基于 FLAC3D 的寶天高速公路 K82 段滑坡穩(wěn)定性分析及治理措施研究

金兆鑫，楊 鵬，龐建平，賈存鵬，

（1.蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730060；2.甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

滑坡災(zāi)害是威脅和影響高速公路正常運(yùn)行的主要災(zāi)害之一［1，2］。近年來(lái)，甘肅南部山區(qū)修建高速愈來(lái)愈多，因誘發(fā)滑坡的因素與滑坡所處的地層巖性、地形地貌、環(huán)境、氣候等因素密切相關(guān)，發(fā)生機(jī)理各不相同，所采取的的治理方式亦不相同［3-5］。須從滑坡現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件出發(fā)，摸清滑坡形成機(jī)理和變形特征，從科學(xué)的工程治理角度給出合理的處置方案，確保高速公路正常運(yùn)行不受滑坡災(zāi)害影響［6］。

本文以寶雞至天水高速公路 K82 段滑坡為例，采取現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研勘察研究地質(zhì)環(huán)境，分析了滑坡的成因和滑坡的基本特征，采用有限元差分軟件 FLAC3D 對(duì)滑坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，并對(duì)治理效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1 工程概況

1.1 滑坡概況

滑坡地表形態(tài)較為平緩，總體坡度約為 15°～30°，滑坡所在斜坡微地貌非常發(fā)育，地表裂縫發(fā)育其滑坡后壁及陡坎處多有地下水出露。滑坡體所在斜坡地形北高、南低，整體上呈上陡—中緩—下陡之勢(shì)，滑坡后緣位于斜坡陡緩相間之處?；聟^(qū)植被發(fā)育，為喬灌結(jié)合，多已開(kāi)辟為農(nóng)田，為旱地。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及勘察成果，滑坡為一中型淺～深層滑坡，滑坡特征較為顯著，滑坡平面形態(tài)呈“舌”型（見(jiàn)圖 1），分為 1 號(hào)體和 2 號(hào)體，滑坡體上發(fā)育兩條沖溝，滑坡側(cè)界以 1、2 號(hào)沖溝為界?；虑安科履_處為 G30 高速公路，路線在該段以挖方路基形式通過(guò)，滑坡影響路線長(zhǎng)度為 200 m，垂直路線方向長(zhǎng)度最長(zhǎng)為 90 m，滑體厚度約 8 m，面積為（8.7×103）m2，滑坡體積約（7.0×104）m3。

圖1 K82+500～820 段滑坡全貌

1.2 滑坡變形特征

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，2 號(hào)滑坡體變形特征明顯，其前緣鼓脹，局部原有護(hù)面墻錯(cuò)動(dòng)開(kāi)裂，后壁錯(cuò)動(dòng)形成陡坎，坡體張拉裂縫縱橫分布，主要裂縫走向基本垂直滑動(dòng)方向。整體處于滑動(dòng)破壞階段，其典型裂縫分布及前緣剪切變形過(guò)程如下所述。

滑體后部平臺(tái)裂縫走向約為 145°，寬度 10～30 cm，延伸長(zhǎng)度接近20m，屬拉張裂縫。由于滑體一側(cè)臨溝，有較好的臨空面，該裂縫主要為滑體沿此臨空面滑移形成?；w后部裂縫走向大多為 330°～360°（見(jiàn)圖 2），寬度 10～20 cm，延伸長(zhǎng)度 5～10 m，其走向與主滑方向基本平行，多屬于沿右側(cè)溝谷臨空面淺表層溜塌牽引形成的拉張裂縫。前緣剪切裂縫走向 76°，延伸約 62 m，由于下滑力巨大，導(dǎo)致滑坡前緣 G30 高速公路路面發(fā)生開(kāi)裂（見(jiàn)圖 3）。

