劉筑縈

(貴陽(yáng)觀山湖投資(集團(tuán))有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

順層巖質(zhì)滑坡的控制性滑面以軟弱夾層或?qū)娱g軟弱帶最為常見[1]；其觸發(fā)因素多為降雨或地下水等水力因素[2]。一般孕滑、致災(zāi)機(jī)理：受地下水長(zhǎng)期作用，泥巖等軟巖被軟化成軟弱層，在坡體自重作用下，軟弱層及其上覆較硬巖產(chǎn)生差異蠕變，表現(xiàn)為軟巖發(fā)生塑性變形，同時(shí)硬巖發(fā)生脆性破裂形成數(shù)條由軟弱層貫通至地表的拉張裂隙[2]。在強(qiáng)降雨作用下，雨水滲入這些裂隙形成水柱，當(dāng)某條裂隙內(nèi)的水柱高度達(dá)到臨界值后，推動(dòng)該裂隙前部坡體發(fā)生順層滑動(dòng)。該類滑坡坡體拉張裂隙的形成、擴(kuò)展和貫通是一個(gè)緩慢的過程，在該過程中坡體往往被貫通的張裂隙切割成多個(gè)塊體，其發(fā)生失穩(wěn)破壞往往是在某次強(qiáng)降雨過程中短時(shí)間內(nèi)改變了坡體內(nèi)的水力學(xué)環(huán)境，呈現(xiàn)多級(jí)滑動(dòng)的特點(diǎn)。因這類滑坡多具有突發(fā)性和隱蔽性，災(zāi)前難以預(yù)防，致災(zāi)后果嚴(yán)重，災(zāi)后治理困難，且存在復(fù)活的可能性[3]。另外在特殊情況中，因?yàn)殚_挖導(dǎo)致臨空面的形成，抗滑力減弱，斜坡上的巖體可能沿著某一軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生向下的滑移，也會(huì)形成順層滑坡。

劉軍等[4-5]認(rèn)為，順層巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)主要是由于地下水物理化學(xué)作用軟化了滑帶巖土，致使其剛度比降低，繼而發(fā)生失穩(wěn)；夏開宗等[6-8]認(rèn)為，地下水的水力作用是順層巖質(zhì)滑坡的主要誘發(fā)因素，給出了后緣張裂隙臨界充水高度的滑坡失穩(wěn)判別依據(jù)。另外，眾多學(xué)者[9-11]采用UDEC對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了仿真模擬及分析。

本文以某高速公路匝道右側(cè)塹坡順層滑坡為研究基礎(chǔ)，基于地勘資料及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，利用計(jì)算軟件UDEC對(duì)其施工期穩(wěn)定性開展仿真分析，并探討開挖效應(yīng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

1 工程概況

高速公路右側(cè)路基設(shè)計(jì)為塹坡，有鄉(xiāng)村碎石路可通往場(chǎng)區(qū)附近，交通較便利。路線經(jīng)過山體斜坡至坡頂?shù)囟危杀毕蚰匣⌒握共?。該段左?cè)為路堤，右側(cè)邊坡設(shè)計(jì)為4級(jí)邊坡，局部5級(jí)邊坡。

滑坡體沿線路方向長(zhǎng)度約為235.0 m，滑動(dòng)方向最大長(zhǎng)度約為89.5 m，平均厚度9.0 m，滑坡性質(zhì)為順層邊坡巖層滑動(dòng)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查，邊坡巖層大部分傾向路線一側(cè)，呈上陡下緩狀態(tài)。

