王衛(wèi)

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京100083)

堆積層滑坡發(fā)生機(jī)理及防治措施

王衛(wèi)

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京100083)

以梁平高速天寶堆積層滑坡為例，在分析工程地質(zhì)條件和地層巖性的基礎(chǔ)上，采用FLAC3D數(shù)值模擬方法研究工程開(kāi)挖和降雨對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明:堆積層滑坡與工程開(kāi)挖和降雨密切相關(guān);開(kāi)挖較淺時(shí)，滑坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，在開(kāi)挖角附近產(chǎn)生輕微的剪應(yīng)力集中，滑坡后緣裂縫發(fā)生張拉破壞，隨著開(kāi)挖深度的增加，滑坡中部塑性區(qū)沿著滑面逐漸向上延伸并與滑坡后緣張拉裂縫帶貫通，在滑坡前緣牽引作用下中部和后部滑坡體發(fā)生整體失穩(wěn);雨水增加滑坡體重度的同時(shí)降低了滑坡堆積層與基巖接觸面的抗滑能力，上部堆積層在自重作用下發(fā)生蠕滑，并從滑坡前緣擠壓剪出。為了保障萬(wàn)梁高速的順利施工，采取綜合措施對(duì)堆積層滑坡進(jìn)行了整治，工程治理效果良好。

堆積層滑坡 FLAC3D 穩(wěn)定性 工程擾動(dòng) 降雨

堆積層滑坡是指第四系及近代松散堆積層發(fā)生失穩(wěn)的一類(lèi)典型滑坡，具有分布廣泛、爆發(fā)頻率高、持續(xù)危害性大等特點(diǎn)，在我國(guó)滑坡類(lèi)型中占很大比例［1-2］。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，重慶市區(qū)域性堆積層滑坡普遍發(fā)育，僅1998年內(nèi)發(fā)生2 000多處，其中70%的滑坡分布在萬(wàn)州區(qū)和涪陵區(qū)［3］。堆積層滑坡的頻繁發(fā)生，不僅造成了大量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，還對(duì)國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)產(chǎn)生了嚴(yán)重危害。

目前，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)降雨型堆積層滑坡的滑動(dòng)機(jī)制，成因以及滑坡動(dòng)力學(xué)特征等進(jìn)行了大量的研究。賀可強(qiáng)等［4］根據(jù)降雨型堆積層滑坡的巖體物質(zhì)組成特點(diǎn)與位移構(gòu)成特征，建立了滑坡黏彈性位移力學(xué)模型與位移動(dòng)力學(xué)方程，研究表明滑坡位移動(dòng)力學(xué)特征與滑坡地下水變化規(guī)律密切相關(guān)。吳火珍等［5］運(yùn)用非飽和土力學(xué)對(duì)降雨型堆積層滑坡的滑動(dòng)機(jī)制及滑坡原因進(jìn)行了總體概括。陳善雄等［6］在總結(jié)降雨型堆積層滑坡滑動(dòng)特征的基礎(chǔ)上，采用傳遞系數(shù)法研究了堆積層滑坡的穩(wěn)定性。J.L.Zezere等［7］對(duì)597個(gè)侏羅系地層堆積層滑坡的失穩(wěn)原因進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)調(diào)查，結(jié)果表明降雨是堆積層滑坡主要誘發(fā)因素。成國(guó)文等［8］詳細(xì)分析了萬(wàn)州區(qū)近水平地層區(qū)堆積層滑坡的物質(zhì)來(lái)源、結(jié)構(gòu)成因、形成模式以及滑體變形破壞特征，發(fā)現(xiàn)堆積層滑坡主要沿堆積層和基巖接觸面或滑體中部軟弱夾層滑動(dòng)。馬春馳等［9］采用非飽和土滲流分析軟件和巖土應(yīng)力變形軟件對(duì)地下水和開(kāi)挖作用下的堆積層滑坡的滑動(dòng)機(jī)制進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)地下水的滲流是滑坡失穩(wěn)的潛在因素。李元彪［10］在分析堆積層老滑坡病害特征和成因基礎(chǔ)上，研究了路基設(shè)計(jì)位置和開(kāi)挖深度對(duì)老滑坡復(fù)活和規(guī)模的影響。文奎等［11］采用推力傳遞系數(shù)法研究了地下水和邊坡開(kāi)挖作用下滑坡穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)地下水位是滑坡失穩(wěn)的主要因素。賀可強(qiáng)等［12］通過(guò)對(duì)堆積層滑坡的基本物理特征與動(dòng)力學(xué)特征的系統(tǒng)討論和總結(jié)，提出堆積層滑坡治理措施應(yīng)以排水工程、注漿工程和坡形改造為主。綜上所述，前人對(duì)降雨型堆積層滑坡發(fā)生機(jī)制和發(fā)生原因進(jìn)行了大量研究，但對(duì)工程開(kāi)挖和降雨作用下堆積層滑坡發(fā)生機(jī)理的研究相對(duì)較少。