圖2 2 號(hào)體滑坡后緣拉張裂縫

圖3 2 號(hào)體滑坡前緣路面開(kāi)裂

2 FLAC3D 滑坡穩(wěn)定性模擬分析

該段滑坡在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察時(shí)主要針對(duì) 2 號(hào)滑坡體順主滑方向布置了 1 條縱斷面。通過(guò)對(duì)鉆探資料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該滑坡深層滑帶主要沿已軟化全～強(qiáng)風(fēng)化泥巖滑動(dòng)破壞。其中表層有較厚的灰黑色粉質(zhì)黏土層，稍濕～濕，軟塑～可塑，物理力學(xué)強(qiáng)度較低，為滑坡體內(nèi)的軟弱帶。因此選取滑坡中滑動(dòng)帶物理力學(xué)性質(zhì)最差軟弱帶的滑體進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

2.1 FLAC3D 模型建立

FLAC3D 采用三維有限差分程序求解場(chǎng)的控制微分方程，能夠準(zhǔn)確地模擬材料的塑性破壞流動(dòng)，尤其在材料的彈塑性分析、大變形分析及模擬施工領(lǐng)域有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)［7，8］。

該滑坡模型是在現(xiàn)場(chǎng)工程勘察所獲取的滑坡邊界、滑體、滑帶、滑床厚度及地質(zhì)條件數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立的。土體采用服從 Mohr-Coulomb 破壞準(zhǔn)則的理想彈塑性本構(gòu)模型，模型采用實(shí)際尺寸，長(zhǎng)度 282 m，寬度 15 m，最大高度 136 m，此次計(jì)算模型劃分了 5 108 個(gè)節(jié)點(diǎn)和 22 687 個(gè)單元，模型底部對(duì)其x、y方向的速度和位移設(shè)置為固定約束，前后、左右邊界施加法向約束，上表面為自由邊界，所建 FLAC3D 模型如圖 4 所示。

圖4 滑坡 FLAC3D 模型

2.2 計(jì)算參數(shù)選取

穩(wěn)定性計(jì)算公式中需要確定的指標(biāo)有：滑體土的容重γ和結(jié)構(gòu)面的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ。由于該段滑坡地處甘肅南部雨水較多區(qū)域，暴雨是誘發(fā)該段滑坡滑動(dòng)的主要因素，參照前期路線勘察試驗(yàn)和相關(guān)資料，區(qū)內(nèi)滑體考慮暴雨時(shí)的容重取 16.8～21.0 kN/m3，通過(guò)揭露的地層巖性，結(jié)合室內(nèi)分析滑體的基本物理參數(shù)等，在本次計(jì)算中滑體的飽和容重取值為 21.0 kN/m3，其參數(shù)取值如表 1 所示。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

從圖 5 可以看出，滑坡中部位移較大為-37.2～-30 cm，主要原因是滑坡體中部地形較為平緩，在降雨時(shí)雨水的入滲導(dǎo)致該區(qū)域表面下沉。這與現(xiàn)場(chǎng)勘查時(shí)的結(jié)果較為吻合?；虑熬壙拷芬粋?cè)的位移變化為-25～-10 cm，前緣少量區(qū)域隆起，此時(shí)的滑坡安全系數(shù)為 0.85，屬于不穩(wěn)定狀態(tài)；從圖 6 剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D可以看出，暴雨工況下使滑坡沿著滑帶分布的巖土體發(fā)生剪切破壞，破壞從坡后緣貫穿至前緣，且前緣的下部有應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中導(dǎo)致前緣發(fā)生剪脹隆起破壞。綜合現(xiàn)場(chǎng)勘查及數(shù)值模擬可知，該段滑坡在降雨工況時(shí)處于整體滑動(dòng)的趨勢(shì)，亟需進(jìn)行合理的治理。

