綠春縣松東河填土邊坡的穩(wěn)定性分析

高伏芳，徐世光，屠水云，陳玉波

（1.云南南方地勘工程有限公司，云南 大理 671000；2.昆明理工大學(xué) 公共安全與應(yīng)急管理學(xué)院，云南 昆明 650093；3.云南地礦工程勘察集團公司，云南 昆明 650032）

隨著科技的進步，西部高原地區(qū)的自然地質(zhì)災(zāi)害得到了科學(xué)分析與防治。其中，填方邊坡[1]問題尤為突出。填方邊坡物質(zhì)組成復(fù)雜，結(jié)構(gòu)松散，塊石分布不均，透水性強，粒間接合力弱，其巖土體物理力學(xué)性質(zhì)和一般邊坡有所不同。國內(nèi)目前對填方邊坡穩(wěn)定性及變形破壞[2、3]的研究，主要集中在兩個方面：—是填土參數(shù)、壓實度[4]、填方形態(tài)、施工工藝等對填方邊坡穩(wěn)定性的影響；二是在考慮降雨[4-6]、地下水和地震等的條件下填方邊坡的穩(wěn)定性。本文以綠春縣松東河的填方邊坡為例，從二維[1]角度分析填方邊坡的穩(wěn)定性。

1 工程背景

研究區(qū)位于綠春縣城以西約3km 處，占地面積1.56平方公里。地處松東河上游，地勢東高西低，三面環(huán)山。松東河向東延伸進入研究區(qū)后分為3 條支溝（G1、G2、G3）呈樹枝狀發(fā)育，溝谷下切側(cè)蝕強烈。地層巖性為灰、深灰色漂卵石、砂礫石，其間夾粗砂、粉砂層。溝水暴漲暴落，平均流量0.5～0.8m3/s，暴雨季流量可增至數(shù)十倍。

填土邊坡共為17 級，總高79m，每級坡高5m，坡比1:2.5，每級坡之間設(shè)置4m 寬馬道，中部設(shè)置三個20m 寬平臺。場地內(nèi)填方邊坡位于G1 支溝槽內(nèi)，共有14 級，總高90m，每級坡高6m，坡比1:1.5，邊坡之間為50m 寬的平臺，呈北西南東走向。

2 分析方法及參數(shù)選取

2.1 分析方法

2.1.1 Flac3D

本次填方邊坡穩(wěn)定性分析采用數(shù)值模擬方法進行，采用二維快速拉格朗日法[7、8]進行。采用了顯式有限差分格式來求解控制微分方程，并應(yīng)用了混合單元離散模型，可以準(zhǔn)確地模擬材料的屈服、塑性流動、軟化直至大變形，尤其在材料的彈塑性分析、大變形分析以及模擬施工過程等領(lǐng)域有獨到的優(yōu)點。

2.1.2 極限平衡法

極限平衡法[9、10]填方平臺的不同坡比穩(wěn)定性驗算，采用理正軟件進行，它可以對巖土工程的內(nèi)力、變形、穩(wěn)定性等多種方面進行準(zhǔn)確分析。假設(shè)潛在滑面，將假設(shè)滑坡體劃分成若干條塊，建立力矩平衡，給出抗滑力(力矩)與下滑力(力矩)的關(guān)系式求出安全系數(shù)。

2.2 參數(shù)的選取

經(jīng)過分析邊坡各個因素情況，本次評價計算選用兩種工況來分別研究：

①天然狀態(tài)工況；②持續(xù)暴雨狀態(tài)工況。

本次計算所需要的物理力學(xué)參數(shù)的選取采用室內(nèi)、外及時模擬及填方壓實試驗，具體取值如（表1、2）。

表1 天然狀態(tài)巖土層物理力學(xué)參數(shù)

表2 飽和狀態(tài)巖土層物理力學(xué)參數(shù)

