某引水隧洞洞口滑坡成因機(jī)制二維離散元數(shù)值模擬研究

文章根據(jù)某引水隧洞洞口斜坡的工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，結(jié)合滑坡變形特征情況分析，總結(jié)了影響該變形的主要因素和地質(zhì)演化過程，并運(yùn)用數(shù)值模擬方法驗(yàn)證了滑坡變形破壞的成因機(jī)制。研究表明：該斜坡不良的臨空條件和多組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面組合是變形的內(nèi)在因素，而洞內(nèi)涌水、大氣降雨是誘發(fā)并加劇坡體變形發(fā)展及失穩(wěn)破壞的主要外在因素；變形演化過程可分為底部壓縮、蠕滑變形→上部傾倒拉裂→整體滑移失穩(wěn)三個(gè)階段。

隧洞口斜坡；影響因素；數(shù)值模擬

U453.1A250804

基金項(xiàng)目：

廣西重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行補(bǔ)助項(xiàng)目“2021年度廣西中國—東盟綜合交通國際聯(lián)合重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行補(bǔ)助項(xiàng)目”（編號(hào)：21-220-21）；南寧市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目“交通基礎(chǔ)設(shè)施智能運(yùn)維及健康監(jiān)測平臺(tái)”（編號(hào)：20223230）

作者簡介：

張?zhí)m芳（1983—），碩士，高級(jí)工程師，主要從事交通運(yùn)輸規(guī)劃設(shè)計(jì)工作。

0" 引言

隧洞工程洞口段一般處于地表水侵蝕嚴(yán)重、風(fēng)化裂隙比較發(fā)育的斜坡面上，加上在洞口段隧道的埋深往往較淺，結(jié)構(gòu)上部巖土體難以形成承載拱，所以洞口仰坡地表坡面容易受拉開裂，若地表水順裂縫侵入，其穩(wěn)定性就很難得到保證［1］。因此，洞口段斜坡的穩(wěn)定性是隧洞設(shè)計(jì)和施工時(shí)必須認(rèn)真對(duì)待的問題［2-8］。

由于隧洞口段滑坡的成因機(jī)理與所處區(qū)域的工程地質(zhì)條件、洞門結(jié)構(gòu)形式，以及洞口段的施工方法等眾多因素有關(guān)，而單純依靠傳統(tǒng)的工程地質(zhì)分析和斜坡計(jì)算理論不足以開展隧洞口滑坡的成因機(jī)制研究，所以需要將傳統(tǒng)的工程地質(zhì)分析方法與數(shù)值模擬方法進(jìn)行有效結(jié)合才能解決這一問題［9-10］。

本文選取某引水隧洞洞口滑坡作為地質(zhì)原型，在詳細(xì)掌握其工程地質(zhì)條件和變形特征的基礎(chǔ)上，建立地質(zhì)模型，分析了該滑坡的變形破壞過程和成因機(jī)制，為類似斜坡的研究提供了有益借鑒。

1" 滑坡基本特征和成因機(jī)制

1.1" 斜坡基本特征

隧洞洞口高程＞1 080 m的斜坡坡度較陡，平均＞60°，高程＜1 080 m的斜坡坡度較緩，平均在10°～30°，其上游側(cè)發(fā)育有一規(guī)模較大的沖溝，常年有流水，沖溝寬度為20～40 m，深度為10～20 m，而下游側(cè)沖溝較平緩，切割深度較淺，地下水主要以基巖裂隙水和松散堆積層孔隙水為主（見圖1）。

斜坡坡表覆蓋有3～4 m厚的松散殘坡積物，基巖為不同風(fēng)化程度的片麻巖，產(chǎn)狀為NE39°NW∠39°。該區(qū)域性斷裂構(gòu)造不發(fā)育但有小規(guī)模斷層，隨機(jī)分布的蝕變帶、節(jié)理、裂隙較發(fā)育，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)共發(fā)育9組對(duì)滑坡起控制性作用的小斷層、蝕變帶、節(jié)理和裂隙（見圖2、表1）。

