基于Midas-GTS/NX的崖墓邊坡穩(wěn)定性分析*

呂 波，劉歲海，崔 杰，廖 軍，吳明轅

(西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621000)

0 引言

崖墓邊坡是指自然邊坡經(jīng)人為開鑿形成的具有墓室結(jié)構(gòu)的邊坡體。崖墓邊坡與自然邊坡不同，自然邊坡主要考慮發(fā)生滑坡后對人類生命及個人財產(chǎn)造成的損失，而崖墓邊坡還需要考慮對崖墓的保護(hù)。因在崖墓邊坡內(nèi)部及坡腳處開鑿了大量的墓穴，造成邊坡內(nèi)部受力發(fā)生變化，坡腳不穩(wěn)定，加之受長期猖獗的盜墓活動影響，崖墓邊坡隨時都有滑動和垮塌的危險。

四川省老池鄉(xiāng)墊子村月亮灣地層巖性為砂巖與紫紅色泥頁巖互層，地貌類型為侵蝕性淺丘斜坡地貌，巖石質(zhì)地細(xì)軟，較易開鑿洞穴，故遺存有大量東漢時期的崖墓[1]。月亮灣崖墓群在自然和人為等因素的影響下，其所依附的地質(zhì)和環(huán)境載體發(fā)生了變化。崖墓存在巖體松弛卸荷變形、帶狀風(fēng)化、層狀剝落等多種地質(zhì)病害，嚴(yán)重威脅著其穩(wěn)定性和完整性。因此，對月亮灣崖墓群進(jìn)行全面的危巖體加固及防風(fēng)化處理，以延長珍貴歷史文物的保存期，已經(jīng)刻不容緩。

1 工程區(qū)概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)條件

研究區(qū)位于四川盆地中部丘陵低山地區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造較為簡單，海拔為300～600 m。研究區(qū)地理位置較為獨(dú)特，該地降雨時間及降雨量具有短時強(qiáng)降雨、降雨豐沛等特點(diǎn)。大量降雨是引發(fā)滑坡和崩塌等自然災(zāi)害的重要外部因素。

月亮灣崖墓所在山體海拔高度為260～277 m，邊坡上植被茂密，崖墓群沿丘陵坡體在半山腰呈排狀分布。該崖墓群位于涪江右岸侵蝕性單斜構(gòu)造中丘地貌岸坡陡崖中部，塊狀砂巖出露形成了大面積裸巖陡崖。陡崖呈反向坡，高度3～15 m，上下均為斜坡地貌。

月亮灣崖墓群開鑿于蓬萊鎮(zhèn)組巨厚層塊狀砂巖陡崖下部，陡壁走向呈北東向，整體南西高、北東底。陡崖頂后緣坡體局部有裸巖出露，第四系殘坡積層較發(fā)育，坡頂平臺為磚紅色亞黏土，灌木和草本科植物生長茂盛。崖下斜坡分布有各類崩積與殘坡積，部分出露有磚紅色中厚層夾薄層狀粉砂質(zhì)泥巖、泥巖地層。崖下斜坡段局部發(fā)育有早期滑塌現(xiàn)象，坡腳平緩區(qū)域現(xiàn)為居民區(qū)。從地形上看，陡崖整體坡度為80°～85°，其前崩積斜坡坡度為25°～35°。崖墓群所在區(qū)域地形地貌如圖1所示。