本文以梁平高速公路ZK44+650—ZK45+020段天寶滑坡為例，采用數(shù)值模擬方法分析工程開(kāi)挖和降雨作用下堆積層滑坡的發(fā)生機(jī)理和失穩(wěn)模式，以期為梁平高速公路順利施工和國(guó)內(nèi)外此類(lèi)滑坡的防治提供參考。

1 工程概況

天寶滑坡位于重慶市萬(wàn)州區(qū)孫家鄉(xiāng)天寶村一帶，為梁平高速公路的左坡，如圖1所示。該路段長(zhǎng)為370 m，對(duì)應(yīng)的高速公路里程為ZK44+650—ZK45+ 020，路面設(shè)計(jì)高程為800.6 m。梁平高速在此處以路塹開(kāi)挖形式從滑坡前緣通過(guò)，路塹最大開(kāi)挖深度為9 m。

天寶滑坡位于單斜巖層分布地帶，巖層產(chǎn)狀較穩(wěn)定，一般為150°～165°∠15°～20°，坡面呈臺(tái)階狀，傾角15°～25°。滑坡地層巖性主要為第四系殘坡積砂質(zhì)黏性土和侏羅系中統(tǒng)新田溝組泥巖、砂巖組，其中第四系殘坡積砂質(zhì)黏性土中含有少量碎石。

該路段地表水較多，并匯集于溝槽中，滑坡體內(nèi)地下水主要包括孔隙潛水和基巖裂隙水?？紫稘撍饕x存于砂質(zhì)黏性土與泥巖的接觸面附近，天寶滑坡上部堆積層在雨季基本處于飽水狀態(tài);基巖裂隙水主要賦存于滑坡下部基巖節(jié)理面或裂隙面中，并對(duì)滑坡體內(nèi)地下水有補(bǔ)給作用。

圖1 工程地質(zhì)斷面

2 滑坡成因分析

天寶滑坡內(nèi)部節(jié)理具有順傾向特點(diǎn)，天然條件下巖層產(chǎn)狀相對(duì)穩(wěn)定，但滑坡前緣的開(kāi)挖會(huì)切斷順傾向的層理，從而成為堆積層滑坡上部堆積層失穩(wěn)的主要因素，此外開(kāi)挖時(shí)的爆破施工會(huì)使巖體產(chǎn)生局部松動(dòng)，進(jìn)一步降低坡體前緣穩(wěn)定性。

堆積層滑坡上部堆積層為砂質(zhì)黏性土，結(jié)構(gòu)松散，滲透性較好，而下部基巖為泥巖、砂巖，較密實(shí)，滲透性較差，在堆積層和基巖層接觸面附近易形成隔水層和滑動(dòng)面，同時(shí)雨水在隔水層集聚，長(zhǎng)期的弱化作用必然降低滑面巖土體抗滑能力，為堆積層滑坡的滑動(dòng)變形創(chuàng)造了條件。

3 數(shù)值分析

3.1 模型建立

采用FlAC3D數(shù)值軟件建立滑坡典型地質(zhì)斷面的數(shù)值計(jì)算模型。模型從上到下分別為堆積層和基巖，堆積層和基巖中存在一組接觸面，如圖2所示?；履Ｐ烷L(zhǎng)109 m，高35 m，寬5 m，為準(zhǔn)三維數(shù)值計(jì)算模型，采用六面體單元對(duì)模型進(jìn)行離散，離散后網(wǎng)格單元數(shù)量為4 896個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為7 012個(gè)，堆積層和基巖之間接觸面用FLAC3D中Interface單元進(jìn)行模擬。計(jì)算過(guò)程中模型四周為滾動(dòng)邊界，底部為固定邊界。模型材料參數(shù)服從Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，在工程開(kāi)挖和降雨過(guò)程中將塑性區(qū)分布和滑坡變形量相結(jié)合作為滑坡失穩(wěn)判別標(biāo)準(zhǔn)?；虑熬壒こ涕_(kāi)挖按照從上往下的先后順序分為2次開(kāi)挖。