1.2" 滑坡變形破壞特征

洞口滑坡平面形態(tài)呈不規(guī)則的梯形，前緣高程1 080 m，后緣高程1 110 m，相對(duì)高差94 m，縱向長90 m，橫向長約51 m，平均坡度＞60°，滑動(dòng)方向SW230°，勘察資料揭示其體積約為64 220 m3。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，滑坡上部邊界為F1斷層、J1組陡傾裂隙，其中F1斷層是該側(cè)邊界的控制面；下游側(cè)邊界為與隧洞軸線近平行或小銳角度相交的陡傾裂隙組（J2），為控制變形坡體后緣邊界的結(jié)構(gòu)面，呈階梯狀追蹤破壞的特點(diǎn)；下部（前緣底滑面）控制面為片麻理蝕變帶，自上而下依次為FJ5、FJ4、FJ3、FJ1和FJ2（底滑面），其中FJ2為最底部控制面；上游側(cè)以流水沖溝為邊界，順溝長度約為38 m。

某引水隧洞洞口滑坡成因機(jī)制二維離散元數(shù)值模擬研究/張?zhí)m芳，吳龍科，陳" 超，陳建球

隧洞于2014-02-15開始施工，根據(jù)監(jiān)測資料，該滑坡的變形破壞可分為以下兩個(gè)階段：

（1）第一階段（2014-03-05至2014-06-03）：支洞開挖至0+021.8 m后，洞口附近發(fā)現(xiàn)有微量變形、洞口兩側(cè)局部混凝土鼓脹、裂紋，隧洞5 m以外洞段發(fā)育有1～3 mm的微裂紋；隨著支洞向深部的掘進(jìn)，分別在洞壁兩側(cè)3.5 m、5 m、6 m、10 m、14 m、15 m和20 m等部位相繼發(fā)現(xiàn)拉裂變形。此階段坡體變形量較小，斜坡處于累計(jì)變形階段。

（2）第二階段（2014-06-03至2014-06-06）：該階段變形顯著。6月6日短時(shí)間內(nèi)坡體相對(duì)位移速率發(fā)生突變，從47.4 mm/d變化到416.93 mm/d，呈加速變形特征，并于2014-06-07上午發(fā)生整體塌滑失穩(wěn)。

1.3" 滑坡成因機(jī)制分析

洞口斜坡地形三面臨空，巖體中發(fā)育的不利結(jié)構(gòu)面為變形提供了良好的邊界條件，而洞內(nèi)涌水、大氣降雨是誘發(fā)、加劇坡體變形發(fā)展直至失穩(wěn)塌滑的主要原因，此外開挖擾動(dòng)、爆破振動(dòng)也是影響坡體變形的重要影響因素。該斜坡從變形到失穩(wěn)塌滑的演化可分為三個(gè)階段：底部壓縮、蠕滑變形→上部傾倒拉裂→整體滑移失穩(wěn)（塌滑）［11］。

（1）底部壓縮、蠕滑變形。支洞開挖揭露FJ2～FJ5片麻理蝕變帶，發(fā)生大量涌水后，F(xiàn)J2、FJ1等片麻理蝕變帶飽水、軟化、泥化，強(qiáng)度降低，并在上覆巖土體自重及滲

入坡體內(nèi)水壓力的共同作用發(fā)生壓縮變形，導(dǎo)致洞口斜坡向臨空條件好的上游側(cè)沖溝方向發(fā)生蠕滑變形。

（2）上部巖體傾倒拉裂變形。斜坡沿NW向片麻理方向滑移受阻，使上游側(cè)坡體鼓脹，變形逐漸向沖溝方向（SW）發(fā)展；斜坡頂部巖體沿J1裂隙產(chǎn)生拉裂，形成側(cè)向切割面，并在不同高度沿與洞軸線近平行的NE30°SE∠39°組裂隙追蹤，形成后緣滑移切割面。

（3）整體滑移失穩(wěn)。受連續(xù)降雨及底板流水入滲影響，F(xiàn)J3及其系列片麻理蝕變帶不斷軟化，抗剪參數(shù)降低，底部壓縮變形加劇，并追蹤結(jié)構(gòu)面向臨空方向滑移，最終牽引山脊頂部F1斷層控制的部分強(qiáng)風(fēng)化巖體向洞口方向塌滑，導(dǎo)致洞口向內(nèi)20 m范圍內(nèi)的坡體垮塌。

2" 滑坡成因機(jī)制數(shù)值模擬

2.1" 模型的建立

由于洞口滑坡受斜坡開挖、爆破震動(dòng)、降雨及底板滲流三方面因素的影響，本文將基于滑坡典型剖面，采用UDEC軟件，開展變形過程與機(jī)制的數(shù)值模擬研究（見圖3）。