圖1 月亮灣崖墓群所在區(qū)域地形地貌

1.2 地層巖性

根據(jù)地質(zhì)測繪與露頭揭露情況，勘查區(qū)分布地層主要為第四系全新統(tǒng)坡殘積層、崩坡積層以及侏羅系地層。其中，第四系全新統(tǒng)坡殘積層為棕灰色、棕紅色，含80%的砂質(zhì)黏土，20%的砂質(zhì)泥巖碎石、角粒，碎石塊成分主要為中-微風(fēng)化的砂巖、泥巖。從崖墓上方與下方揭露的地層可以看出，殘坡積層厚約0.5～2.0 m，植被生長較茂盛。崩坡積層為紫紅色、棕灰色，主要成分為碎屑砂巖、泥巖、同生鈣質(zhì)礫巖碎塊石土夾粉質(zhì)砂黏土，其物質(zhì)成分不均，孔隙較發(fā)育；碎塊石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%～75%，主要為中-微風(fēng)化的厚層塊狀粉砂巖、泥巖，分布于基巖出露的邊坡下部。侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組以中部灰黃色厚層狀砂巖(太和鎮(zhèn)砂巖)底為界分為上、下兩段：上段為灰白、紫紅色泥、鈣質(zhì)長石細(xì)粉砂巖與紫紅色泥巖不等厚互層；下段底部為灰白色厚層塊狀細(xì)至中粗長石砂巖，厚約30 m，較穩(wěn)定。

崖墓區(qū)主要出露蓬萊鎮(zhèn)組下段地層，主要為灰白色塊狀長石砂巖，底部見含屑粗粒長石砂巖，交錯層理、斜層理發(fā)育。塊狀砂巖下覆巖性為磚紅色中厚層狀泥質(zhì)粉砂巖、泥巖。各巖土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土層物理力學(xué)參數(shù)

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造與斜坡卸荷作用的影響，崖墓群所在陡壁的各類巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，影響與控制著本區(qū)危巖體的發(fā)育特征、分布范圍、崩塌破壞模式。對本區(qū)地表出露的基巖露頭的地質(zhì)調(diào)查表明，主要有4組主要裂隙，其中2組為構(gòu)造裂隙并構(gòu)成陡崖的主要走向，1組為卸荷裂隙，另有1組為層面裂隙，此外還有若干隨機(jī)裂隙分布。平行崖面和垂直崖面的2組節(jié)理裂隙構(gòu)成的節(jié)理控制了陡崖的走向與展布。垂直崖面的裂隙走向?yàn)楸蔽?北西西向，大多數(shù)為近直立，部分為南西傾向，傾角為83°～90°；裂隙貫通，延伸性強(qiáng)，張開2～5 cm，局部閉合，為區(qū)域剪性結(jié)構(gòu)面，一般切穿整個陡崖，斜交或近垂直崖體，其間以黏土、碎石土或巖屑填充，頂部植物根系發(fā)育，該組結(jié)構(gòu)面是崖體崩塌變形的側(cè)界控制性結(jié)構(gòu)面。平行崖面的裂隙走向?yàn)楸睎|-北東東向，大多為南東傾向，部分為北西傾向，傾角為78°～86°；裂隙貫通，延伸性強(qiáng)，張開1～5 cm，為區(qū)域剪性結(jié)構(gòu)面，一般延伸較長，斜交或平行于崖體，其間以黏土、碎石土或巖屑填充，頂部植物根系發(fā)育，該組結(jié)構(gòu)面是崖體崩塌變形的后側(cè)控制性結(jié)構(gòu)面。以上2組垂向裂隙與巖層面、卸荷裂隙相互組合、切割破碎，在不同的臨空面可能以不同的崩塌方式發(fā)生破壞。

1.4 滑坡體特征

勘察資料顯示：滑坡體上部存在較寬敞的平臺，以平臺處作為滑坡體的后緣邊界；滑坡體兩側(cè)各形成一較小沖溝，以此作為滑坡體的兩側(cè)邊界；坡體前緣以堆積物到達(dá)位置作為滑坡體的前緣。坡體垂向結(jié)構(gòu)面發(fā)育，相互貫通，其中與坡向近垂直的豎向結(jié)構(gòu)面張開明顯，是危巖體變形破壞的側(cè)向邊界。裂隙產(chǎn)狀為NE35°/SE∠70°，張開1～3 cm，延伸約7～10 m，屬于張性卸荷裂隙；層面裂隙發(fā)育，產(chǎn)狀為NW70°∠5°，邊坡上的崖墓直接受其威脅。