3.2 參數(shù)確定

由于堆積層和基巖接觸面下部是很厚的泥巖層，砂巖對(duì)滑坡失穩(wěn)影響很小。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，堆積層巖土參數(shù)取砂質(zhì)黏性土參數(shù)，基巖巖土參數(shù)取泥巖參數(shù)。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)分別得到砂質(zhì)黏性土和泥巖物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。接觸面初始參數(shù):黏聚力為12 kPa，內(nèi)摩擦角為10°，抗拉強(qiáng)度為0，接觸面的切向剛度Ks和法向剛度Kn與模型單元的幾何尺寸有關(guān)，可依據(jù)FLAC3D手冊(cè)中推薦的公式進(jìn)行計(jì)算選取，本文均取9×108Pa/m。

表1 巖土力學(xué)參數(shù)

圖2 離散后計(jì)算模型

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 工程開(kāi)挖的影響

由于堆積層滑坡巖土體材料服從張拉剪切組合的Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，坡體內(nèi)部塑形破壞區(qū)主要分為剪切塑形區(qū)和張拉塑形區(qū)。第一次開(kāi)挖后堆積層滑坡塑性區(qū)分布如圖3所示。可以看出，滑坡中部并未出現(xiàn)明顯的塑形變形，堆積層滑坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，滑坡后緣沿著裂縫出現(xiàn)張拉破壞，滑坡前緣在開(kāi)挖角附近出現(xiàn)輕微剪切破壞。主要是由于第一次開(kāi)挖的擾動(dòng)范圍較小，滑坡內(nèi)部應(yīng)力并未出現(xiàn)明顯的重新分布。

圖4為第二次開(kāi)挖后堆積層滑坡塑性區(qū)分布。由圖可知:堆積層滑坡在第二次開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)生失穩(wěn)，滑坡前緣開(kāi)挖角附近出現(xiàn)明顯的剪切破壞。對(duì)比圖3可知，剪切塑性區(qū)沿著滑面逐漸向上發(fā)展并與滑坡后緣張拉裂縫帶貫通，形成完整的滑體，滑坡堆積層沿著堆積層和基巖接觸面發(fā)生整體性下滑。表明第二次開(kāi)挖改變坡體內(nèi)部原有的應(yīng)力平衡，且滑坡破壞是從滑坡前緣逐漸向中部和后部發(fā)展的。

圖3 第一次開(kāi)挖后堆積層滑坡塑形區(qū)分布

圖4 第二次開(kāi)挖后堆積層滑坡塑形區(qū)分布

4.2 降雨的影響

由于第二次開(kāi)挖后，坡體已發(fā)生失穩(wěn)，因此文中僅考慮降雨對(duì)第一次開(kāi)挖后堆積層坡體穩(wěn)定性的影響。假定一段時(shí)間內(nèi)，滑坡上部堆積層全部充水飽和，計(jì)算時(shí)堆積層密度取飽和密度2 100 kg/m3，并對(duì)堆積層與基巖之間接觸面巖土參數(shù)進(jìn)行0.8倍折減。

圖5為降雨后堆積層滑坡水平位移等值線圖(XDIS表示滑坡的水平位移)?？梢钥闯?降雨對(duì)滑坡上部堆積層穩(wěn)定性有顯著影響，對(duì)下部基巖影響較小，此時(shí)堆積層在自重作用下已經(jīng)發(fā)生滑動(dòng);滑坡前緣的水平位移最大為0.2 m，且開(kāi)挖角附近水平位移等值線分布密集，表明滑坡前緣在中部和上部滑體的推力作用下在開(kāi)挖角附近發(fā)生明顯的擠壓變形;滑體從開(kāi)挖角處剪出，坡體后緣裂縫位移量約為0.1 m，表明降雨會(huì)導(dǎo)致滑坡后緣裂縫進(jìn)一步擴(kuò)張。因此，堆積層滑坡整治工程應(yīng)做好截水和排水工作，防止降雨情況下堆積層滑坡發(fā)生失穩(wěn)。

綜上所述，工程開(kāi)挖和降雨均對(duì)堆積層滑坡的穩(wěn)定性有顯著影響，但兩種條件下堆積層滑坡的發(fā)生機(jī)理不同。對(duì)于開(kāi)挖工程而言，工程開(kāi)挖切斷了順傾向的層理，中部和后部滑體在滑坡前緣的牽引下發(fā)生滑動(dòng)。對(duì)于降雨而言，由于堆積層為砂質(zhì)黏性土，滲透性較高，而接觸面附近的基巖主要是滲透性較差的泥巖，雨水的下滲導(dǎo)致堆積層重度的增加，同時(shí)雨水降低了滑面抗滑能力，堆積層滑坡上部坡體在自重作用下沿著堆積層和基巖接觸面產(chǎn)生蠕滑，滑坡前緣在中部和上部滑體推力作用下從開(kāi)挖角附近擠壓剪出。