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，滑坡體自上而下分為3個(gè)部分：①上部不穩(wěn)定危巖體。該部分為此次滑坡滑動(dòng)后殘留于邊坡頂部塊體，其厚度約為6.0 m，沿滑動(dòng)方向長(zhǎng)度最大約為25 m，每延米最大滑體體積約為90 m3，底部相對(duì)標(biāo)高為70 m，高懸于潛在滑動(dòng)面上。②中部穩(wěn)定滑床。該部分為此次滑坡發(fā)生后的出現(xiàn)的新鮮滑面，巖體完整性較好，節(jié)理裂隙不發(fā)育，中部?jī)H出現(xiàn)一級(jí)斷裂臺(tái)階，厚度約為2 m，滑動(dòng)面平均坡率約為1.00∶1.25，傾角約為39°。③下部堆積體。該部分為此次滑坡巖體破碎滑動(dòng)后的堆積物，大量堆積于開挖形成的路基邊坡范圍內(nèi)，堆積體厚度和體積不明。由于下部堆積體范圍不明，下部滑塌堆積處處置設(shè)計(jì)待邊坡開挖后進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。

邊坡滑坡前后外觀如圖1所示。

圖1 邊坡滑坡前后外觀Fig.1 Appearance of slope before and after landslide

1.1 自然地理

1.1.1 地形地貌

該路段處于溶蝕型峰叢巖溶洼地谷地地貌，橢圓狀山丘東側(cè)山坡，地形起伏較大，路線經(jīng)過山體斜坡地段呈弧形展布，線路左側(cè)約40 m坡底有1條鄉(xiāng)村碎石路。地面高程總體由右向左逐漸減低，邊坡路段最高位于路線右側(cè)山頂，高程+707.4 m，最低位于路線左側(cè)坡底洼地，高程+525.3 m，相對(duì)高差約182.1 m。

滑坡后，鑒于滑坡為順層邊坡巖層滑動(dòng)，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，整體邊坡仍呈上陡下緩狀態(tài)，邊坡上部存在滑坡滑動(dòng)后殘留于邊坡頂部的不穩(wěn)定危巖體，中部為較為穩(wěn)定滑床，下部為巖層滑坡巖體破碎后的堆積物，大量堆積于開挖形成的路基邊坡范圍內(nèi)，堆積體厚度和體積不明。

滑坡典型工程地質(zhì)橫斷面如圖2所示。

圖2 滑坡典型工程地質(zhì)橫斷面Fig.2 Typical engineering geological cross section of landslide

1.1.2 水文、氣候

土地利用類型的重心遷移是區(qū)域土地利用空間變化的總體特征，通過對(duì)研究期初和期末各種土地利用類型的分布重心進(jìn)行比較，將重心的轉(zhuǎn)移方向、轉(zhuǎn)移距離與轉(zhuǎn)移區(qū)域的自然條件與社會(huì)人文條件相關(guān)聯(lián)，可在一定程度上反映土地利用的總體變化趨勢(shì)和空間格局變化規(guī)律，可以為合理配置土地資源、土地利用變化的驅(qū)動(dòng)力及演替規(guī)律分析提供支持。

塹坡所在地為中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。氣溫分布的趨勢(shì)是南高北低。嚴(yán)寒期較短，春夏季節(jié)降雨量較多，夏末秋后時(shí)期多旱，具有獨(dú)特的山區(qū)立體氣候，降水主要集中在夏季。冬季降水量少；秋季降水量占15%左右；春季降水量約占全年雨量的30%左右。屬于多雨地區(qū)之一。

1.2 工程地質(zhì)概況

1.2.1 地層巖性

滑坡過后，邊坡表層巖體裸露，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)滑坡揭露顯示，邊坡表層巖土為紅褐色黏土，整個(gè)揭露滑坡面均存在，含水率低，可塑性強(qiáng)，含少量灰?guī)r角礫，并對(duì)下伏基巖存在一定程度的侵染。下伏基巖主要為中風(fēng)化灰?guī)r，青灰色，中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較完整，巖質(zhì)較硬。坡頂植被茂盛，為多年生草本植物、小型灌木叢及小型喬木，坡頂為自然緩坡。