根據(jù)上述資料初步判斷滑動面位于強(qiáng)風(fēng)化砂巖中，滑坡體后緣高程258 m，前緣高程230 m；縱向長度35 m，橫向?qū)?2 m，平面呈長舌型；主滑方向135°，平均坡度31°，平均面積約525 m2；滑體厚2～6 m，總體積為3 150 m3，屬于小型巖質(zhì)滑坡，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 Midas-GTS/NX簡介

Midas-GTS/NX是邁達(dá)斯技術(shù)有限公司在Midas-GTS的基礎(chǔ)上增加了分析功能和計算能力的新一代巖土數(shù)值分析軟件，其不僅具備強(qiáng)大的幾何建模、網(wǎng)格劃分、圖形處理等功能，還能同時計算各種工況的變形和內(nèi)力。

2.2 有限元強(qiáng)度折減法基本原理

有限元強(qiáng)度折減法(SRM)[2]的基本原理可表示為：

C1=C/F，

(1)

φ1= arctanφ/F。

(2)

將得到的C1和φ1用于試算，直至不收斂，此時可認(rèn)為巖土體發(fā)生了破壞，對應(yīng)的最大強(qiáng)度折減系數(shù)便為邊坡的最小穩(wěn)定系數(shù)。強(qiáng)度折減系數(shù)F的初始取值應(yīng)足夠小，以保證初始計算為近似彈性問題。然后根據(jù)計算結(jié)果，不斷加大F的取值，使得折減后的抗剪強(qiáng)度物理力學(xué)參數(shù)逐漸減小，直至某折減抗剪強(qiáng)度下邊坡發(fā)生剪切失穩(wěn)。有限元強(qiáng)度折減法無需事先判別滑動的形狀及貫通區(qū)域，計算快捷，因此該方法在邊坡穩(wěn)定性分析中應(yīng)用廣泛。

2.3 計算模型

因研究區(qū)邊坡巖層結(jié)構(gòu)較為簡單，故根據(jù)實(shí)際的滑坡坡面形態(tài)、巖層結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)特性選擇最危險滑動剖面作為研究對象(見圖2)。應(yīng)用Midas-GTS/NX中的強(qiáng)度折減法計算滑坡應(yīng)力、應(yīng)變和位移量，通過分析應(yīng)力云圖、位移量云圖、塑性區(qū)分布可得到最小穩(wěn)定系數(shù)及潛在滑動面[3-4]。

數(shù)值分析方法可以模擬邊坡在失穩(wěn)過程中的應(yīng)力和變形，但是在計算過程中選用不同的本構(gòu)模型結(jié)果會有所不同[5]。本次建模采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，網(wǎng)格劃分采用四邊形，在易滑帶附近對網(wǎng)格進(jìn)行檢查并適當(dāng)加密，以保證劃分的網(wǎng)格之間的耦合性；模型共有3 089個節(jié)點(diǎn)、2 987個單元、9 267個自由度(見圖3)。模型長(X方向)40 m，高(Y方向)32 m。模型模擬的巖層主要有：殘坡積層、強(qiáng)風(fēng)化砂巖層、中風(fēng)化砂巖層、泥質(zhì)粉砂巖層、崩坡積層。根據(jù)各巖土層物理力學(xué)參數(shù)，對計算模型的各層賦予材料屬性及重力作用。模型的X、Y方向是人為規(guī)定的邊界，故對X、Y方向采用法向固定邊界，并向X軸施加地震加速度以模擬地震工況。

圖2 滑坡剖面

圖3 模型網(wǎng)格劃分

2.4 不同工況下計算結(jié)果分析

2.4.1 天然工況

將計算模型代入求解器進(jìn)行計算，僅考慮自重作用，用強(qiáng)度折減法計算得到的邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.162 5，可知邊坡在天然工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)。邊坡沿X方向位移量集中在坡腳位置，主要以邊坡覆蓋層的位移量為主，邊坡內(nèi)部位移量為0(見圖4)；沿Y方向位移量約為0.24 m，最大的位移量仍然出現(xiàn)在覆蓋層處(見圖5)。天然工況下邊坡未出現(xiàn)明顯的剪應(yīng)變集中區(qū)(見圖6)。結(jié)合邊坡塑性狀態(tài)可知塑性區(qū)并未貫通邊坡體，在天然工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)(見圖7)。