斜坡各巖土體物理力學(xué)參數(shù)是依據(jù)場區(qū)工程地質(zhì)報(bào)告、相關(guān)規(guī)范和工程類比綜合確定得出（表2）。爆破震動(dòng)的動(dòng)力荷載采用黃麥嶺煤礦采場監(jiān)測的爆破條件下垂直和水平時(shí)程曲線（見下頁圖4、圖5）［12］；降雨及底板滲流的輸入流量均是依據(jù)現(xiàn)場實(shí)際測量結(jié)果獲得。各結(jié)構(gòu)面參數(shù)按表3取值。

2.2" 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1" 開挖及爆破振動(dòng)條件

洞口斜坡開挖條件下，變形量最大為2.2 cm，主要集中在支洞斜坡坡腳及其以上的坡體（見下頁圖6）中，且后緣以F1斷層為變形控制邊界。經(jīng)計(jì)算，爆破震動(dòng)對(duì)斜坡變形的影響也極為有限（見下頁圖7）。

2.2.2" 降雨及地板滲流條件

降雨及底板滲流條件下，初始隙寬、殘余隙寬均取1e～5 m，水的動(dòng)態(tài)黏度為μ=10-3 Pa·s，則UDEC中的節(jié)理滲透系數(shù)的換算式如式（1）所示，在底板滲水之前，斜坡空隙水壓力分布特征與早期勘查的地下水位線基本一致，最大孔隙水壓力為0.82 MPa；在底板滲流作用下，最大孔隙水壓力為0.85 MPa，且孔隙水壓力分布范圍較大，對(duì)底板下部的蝕變帶作用明顯；坡腳部位由于孔隙水壓力的增大、有效應(yīng)力隨之減小；滲流作用下影響的斜坡最大位移達(dá)0.38 m（見圖8～10）。

kj=1/12μ=83.3 Pa-1sec-1（1）

在滲流作用下，不同迭代時(shí)間的位移等值線圖較好地揭示了斜坡由變形到失穩(wěn)的三個(gè)階段（見圖11～16）。其中，當(dāng)變形迭代20 000步時(shí)，坡體表現(xiàn)為蝕變帶部位以壓縮變形為主，最大位移量在開挖坡腳部位達(dá)2.2 m；迭代100 000步時(shí)，斜坡前緣沿蝕變帶的滑移、后緣拉裂變形明顯，前緣坡腳產(chǎn)生滑移破壞，坡頂拉裂縫擴(kuò)展、并沿F1面錯(cuò)動(dòng)；迭代200 000步時(shí)，坡體前緣滑移、頂部拉裂不斷增大，坡體變形繼續(xù)增加、呈整體滑移變形特征；迭代400 000步時(shí)，下部坡體繼續(xù)滑移的同時(shí)頂部塊體產(chǎn)生傾倒式塌滑。最后，隨坡體變形破壞趨于穩(wěn)定，模型逐漸收斂，計(jì)算停止。

3" 結(jié)語

本文基于某引水隧洞洞口滑坡成因機(jī)制的研究，得到以下主要結(jié)論：

（1）斜坡巖體主要發(fā)育9組對(duì)變形起控制性作用的小斷層、蝕變帶、節(jié)理和裂隙。滑坡平面上呈不規(guī)則梯形，滑動(dòng)方向SW230°，上游側(cè)以J1組結(jié)構(gòu)面為切割面，片麻理FJ（FJ1～FJ5）構(gòu)成底部控制面，各控制面均為沿同組系列結(jié)構(gòu)面追蹤呈階梯狀，滑坡體積約為64 220 m3。

（2）斜坡區(qū)不良的臨空條件和結(jié)構(gòu)面組合條件是變形的內(nèi)在因素，洞內(nèi)涌水、大氣降雨是誘發(fā)、加劇坡體變形發(fā)展、失穩(wěn)破壞的主要外在因素，而地表附近的開挖擾動(dòng)、爆破振動(dòng)等的累計(jì)效應(yīng)，也對(duì)變形有一定的影響。

（3）通過成因機(jī)制分析和變形過程數(shù)值模擬試驗(yàn)，揭示了洞口斜坡由變形至失穩(wěn)的演化可分為三個(gè)階段：底部壓縮、蠕滑變形→上部傾倒拉裂→整體滑移失穩(wěn)。

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20240415