圖5 滑坡位移云圖

3 滑坡治理方案

圖6 剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

總體方案為 1# 滑坡體采用削方減載措施；2# 滑坡體采用樁板墻+截排水措施進(jìn)行治理。對(duì)于 2# 滑坡體，根據(jù)開(kāi)挖后的剩余下滑力計(jì)算，擬在路基右側(cè)坡腳設(shè)置樁板墻。根據(jù)樁身內(nèi)力計(jì)算及勘察結(jié)果，設(shè)置樁徑為 2.0 m×1.6 m 的普通抗滑樁 22 根及擋土板。為防止滑坡后緣斜坡的降雨匯水滲入滑坡體，擬在滑坡后緣剪切裂縫帶設(shè)置排水溝，溝內(nèi)流水通過(guò)自然沖溝引入路基邊溝排出。

1）削方減載。對(duì) 1# 滑坡體采取削方減載的治理措施，第一、二級(jí)邊坡坡率 1∶1.0，坡高 8.0 m，平臺(tái)寬度 3 m，設(shè)置框格梁護(hù)面；第三級(jí)及以上邊坡坡率 1∶1.5，坡高 8.0 m，平臺(tái)寬度 3 m；最上一級(jí)邊坡坡率 1∶1.5，一坡到頂，平臺(tái)寬度 8 m。

2）樁板墻。根據(jù)勘察及穩(wěn)定性分析結(jié)果，擬在邊坡開(kāi)挖面上線設(shè)置抗滑樁支擋。根據(jù)滑面埋深及抗滑樁樁身內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，在 K82+500～K82+820 段范圍內(nèi)，于路基右側(cè)坡腳設(shè)置樁徑 2.0 m×1.6 m 的普通抗滑樁及擋土板，抗滑樁間距為 5 m，樁長(zhǎng)為 18 m，共 22 根；擋土板厚度 0.4 m，單片寬度 4.1 m，高度 4.0 m?？够瑯恫捎?C30 混凝土澆筑。樁孔采用 C20 混凝土護(hù)壁、人工分節(jié)開(kāi)挖，布置圖如圖 7 所示。

3）截排水工程。為防止斜坡的降雨匯水聚積在斜平臺(tái)內(nèi)滲入滑坡體，在滑坡后緣外約 15 m 處設(shè)置一道截水溝，將水引入自然溝內(nèi)，再設(shè)置急流槽，把溝內(nèi)流水引入路基邊溝處排出，各卸載平臺(tái)設(shè)置平臺(tái)排水溝。

圖7 滑坡治理圖

4 治理效果評(píng)價(jià)

該滑坡在進(jìn)行綜合治理后的 FLAC3D 數(shù)值模擬剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D如圖 8 所示，因?yàn)榍熬壊贾昧丝够瑯?擋土板的治理措施，滑坡滑體中部布設(shè)了截水溝，無(wú)雨水的入滲，滑坡整體無(wú)后緣至前緣的貫通剪切應(yīng)力，只是在滑帶后部存在少量剪切應(yīng)力，治理后的滑坡安全系數(shù)為 1.22，屬于穩(wěn)定狀態(tài)，可見(jiàn)滑坡體采用樁板墻+截排水措施進(jìn)行治理有效地改善了滑坡的滑動(dòng)，工程方案是可行的。

圖8 滑坡治理后剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

5 結(jié)語(yǔ)

FLAC3D 模擬的寶天高速 K82 段滑坡在暴雨工況下的滑坡安全穩(wěn)定系數(shù)為 0.85，且有貫穿的剪應(yīng)力帶的存在，整體處于滑動(dòng)的趨勢(shì)，亟需進(jìn)行合理的治理。對(duì)該段滑坡結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘查進(jìn)行治理，1# 滑坡體采用削方減載措施；2# 滑坡體采用樁板墻+截排水的治理措施。FLAC3D 模擬的治理后的滑坡無(wú)貫通的通剪切應(yīng)力，只是在滑帶后部存在少量剪切應(yīng)力，有效地改善了滑坡的滑動(dòng)，工程方案是可行的。Q