圖4 天然工況下X方向位移量云圖

圖5 天然工況下Y方向位移量云圖

圖7 天然工況下邊坡塑性狀態(tài)

2.4.2 暴雨工況

為便于計算分析暴雨工況下的邊坡穩(wěn)定性，在Midas-GTS/NX中分階段對原始滲流場和施加降雨條件的工況分別進(jìn)行模擬，模型設(shè)定的降雨后邊坡坡面水流動方向要符合水體流動規(guī)律。經(jīng)計算，暴雨工況下邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.036 3，邊坡已經(jīng)處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。邊坡在暴雨條件下巖體的飽和度在不同的時程呈現(xiàn)相似的規(guī)律(見圖8、圖9)，巖體在第四時程達(dá)到完全飽和狀態(tài)。暴雨條件下邊坡X、Y方向的位移量在第一至第六時程變化較大，第六至第七時程變化較小(見圖10-圖13)。暴雨條件下巖體的塑性狀態(tài)在第一時程開始逐漸擴(kuò)展到全塑性狀態(tài)，到第六時程時呈現(xiàn)出全塑性狀態(tài)(見圖14)。由最大剪應(yīng)力云圖(見圖15)可以看出，在崖墓后部存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，與現(xiàn)場勘察的崖墓后部裂隙發(fā)育、巖體破碎的情況相吻合。

圖8 第一時程巖體飽和度云圖

圖9 第四時程巖體飽和度云圖

圖10 暴雨工況下X方向第六時程位移量云圖

圖11 暴雨工況下X方向第七時程位移量云圖

圖12 暴雨工況下Y方向第六時程位移量云圖

圖13 暴雨工況下Y方向第七時程位移量云圖

圖14 暴雨工況下第六時程巖土體塑性狀態(tài)分布

圖15 暴雨工況下最大剪應(yīng)力云圖

2.4.3 地震工況

地震工況模擬方法有反應(yīng)普法和時程分析法，本文采用時程分析法中的非線性時程即步步積分法，以充分揭示邊坡內(nèi)的受力情況和每一時刻的地震反應(yīng)[6-8]。為模擬地震波對邊坡影響的全過程，在邊坡底部施加一剛性基座(見圖16)，以防邊坡塌陷而終止計算。經(jīng)計算，地震工況下邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為0.891 0，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。隨著地震波的施加，邊坡巖體位移量與剪應(yīng)力也逐漸增大(見圖17-圖21)。

圖16 施加剛性基座的邊坡模型

圖18 地震工況下X方向最大位移量云圖

圖19 地震工況下Y方向最小位移量云圖

圖20 地震工況下Y方向最大位移量云圖

圖21 地震工況下最大計算時程剪應(yīng)力云圖

2.4.4 計算結(jié)果評價標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)DZ/T 0218-2006《滑坡防治工程勘查規(guī)范》，滑坡穩(wěn)定性狀態(tài)按穩(wěn)定系數(shù)劃分為四級，見表2(FS為滑坡穩(wěn)定系數(shù))。

表2 滑坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分

3 加固措施分析

3.1 預(yù)應(yīng)力錨索加固及排水措施

邊坡采用預(yù)應(yīng)力錨索加固，錨索采用直徑為28 mm的HRB335螺紋精軋鋼筋制作，其錨固段應(yīng)穿過邊坡潛在裂面并深入穩(wěn)定巖層，錨入穩(wěn)定巖體長度不小于3 m。鉆孔孔徑100 mm，錨固段長3 m，傾角下傾15°，錨索長15 m，單根錨桿錨固力設(shè)計值為220 kN。1∶1水泥砂漿，其強(qiáng)度不低于30 MPa，注漿壓力為0.35～0.48 MPa。錨頭部分進(jìn)行復(fù)舊處理，達(dá)到自然、和諧、統(tǒng)一的效果。設(shè)計錨索間排距為3.0 m，共布設(shè)加強(qiáng)錨索8根，裂隙總注漿量1.2 m3。

