：產(chǎn)狀（65°～85°）∠（79°～90°），裂隙結構面為軟弱結構面，結構面分離，平直光滑，泥質充填，張開度0.1cm～0.2cm，間距5cm/條～20cm/條，裂隙貫通;第二組裂隙（L2）：產(chǎn)狀（255°～320°）∠（56°～87°），裂隙結構面為軟弱結構面，結構面分離，平直光滑，泥質充填，張開度0.1cm～2.0cm，間距20cm/條～80cm/條。

1.4 巖土參數(shù)的選定

根據(jù)臨近工程勘察和本項目勘查資料，同時參考附近同類工程施工確定巖土工程主要參數(shù)，詳見表1。

該邊坡巖體結構面為軟弱結構面，結構面平直光滑、略有起伏，泥質充填，結構結合程度很差。根據(jù)規(guī)范及類似工程經(jīng)驗，各結構面之間、層面之間抗剪強度指標標準值見表2。

2 滑坡分析與穩(wěn)定性評價

2.1 滑坡變形情況

本次滑坡體坡向約坡向約為117°，坡角28°～35°。滑坡后緣存在近垂直裂縫，錯臺跡象明顯，最大錯臺高差3～4m;滑坡臺出現(xiàn)數(shù)十條張裂縫，裂縫長度3～8m，寬約1～3m;滑坡體前緣可見剪出、隆起跡象（圖1、圖2）。

2.2 滑坡特征

（1）平面形態(tài)

從平面上看，該滑坡主滑方向為沿坡面方向，東南-西北方向長約70m，西南-東北方向寬約60m，滑坡體平面投影面積約3000m2。

（2）滑坡面埋深及特征

根據(jù)本次勘查野外調(diào)查及鉆探揭露，該滑坡滑動面（117°∠30°）為沿強風化砂巖中的順層節(jié)理裂隙面，由于受大氣降水的長期浸染侵蝕，形成極為破碎的軟弱結構面，鉆探揭露滑動面埋深為5.7～9.8m。

（3）滑體物質組成

滑坡體主要由砂巖組成，泥質充填，其風化程度較高，且節(jié)理裂隙發(fā)育，局部表層覆蓋有殘坡積土?；麦w中砂巖含量占比約為99%，其余為填土及第四系殘坡積土。

（4）滑坡各部位特征

滑坡后壁：由于滑動變形的影響，后緣形成高約近3m的滑坡壁錯落距，滑坡壁出露以強風化砂巖為主，傾角一般為80°～90°，傾向以65°為主。在滑坡后壁附近地表形成密集的張拉裂縫帶，張拉裂縫走向大致和滑坡壁平行，裂縫寬約1～3m不等，可見深度一般0.5～3m，呈深 “V”字型。

滑坡側壁：滑坡體南側邊緣發(fā)育有一條破碎帶，通過鉆孔揭露地層顯示，破碎帶埋深約15m，主要由坡積土及強風化破碎砂巖組成，結構松散，力學性質差。受此破碎帶的緩沖影響，該滑坡南側壁變形不明顯。

滑坡腳：滑坡體前緣可見剪出、隆起跡象。

（5）滑坡分類

綜合判定滑坡按物質組成分類為基巖滑坡;按滑動體厚度分類，滑坡厚度主要為10m以內(nèi)，為淺層滑坡;按結構面特征，該滑坡為順層滑坡。

2.3 滑坡形成機制分析

（1）自然因素

滑坡坡角為約28°～35°左右，與巖層傾角相近，為順層結構，且?guī)r層橫向及縱向節(jié)理均發(fā)育強烈，長期受雨水侵蝕影響，抗剪強度降低，極易形成滑動面，致使坡體失穩(wěn)，造成巖土沿順層滑動。

（2）人為因素

場地位于山地斜坡地段，原始地形斜坡坡度較陡，坡度約25°～30°。原始地形條件下場地地表植被覆蓋較好，構成邊坡的主要地層為第四系坡殘積層及下伏強—中風化砂巖，巖土體結構一般。但在修建規(guī)劃道路時，該邊坡被人為削坡，基巖裸露，坡面未作任何保護。裸露的基巖風化程度高，節(jié)理裂隙發(fā)育，有利于大氣降水或其它因素形成的地表水沿節(jié)理裂隙下滲，侵蝕裂隙面，尤其對砂巖中軟弱的泥質夾層造成破壞強烈，使其巖層軟弱面抗剪強度降低，形成不利于邊坡穩(wěn)定的軟弱滑動面。同時在修建電力管溝的施工中，管溝開挖對該邊坡坡角切割，形成了高約4m的臨空面。

（3）綜合分析

綜上，在順層基巖邊坡進行切坡及削坡角作業(yè)，形成坡腳臨空面，同時未及時做支護，致使巖體抗剪強度降低，加之基巖層中存在的順層軟弱結構面在地表水的作用下，致使上覆巖體沿軟弱面滑動，形成滑坡災害。

2.4 基于FLAC3D的穩(wěn)定性分析

（1）評價標準

邊坡穩(wěn)定性評價中，治理工程等級按Ⅱ級考慮，設計工況為自重+現(xiàn)狀地下水位，設計安全系數(shù)為1.20;穩(wěn)定計算工況分別考慮邊坡滑坡后、未治理前在天然工況、暴雨工況的穩(wěn)定性。

（2）模型建立

采用由美國ITASCA公司開發(fā)的仿真計算軟件FLAC3D，根據(jù)實際測繪所得地形圖建立模型。計算模型的三維尺寸為200.2m×1.0m×91.5m。計算模型共劃分為10707個單元和16062個節(jié)點。場地內(nèi)地層根據(jù)鉆探結果揭露顯示，坡體地層分別為人工填土層、強風化砂巖和中風化砂巖（計算模型如圖3所示）。模型計算考慮邊坡巖土體的分層，計算方法采用總應力法，計算參數(shù)采用總應力指標，本構模型采用摩爾庫倫模型。

（3）計算分析

通過本次模擬計算分析，該滑坡的最大位移多分布于邊坡中下部，表現(xiàn)為明顯的順層滑動。天然工況下，邊坡的塑性區(qū)分布如圖4所示，邊坡體表層出現(xiàn)明顯的塑性貫通區(qū)，穩(wěn)定系數(shù)為0.96，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài);暴雨工況下，邊坡的塑性區(qū)分布如圖5所示，邊坡體一定深度范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯的塑性貫通區(qū)，表現(xiàn)為滑坡體的最不利結構面，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為0.68，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在暴雨工況下，滑坡剪應變增量相比天然狀態(tài)下出現(xiàn)更為明顯的貫通，基本沿著邊坡巖體強風化界面，由滑坡體后緣向坡腳剪出口處貫通，塑性分布區(qū)較天然工況下分布范圍擴大，模擬顯示的剪應變增量貫通區(qū)與現(xiàn)場勘探揭露的滑動面基本一致。

3 結論

通過對滑坡體特征的分析研究，其發(fā)生滑坡的主要原因為在順層基巖邊坡進行切坡及削坡，同時未及時做支護，致使巖體抗剪強度降低，形成了不利的軟弱結構面，加之雨水入滲的影響，造成巖體滑動。

通過FLAC3D分析計算得出的穩(wěn)定性系數(shù)基本與現(xiàn)場判斷一致，可作為本次反演模擬分析得出的最優(yōu)參數(shù)值。通過穩(wěn)定性分析計算，提高了邊坡防治設計計算的精度，為邊坡的防治提供了理論基礎。

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