貴州省道某滑坡形成機(jī)理及穩(wěn)定性分析

陳建國(guó)，鐘連祥

（江西省地質(zhì)局工程地質(zhì)大隊(duì)，江西 南昌 330029）

貴州省屬典型巖溶山地，組成斜坡巖土體類型多樣，巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害具點(diǎn)多、災(zāi)種全、隱患多、發(fā)生頻繁等特點(diǎn)[1-3]。近年來(lái)，隨著貴州省公路建設(shè)高速發(fā)展，高邊坡和深挖路塹所占比例越來(lái)越大，邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題和地質(zhì)災(zāi)害等地質(zhì)問(wèn)題日漸突出。因此，必須重視公路邊坡穩(wěn)定性分析和防護(hù)技術(shù)的應(yīng)用研究。

目前，應(yīng)用比較廣泛的邊坡穩(wěn)定性分析方法有：工程地質(zhì)類比法、傳遞系數(shù)法、數(shù)值模擬法等。工程地質(zhì)類比法能夠給出定性的評(píng)價(jià)，建立與滑坡賦存特征相符的地質(zhì)模型以供定量計(jì)算的物理模型[4-6]。傳遞系數(shù)法是工程上使用較為成熟的方法之一，《滑坡防治工程勘查規(guī)范》（GB/T32864-2016）等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范上都借鑒該方法。在工程地質(zhì)條件比較清楚時(shí)，能夠較為精確地計(jì)算坡體穩(wěn)定系數(shù)，而數(shù)值模擬法通過(guò)建模分析，可以直觀地觀察到邊坡可能發(fā)生滑動(dòng)的區(qū)域內(nèi)的變形及應(yīng)力分布狀態(tài)[7-9]。通過(guò)建立合理的數(shù)值模型，分析滑坡體內(nèi)局部有應(yīng)力集中現(xiàn)象，推斷滑面位置及滑坡變形情況，可以進(jìn)一步驗(yàn)證滑坡堆積體穩(wěn)定性狀態(tài)，為確定滑坡治理方案提供可靠的地質(zhì)依據(jù)，并供給實(shí)際工作中設(shè)計(jì)和施工參考，對(duì)實(shí)際工作中滑坡方案的組合和優(yōu)化有指導(dǎo)性意義[10]。

基于以上認(rèn)識(shí)，以務(wù)川縣省道某滑坡體為研究對(duì)象，對(duì)滑坡巖土特征及滑動(dòng)機(jī)理進(jìn)行分析，利用傳統(tǒng)的傳遞系數(shù)法結(jié)合FLAC、MIDAS/GTS 數(shù)值模擬中的強(qiáng)度折減法對(duì)滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行進(jìn)一步綜合分析，研究成果對(duì)類似滑坡的穩(wěn)定性分析一定的參考依據(jù)。

1 滑坡區(qū)工程地質(zhì)條件

該滑坡發(fā)生路段位于務(wù)川縣省道，該邊坡區(qū)屬構(gòu)造中低山剝蝕侵蝕斜坡地貌，路段橫穿舌形山脊，植被較發(fā)育?；滤幮逼聟^(qū)覆蓋層為第四系崩塌積塊石土（Qc）、殘坡積層粘土（Qel+dl）、殘坡積層粘土夾碎石（Qel+dl），下伏基巖為二疊系下統(tǒng)茅口組（P1m）灰?guī)r、二疊系下統(tǒng)梁上組（P1l）炭質(zhì)頁(yè)巖夾煤層、中生界志留系中上統(tǒng)韓家店群（S2-3hn）灰色泥巖局部夾泥灰?guī)r。研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜多樣，以北北東向和北東向多字型構(gòu)造為主。該邊坡區(qū)無(wú)斷層通過(guò)，地層穩(wěn)定，巖性單一，巖體呈單斜產(chǎn)出，巖層產(chǎn)狀119°∠61°。

地表水系不發(fā)育，坡面無(wú)永久性水體，大氣降水呈散流狀向坡腳溝谷低洼處排流。受地層巖性、構(gòu)造控制，地下水賦存條件簡(jiǎn)單。地下水類型主要為灰?guī)r不均一的管道水、泥灰?guī)r基巖裂隙水，其次為覆蓋層孔隙水。地下水主要接受大氣降水補(bǔ)給，其逕流受地形、巖性等因素控制，多以泉的形式在地勢(shì)低洼溝谷陡坎分散排泄，動(dòng)態(tài)變化相對(duì)較大。