對邊坡上部覆蓋層掛網(wǎng)防護(hù)，邊坡周圍做環(huán)形截水溝。邊坡下部沿坡腳5 m外做排水溝，排水溝與截水溝連通。

3.2 預(yù)應(yīng)力錨索加固后的邊坡穩(wěn)定性分析

3.2.1 暴雨工況

由于天然狀態(tài)下邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，故不再進(jìn)行驗(yàn)算。暴雨工況下的邊坡在未施加預(yù)應(yīng)力錨索時的穩(wěn)定系數(shù)為1.036 3，施加預(yù)應(yīng)力錨索后的穩(wěn)定系數(shù)為1.175 0，預(yù)應(yīng)力錨索加固使暴雨工況下的邊坡由欠穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)為穩(wěn)定狀態(tài)。

邊坡在預(yù)應(yīng)力錨索加固后96.9%的巖體處于無位移狀態(tài)，而加固前僅有53.3%巖體處于無位移狀態(tài)(見圖22、圖23)，同時邊坡內(nèi)剪應(yīng)力有減小趨勢(見圖24、圖25)。邊坡在預(yù)應(yīng)力錨索加固后，等效應(yīng)力重新分布，最大等效應(yīng)力有遠(yuǎn)離墓室的趨勢，最大等效應(yīng)力位置為最危險位置即滑動帶位置(見圖26、圖27)，由此表明預(yù)應(yīng)力錨索自身的變形能力能很好地適應(yīng)邊坡內(nèi)部力學(xué)環(huán)境，不會因?yàn)閼?yīng)力的集中或改變而發(fā)生脆斷[9-10]。

圖22 錨桿參與計算的X方向位移量云圖

圖23 錨桿未參與計算的X方向位移量云圖

圖24 初始剪應(yīng)力云圖

圖25 錨固后的剪應(yīng)力云圖

圖26 錨索開始受力階段的等效應(yīng)力云圖

圖27 錨索受力穩(wěn)定后的等效應(yīng)力云圖

3.2.2 地震工況

地震工況下未施加預(yù)應(yīng)力錨索前的邊坡穩(wěn)定系數(shù)為0.891 0，加固后為1.152 0，邊坡由不穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)為穩(wěn)定狀態(tài)，且施加預(yù)應(yīng)力錨索后X、Y方向位移量相對減小(見圖28-圖31)，邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖28施加預(yù)應(yīng)力錨索前的Y方向位移量云圖

圖29 施加預(yù)應(yīng)力錨索后的Y方向位移量云圖

圖30 施加預(yù)應(yīng)力錨索前的X軸向位移量云圖

圖31 施加預(yù)應(yīng)力錨索后的X軸向位移量云圖

4 結(jié)論

采用Midas-GTS/NX數(shù)值模擬軟件，對四川省老池鄉(xiāng)墊子村月亮灣崖墓在各種工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,得到了以下主要結(jié)論：

a.天然工況下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.162 5，處于穩(wěn)定狀態(tài)；暴雨工況下邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.036 3，邊坡已經(jīng)處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；地震工況下邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為0.891 0，已經(jīng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

b.邊坡體采用預(yù)應(yīng)力錨索加固后，暴雨工況下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.175 0，邊坡由欠穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)為穩(wěn)定狀態(tài)；地震工況下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.152 0，邊坡由不穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)為穩(wěn)定狀態(tài)。

c.利用強(qiáng)度折減法對崖墓邊坡的穩(wěn)定性以及錨索加固后的邊坡穩(wěn)定性分別進(jìn)行數(shù)值模擬分析，能夠科學(xué)地分析邊坡的變形破壞機(jī)制及演變過程，可以驗(yàn)證邊坡加固措施的合理性。研究結(jié)果可用于指導(dǎo)崖墓邊坡的加固及防護(hù)。