1.2.2 巖土構(gòu)成

依據(jù)該邊坡設(shè)計(jì)說明，該邊坡處地表水及地下水情況如下所示。

(1)地表水。場(chǎng)區(qū)地表水不發(fā)育，主要為大氣降水匯成的地表沖溝流水，水量少且受季節(jié)影響而變化。

(2)地下水。地下水主要為孔隙水與巖溶裂隙水。其中，孔隙水主要賦存于坡殘積土層中，含水層厚度較小，其富水性、透水性較弱，水量貧乏，受大氣降水補(bǔ)給，以蒸發(fā)、順坡徑流或垂直滲入基巖裂隙的形式進(jìn)行排泄；巖溶裂隙水，主要賦存于巖溶裂隙中，受補(bǔ)給條件限制，地下水富水性總體較弱，在地形較低的溝谷地帶排泄。

工程地質(zhì)情況(巖體較完整)如圖3所示。

圖3 工程地質(zhì)情況(巖體較完整)Fig.3 Engineering geology (relatively complete rock mass)

2 滑坡機(jī)制與抗剪強(qiáng)度參數(shù)反演分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)滑動(dòng)面和原設(shè)計(jì)邊坡開挖線確定本次滑坡滑體如圖4所示。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘分析，邊坡開挖范圍內(nèi)主要為中風(fēng)化灰?guī)r，滑動(dòng)面為灰?guī)r間結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面含泥，由于滑動(dòng)面清晰，該邊坡穩(wěn)定性分析選取典型橫斷面進(jìn)行分析，結(jié)合反演分析，初步擬定巖土體設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

圖4 實(shí)測(cè)滑體斷面Fig.4 Cross section of measured sliding mass

表1 巖土層設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)值Tab.1 Design values of geotechnical design parameters

3 風(fēng)化巖節(jié)理邊坡順層滑坡穩(wěn)定性分析

3.1 模型建立和材料參數(shù)

以MK0+220 m段挖方邊坡為分析對(duì)象，利用UDEC進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性仿真分析。計(jì)算采用Mohr-Coulomb節(jié)理本構(gòu)模型采用相對(duì)合理的面接觸滑動(dòng)模型，UDEC計(jì)算模型如圖5所示。

圖5 風(fēng)化巖節(jié)理邊坡概化模型Fig.6 Generalized model of weathered rock jointed slope

結(jié)合地質(zhì)調(diào)研和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得到巖土和節(jié)理的主要物理力學(xué)參數(shù)見表2。節(jié)理的主要物理力學(xué)參數(shù)：內(nèi)摩擦角為30°，黏聚力為20kPa，法向剛度為2 000 MPa/m，切向剛度為1 500 MPa/m。邊坡第3級(jí)開挖時(shí)，由于降雨影響，實(shí)測(cè)節(jié)理的主要物理力學(xué)參數(shù)降低為內(nèi)摩擦角為25°，黏聚力為10 kPa。

表2 巖土物理力學(xué)參數(shù)Tab.2 Geotechnical physical and mechanical parameters

3.2 開挖效應(yīng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響

原施工圖工點(diǎn)設(shè)計(jì)樁號(hào)為MK0+165 m—MK0+400 m，長(zhǎng)度235 m，挖方最大邊坡高度46.6 m。邊坡采用臺(tái)階式開挖模式：在圖6模型基礎(chǔ)上，自上而下按原設(shè)計(jì)1.00∶0.75、1.00∶0.75、1.00∶0.75坡率分級(jí)開挖邊坡，每級(jí)間平臺(tái)寬均為2 m。在圖6模型基礎(chǔ)上，利用UDEC計(jì)算開挖效應(yīng)下邊坡穩(wěn)定性，獲得開挖完成后邊坡的安全系數(shù)與邊坡應(yīng)力場(chǎng)，如圖6—圖9所示。從圖9可知，在開挖第3級(jí)邊坡時(shí)，在強(qiáng)降雨的誘發(fā)下導(dǎo)致了該滑坡的發(fā)生。