圖5 降雨后堆積層滑坡水平位移等值線圖

5 工程措施

由上述分析可知，第一次工程開(kāi)挖對(duì)整體滑坡穩(wěn)定性影響不大，在降雨或第二次工程開(kāi)挖作用下，天寶滑坡上部堆積層均可能發(fā)生整體性失穩(wěn)。為了保障萬(wàn)梁高速的順利施工和防止運(yùn)營(yíng)期內(nèi)天寶滑坡發(fā)生失穩(wěn)，須對(duì)天寶滑坡上部堆積層進(jìn)行支擋。根據(jù)工點(diǎn)的地質(zhì)條件，綜合考慮工程擾動(dòng)和降雨等誘發(fā)因素，征求專(zhuān)家意見(jiàn)，對(duì)該病害工點(diǎn)采取了以下整治措施。

1)布設(shè)截水溝

滑坡外側(cè)布設(shè)地面截水溝，截水溝與梁平高速ZK45+020—ZK45+200段滑坡排水溝相接，在萬(wàn)州一側(cè)將水排出。截水溝一般距滑坡外側(cè)5 m左右布設(shè)，根據(jù)地形情況可對(duì)截水溝位置和長(zhǎng)度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

2)布設(shè)抗滑樁

線路左側(cè)滑坡距高速公路左線中心線15 m處布設(shè)一排抗滑樁，共計(jì)11根，以增加堆積層滑坡上部堆積層的抗滑能力。樁長(zhǎng)17 m，截面2.0 m×2.6 m，抗滑樁間距6 m。

3)布設(shè)排水孔

抗滑樁之間布設(shè)一排仰斜排水孔，共10孔，孔長(zhǎng)18 m，仰角4°，孔間距6 m，排水孔開(kāi)孔標(biāo)高高于路肩2.0 m，終孔直徑為110 mm，內(nèi)放直徑為90 mm的排水軟管進(jìn)行排水，以減小降雨對(duì)堆積層滑坡穩(wěn)定性的影響。

4)布設(shè)擋土墻

線路左側(cè)滑坡布設(shè)擋土墻，抵擋滑坡推力并限制開(kāi)挖臨空面土體的塑形變形。擋土墻高10 m，頂寬1 m，胸坡1∶0.35，背坡1∶0.2，與梁平高速ZK45+ 020—ZK45+200段滑坡內(nèi)側(cè)擋土墻相接，同時(shí)墻體每隔2 m上下左右交錯(cuò)布置泄水孔。

5)綠化坡面

由于滑坡傾角在13°左右，具備種草綠化的客觀條件，因此在堆積層滑坡坡面種植草皮，既能防止雨水沖刷坡面，又可以美化高速公路沿線景觀。

6 結(jié)論

本文以梁平高速天寶堆積層滑坡為例，在分析了工程地質(zhì)條件和地層巖性的基礎(chǔ)上，采用FLAC3D數(shù)值模擬方法研究工程開(kāi)挖和降雨對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響。得出結(jié)論如下:

1)堆積層滑坡穩(wěn)定性隨著開(kāi)挖深度增加而逐漸降低。開(kāi)挖擾動(dòng)范圍較小時(shí)，滑坡整體仍能保持自身穩(wěn)定;隨著開(kāi)挖范圍增加，滑坡前緣塑性區(qū)沿著接觸面向上延伸并與后緣裂縫帶貫通，滑坡體在滑坡前緣牽引作用下發(fā)生整體失穩(wěn)。

2)降雨后堆積層砂質(zhì)黏性土吸水飽和以及接觸面抗滑能力的降低，堆積層滑體在自重作用下沿著基巖接觸面發(fā)生蠕滑，滑坡前緣在中部和上部滑體推力作用下從開(kāi)挖角附近擠壓剪出。

3)采取以抗滑樁、擋土墻為主，截排水工程為輔的措施對(duì)天寶滑坡進(jìn)行綜合治理。治理工程結(jié)束后，滑坡經(jīng)歷了多個(gè)雨季均未發(fā)生變形破壞，治理效果較為理想。

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(責(zé)任審編葛全紅)

P642.22

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.31

1003-1995(2015)06-0121-04

2014-10-20;

2015-04-20

王衛(wèi)(1992—)，男，安徽淮南人，碩士研究生。