3 模擬及驗證分析

3.1 Flac3D 二維剖面穩(wěn)定性分析

剖面位置見圖1，1-1 剖面，方向71°，模型寬度600，底部高程1424m 起，如（圖1）。

圖1 挖填方各剖面位置示意圖

3.1.1 松東河填方平臺穩(wěn)定性分析

天然狀態(tài)下松東河填方邊坡的最大位移量集中在邊坡后緣為4.5—4.9mm，只在邊坡后緣有局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，天然狀態(tài)下松東河填方邊坡整體較穩(wěn)，如（圖2、3）。

圖2 填方邊坡天然狀態(tài)最大位移量云圖

圖3 松東河填方降雨狀態(tài)最大位移量云圖

降雨狀態(tài)下的最大位移量為3—3.5cm，且最大位移量集中在松東河填方邊坡1624 大平臺的位置。

降雨影響下剪應(yīng)變增量較大區(qū)域出現(xiàn)在松東河填方邊坡后緣。剪應(yīng)變越大說明越容易破壞，即邊坡中后緣為危險部位，此區(qū)域較容易發(fā)生剪切破壞，即潛在邊坡失穩(wěn)滑動面位置，在此沿滑動面以上巖土體都有可能出現(xiàn)滑移。

3.1.2 場地內(nèi)填方邊坡

3.1.2.1 天然狀態(tài)下的場地內(nèi)填方邊坡：

天然狀態(tài)下場地內(nèi)填方邊坡的最大位移量集中在邊坡后緣為2.25—2.27mm。邊坡后緣部分平臺出現(xiàn)應(yīng)力集中，如（圖4）。

圖4 場地內(nèi)邊坡天然狀態(tài)最大位移量云圖

3.1.2.2 降雨狀態(tài)下的松東河場內(nèi)填方邊坡：

邊坡主要為壓應(yīng)力，只在填方平臺中上部至后緣地帶出現(xiàn)了局部拉應(yīng)力集中，最大位移量為5.5—5.85cm，且最大位移量集中在場地內(nèi)填方邊坡后緣，如（圖5）。

圖5 場地內(nèi)邊坡降雨狀態(tài)最大位移量云圖

3.2 極限平衡法的驗算

本次運用理正進行驗算，指定出相應(yīng)的滑面，據(jù)（表1、2）地層相關(guān)物理力學(xué)指標(biāo)計算可知：

（1）天然工況下松東河填方邊坡與場地內(nèi)填方邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.159、1.203，處于穩(wěn)定狀態(tài)，如(圖6、7)。

圖6 松東河邊坡天然工況穩(wěn)定系數(shù)

圖7 場地內(nèi)邊坡天然工況穩(wěn)定系數(shù)

（2）暴雨工況下松東河填方邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.077，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；場地內(nèi)填方邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.004，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，如（圖8、9）。

圖8 松東河邊坡降雨工況穩(wěn)定系數(shù)

圖9 場地內(nèi)邊坡降雨工況穩(wěn)定系數(shù)

4 穩(wěn)定性分析結(jié)果

在天然狀態(tài)下填方邊坡整體呈穩(wěn)定狀態(tài)；而在持續(xù)暴雨工況下填方邊坡為基本穩(wěn)定和欠穩(wěn)定狀態(tài)，見(表3）。

表3 滑坡穩(wěn)定性計算結(jié)果表

5 結(jié)論

本文以綠春縣松東河為例，采用極限平衡和數(shù)值模擬分析相互驗證的手段對研究區(qū)進行穩(wěn)定性研究，得出以下結(jié)論：

（1）通過Flac3D 三維的分析，填土對斜坡的銜接部位和場內(nèi)填方邊坡后緣穩(wěn)定性影響大。

（2）在Flac3D 二維1-1 剖面分析中，暴雨狀態(tài)工況下松東河填方邊坡和場內(nèi)填方邊坡的位移量從毫米級達到了厘米級。

（3）極限平衡法驗證了暴雨狀態(tài)工況下，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，和數(shù)值模擬有效吻合，邊坡可能會出現(xiàn)失穩(wěn)狀況。