圖6 邊坡原始狀態(tài)安全系數(shù)與應(yīng)力場(chǎng)Fig.6 Safety factor and stress field of slope in original state

圖7 邊坡一級(jí)開挖后安全系數(shù)與應(yīng)變場(chǎng)Fig.7 Safety factor and strain field of slope after primary excavation

圖8 邊坡二級(jí)開挖后安全系數(shù)與應(yīng)變場(chǎng)Fig.8 Safety factor and strain field of slope after secondary excavation

圖9 邊坡三級(jí)開挖后安全系數(shù)與應(yīng)變場(chǎng)Fig.9 Safety factor and strain field of slope after three-stage excavation

以上的分析結(jié)果顯示邊坡在開挖過程中，安全系數(shù)變化過程：1.14、1.06、1.01、0.87，在第2級(jí)開挖中安全系數(shù)非常接近1。在第3級(jí)開挖過程中由于開挖設(shè)計(jì)與降雨的影響導(dǎo)致邊坡安全系數(shù)小于1，即邊坡失穩(wěn)。為監(jiān)測(cè)開挖效應(yīng)對(duì)邊坡變形的影響和范圍，用UDEC分析邊坡的穩(wěn)定系數(shù)同時(shí)繪制邊坡的位移圖，如圖10所示。

從圖10可以看出，邊坡上半部處塊體向背離坡體發(fā)生滑坡與施工現(xiàn)場(chǎng)滑坡情況相一致。UDEC計(jì)算結(jié)果顯示，開挖施工在第2級(jí)開挖時(shí)對(duì)表破就產(chǎn)生了不利影響，在第3級(jí)開挖同時(shí)由于降雨的影響導(dǎo)致邊坡軟化最終導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。

3.3 風(fēng)化巖節(jié)理邊坡順層滑坡處治設(shè)計(jì)

結(jié)合UDEC仿真分析結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)邊坡施工提出以下建議：①加強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性分析并細(xì)化設(shè)計(jì)；②根據(jù)邊坡開挖施工過程仿真分析結(jié)果，同時(shí)考慮到邊坡巖體破碎結(jié)合性差，邊坡開挖前建議先進(jìn)行清表，清除表面松散巖土體和碎石，防止落石和淺表層土體滑移，保證施工安全；③考慮到邊坡巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，建議采用錨索框架梁加強(qiáng)防護(hù)，邊坡穩(wěn)定性受降雨入滲影響較大，建議完善地表截排水措施；④由于場(chǎng)區(qū)地質(zhì)條件的復(fù)雜性，施工中出現(xiàn)新的地質(zhì)情況或地質(zhì)異常，應(yīng)及時(shí)與設(shè)計(jì)單位聯(lián)系。

4 結(jié)論

該高速公路邊坡節(jié)理發(fā)育，巖體較破碎，在施工擾動(dòng)、爆破震動(dòng)、降雨等作用下，沿巖層面發(fā)生順層滑坡。因此，基于離散元軟件UDEC對(duì)該邊坡進(jìn)行了數(shù)值分析。

(1)邊坡分級(jí)開挖對(duì)淺層巖體的影響較大，對(duì)深層巖體的應(yīng)力分布影響較小。

(2)UDEC穩(wěn)定性分析顯示，分級(jí)開挖導(dǎo)致邊坡的安全系數(shù)降低，第3級(jí)開挖與降雨致使邊坡抗剪參數(shù)降低，導(dǎo)致邊坡的失穩(wěn)。離散元軟件UDEC分析失穩(wěn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)滑坡情況基本一致，這同時(shí)也證實(shí)離散元軟件的準(zhǔn)確性。

(3)根據(jù)UDEC模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)情況現(xiàn)場(chǎng)施工：①開挖前首先清除危巖體；②建議采取錨索框架梁進(jìn)行防護(hù)；③做好邊坡排水設(shè)計(jì)并加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。