2 滑坡基本特征及成因

2.1 滑坡基本特征

滑坡前緣高程600m，滑坡后緣高程650，高差約50m。斜坡坡向318°，巖層產(chǎn)狀119°∠61°，為逆向坡。整個(gè)區(qū)域地勢(shì)東南高，西北低，滑坡形態(tài)上呈“月牙”形狀，滑向318°，面積約為5765.68m2，滑坡厚度約3.2～15.2m，滑坡體積約5.7×104m3，主滑方向312°，滑坡整體為一小型堆積層滑坡?；聦?duì)公路造成嚴(yán)重的威脅，急需治理?；鹿こ唐矫鎴D和滑坡1-1′剖面圖如圖1—2 所示。

圖1 滑坡工程平面圖

圖2 滑坡1-1′剖面圖

2.2 滑坡物質(zhì)組成

滑體：滑塌部分主要為堆積體塊石土，灰色，塊石成分以灰?guī)r為主，塊石含量約70%～80%，次棱角狀，部分為鈣質(zhì)膠結(jié)，結(jié)構(gòu)密實(shí)，承載力低，厚3.2～15.2m。

滑帶：根據(jù)滑坡裂縫及鉆孔資料，以及剪出口滑塌現(xiàn)場(chǎng)，判定滑面碎塊石軟弱層，潛在滑面為土巖界面。

滑床：包括二疊系下統(tǒng)矛口組（P1m）中厚—厚層狀灰色灰?guī)r、二疊系下統(tǒng)梁上組（P1l）灰黑色炭質(zhì)頁(yè)巖夾煤層和中生界志留系中上統(tǒng)韓家店群（S2-3hn）紫紅色、灰褐色泥巖巖層產(chǎn)狀119°∠61°，為逆向坡。

2.3 滑坡形成機(jī)理

根據(jù)滑坡調(diào)查結(jié)合鉆探等綜合勘察結(jié)果，滑坡物質(zhì)構(gòu)成主要為堆積體塊石土，塊石成分以灰?guī)r為主，塊石含量約70%～80%，次棱角狀，結(jié)構(gòu)密實(shí)?；庐a(chǎn)生的主要原因?yàn)樯?、下路基的全面開(kāi)挖破壞了斜坡的力學(xué)平衡狀態(tài)，本路段為高陡單向坡、坡高；坡度40～52°，上部基巖裸露，下部塊石土堆積，厚度大，透水性好，地表水從邊坡后緣滲入滑坡體，堆積層重度增大，土巖界面塊石土遇水泥化抗剪強(qiáng)度降低；下部擋墻施工切腳，上部坡體失去抵力，引發(fā)滑坡。

3 基于MIDAS/GTS 的滑坡穩(wěn)定性分析

3.1 模型概況

模型的邊界范圍根據(jù)邊坡的整體情況確定，X 軸方向長(zhǎng)150m，Y 軸方向?qū)?75m，Z 軸方向高190m，該模型根據(jù)地勘數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)較為真實(shí)模擬了滑坡地帶及周圍部分巖土體。其中邊坡表面借助MIDAS GTS NX 程序中的地形生成器利用已有實(shí)測(cè)地形等高線生成了地表部分，巖土層則包含塊石土、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化灰?guī)r、中風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖以及煤層一共6 種巖性。

模型采用四面體、六面體混合單元，將數(shù)值模型劃分為29216 個(gè)節(jié)點(diǎn)和39106 個(gè)單元。選取計(jì)算屈服準(zhǔn)則為 Mohr-Coulumb 屈服準(zhǔn)則，本構(gòu)模型為摩爾庫(kù)倫模型。所建立的模型如圖3 所示。

圖3 滑坡三維模型圖

3.2 邊界條件

計(jì)算模型除坡面設(shè)為自由邊界外，模型底部設(shè)為固定約束邊界，模型四周設(shè)為單向邊界。在初始條件中，不考慮構(gòu)造應(yīng)力（現(xiàn)場(chǎng)溝谷切割，認(rèn)為構(gòu)造應(yīng)力已得到釋放），僅考慮自重應(yīng)力作用下的初始應(yīng)力。即在程序中采用位移邊界條件，即模型的左右（x 方向）邊界、前后（y 方向）邊界和底邊界均施加速度約束條件，上邊界為自由邊界。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1 位移分析

從位移云圖來(lái)看（圖4），位移主要集中在巖土接觸面以上，位移最大值為32cm，分位于滑坡后緣的巖土分界面處的坡面上，在邊坡兩側(cè)表層土體位移較大，主要是由于在坡體兩側(cè)（腰部）多面凌空，約束小，位移較大。

圖4 剖面位移云圖

3.3.2 剪應(yīng)變?cè)隽糠治?/p>

從最大剪切應(yīng)變?cè)茍D（圖5）可以明顯看出，剪應(yīng)變范圍主要出現(xiàn)在巖土接觸面以上。除邊坡四周的表層土體以外（此處剪應(yīng)變?cè)隽枯^大主要是坡體兩側(cè)多面凌空，約束小，邊坡的三維效應(yīng)明顯），巖土接觸面的剪應(yīng)變?cè)隽渴亲畲蟮?，但目前并沒(méi)有貫穿整個(gè)滑坡體，處于較為軟弱的狀態(tài)，為潛在的滑動(dòng)面，邊坡處于極限平衡蠕動(dòng)階段。

圖5 剖面剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

3.3.3 應(yīng)力分析

邊坡應(yīng)力場(chǎng)特征，MIDAS/GTS 應(yīng)用有限差分法原理可以給出邊坡內(nèi)部應(yīng)力的變化，得出應(yīng)力分布云圖（圖6），本文分析的是典型的斜面邊坡，邊坡的自重應(yīng)力場(chǎng)起主導(dǎo)作用。邊坡的應(yīng)力分布是隨著坡形發(fā)生變化的，從圖6 可以看出邊坡的應(yīng)力分布情況，圖中左側(cè)不同的顏色表示應(yīng)力在一定數(shù)值范圍內(nèi)的變化。正數(shù)為拉應(yīng)力。負(fù)數(shù)為壓應(yīng)力。在坡頂、巖土接觸面、坡腳出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，坡頂應(yīng)力集中主要是由于卸荷造成。坡腳應(yīng)力集中區(qū)是由于在坡體表面因卸荷原因?qū)е滦逗煞较驊?yīng)力減少，這樣最小主應(yīng)力在表面處變?yōu)榱闵踔赁D(zhuǎn)換為拉應(yīng)力，故在坡角存在較大的應(yīng)力差，容易形成剪應(yīng)力增高帶，使得坡腳的剪應(yīng)力集中。在巖土界面以上，由于協(xié)調(diào)變形導(dǎo)致主應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)，使得豎向受壓，橫向受拉，很容易產(chǎn)生拉裂縫和壓致拉裂縫。

圖6 最大主應(yīng)力云圖

3.3.4 穩(wěn)定安全系數(shù)

基于MIDAS/GTS 三維有限差分軟件中強(qiáng)度折減法來(lái)求解邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù)，邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.045（圖4），處于極限平衡蠕動(dòng)階段，必須對(duì)邊坡進(jìn)行防護(hù)處理。

3.4 評(píng)價(jià)方法對(duì)比分析

MIDAS 三維邊坡穩(wěn)定性分析方法將傳統(tǒng)的平面應(yīng)變分析方法拓展到三維空間中，可以模擬邊坡的漸進(jìn)性破壞過(guò)程，得到任意位置的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等信息，使得分析的結(jié)果更加直觀。與傳統(tǒng)的分析方法相比，其優(yōu)勢(shì)明顯，特別在分析邊坡漸進(jìn)性破壞過(guò)程和變形特性上。給邊坡穩(wěn)定性分析方法研究提供新思路。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)省道公路某滑坡形成機(jī)制進(jìn)行分析和穩(wěn)定性計(jì)算，可以得到以下結(jié)論：

（1）滑坡主要為一小型牽引式堆積層滑坡，受公路修建開(kāi)挖左右影響形成，滑面為碎塊石軟弱層，潛在滑面為土巖界面；

（2）省道公路某邊坡主要由碎石土覆蓋層、強(qiáng)風(fēng)化泥巖和灰?guī)r構(gòu)成，坡體較為松散，其自身穩(wěn)定性差?；w物質(zhì)較為松散，遇水易軟化并最終形成滑坡；

（3）通過(guò)采用MIDAS/GTS 三維數(shù)值模擬對(duì)滑坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，結(jié)果表明：滑坡處于極限平衡蠕動(dòng)階段，需要采取合理的工程治理措施，否則隨著時(shí)間推移，在不利因素的綜合影響下，有可能滑坡滑動(dòng)面全部貫通，從而導(dǎo)致滑坡體發(fā)生整體滑移變形，造成人的生命和財(cái)產(chǎn)安全損失。