姜吉龍，阿發(fā)友，呂鵬輝

(1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，昆明 650093 ；2.中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,昆明 650051)

邊坡是人類工程和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中最常見的地質(zhì)地貌環(huán)境，由于自然和人為因素的雙重影響，以滑坡、崩塌形式出現(xiàn)的邊坡變形失穩(wěn)破壞，給人們的生命、財(cái)產(chǎn)和工程經(jīng)濟(jì)帶來了重大經(jīng)濟(jì)損失。由于山地邊坡具有地形比較復(fù)雜、地層分布不規(guī)律等特征，工程地質(zhì)類比法等傳統(tǒng)的評價(jià)方法已經(jīng)無法滿足山地邊坡的特殊性，日漸興起的數(shù)值分析軟件則可以比較好的對邊坡進(jìn)行定性分析和定量評價(jià)[1]。本文將用MIDAS/GTS NX 有限元數(shù)值分析軟件對具體工程案例進(jìn)行分析。

研究邊坡位于元陽縣逢春嶺鄉(xiāng)罵尖村委會(huì)復(fù)元村，主要對后側(cè)搬遷的復(fù)元村造成威脅，坡體逐步滑移后，將對18戶83人造成嚴(yán)重危害，威脅資產(chǎn)約540萬元，同時(shí)將造成較大的社會(huì)影響。地質(zhì)災(zāi)害險(xiǎn)情等級為中型。由于村莊建設(shè)時(shí)受資金限制，未對場地開挖及回填的一些邊坡進(jìn)行有效防護(hù)，2019年雨季強(qiáng)降雨后，復(fù)元村北側(cè)斜坡段出現(xiàn)了不同程度的坡體變形，淺表填土產(chǎn)生了沉降、溜滑，開挖段裸露的巖土體在地表水沖刷下形成了凹槽、空腔，特別在坡腳段形成了嚴(yán)重的淘腳現(xiàn)象，對整個(gè)坡體的穩(wěn)定形成了較大的危害。本文采用MIDAS/GTS NX 有限元數(shù)值分析軟件，對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。通過比較支護(hù)前后邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，對支護(hù)工程做出評價(jià)[2]。對山地邊坡支護(hù)模擬分析提供一定的參考價(jià)值。

1 邊坡工程地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

復(fù)元村屬于一個(gè)異地搬遷村莊，該村莊位于山頂部位，本次研究的潛在不穩(wěn)定邊坡位于村莊北側(cè)。隨著村莊建設(shè)，對場地內(nèi)地形進(jìn)行了大量改造，對大部分地段進(jìn)行了開挖及回填處理，在此基礎(chǔ)上修建了2～3層的建筑物，場地改造后基本地形見衛(wèi)星圖1。潛在不穩(wěn)定邊坡處于搬遷場地的北側(cè)弧狀坡面上，坡體經(jīng)過人工改造，上部堆填厚度較大的填土，下部公路開挖后形成開挖邊坡，西側(cè)進(jìn)行了分臺(tái)(2～3臺(tái))削坡處理，分臺(tái)高度2～7.5 m，坡度40°～45°。不穩(wěn)定邊坡現(xiàn)在長度70 m左右，縱向長度15～32 m，平均長度23 m，不穩(wěn)定斜坡平面面積1 610 m2，呈不規(guī)則長橢圓形。

圖1 邊坡地形衛(wèi)星圖

1.2 氣象及水文地質(zhì)條件

逢春嶺鄉(xiāng)屬低緯度亞熱帶山地季風(fēng)氣候區(qū)，區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜，海拔高低差異大，立體氣候特征比較顯著，年均氣溫大概22℃，最高氣溫高達(dá)36℃，最低氣溫低至3.5℃；年均降雨量1 550 mm。項(xiàng)目區(qū)位于新安寨河上游右岸斜坡區(qū)，屬紅河水系。新安寨河發(fā)源于小新街，由南向北流向元江，河流長度約12.5 km，流域面積42.5 km2，由于處于區(qū)域變質(zhì)巖地區(qū)，河流切割深度較大，溝岸多為懸崖峭壁，河水流量15～30 l/s，隨降雨量變化較大?？傮w項(xiàng)目區(qū)處于分水嶺附近，地表水以生活用水排放為主，無地表泉水等分布，邊坡無地下水分布。

1.3 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及地震

研究邊坡位于紅河深大斷裂與新寨-勐坪斷裂之間，區(qū)域構(gòu)造以斷裂構(gòu)造為主(圖2)。項(xiàng)目區(qū)內(nèi)無斷裂構(gòu)造通過，但其附近有兩條斷裂構(gòu)造，分別為：紅河深大斷裂、新寨-勐坪斷裂(F3)。新寨-勐坪斷裂是一條在古生代以前形成，后來又多次復(fù)活的逆深大斷裂。有基性巖、花崗巖侵入及鐵礦類分布，為壓扭斷裂。

Q.第四系；N.上第三系;N1.中生界;P1.元古界;1.侵入體界線；2.深大斷裂；3.推測斷裂；4.背斜軸線；5.向斜軸線圖2 構(gòu)造綱要圖

根據(jù)《云南地質(zhì)構(gòu)造及區(qū)域穩(wěn)定性遙感綜合調(diào)查報(bào)告》，研究區(qū)的區(qū)域地殼穩(wěn)定性屬次穩(wěn)定區(qū)，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)主要為地殼差異抬升。經(jīng)查詢相關(guān)地震檔案資料，元陽縣境內(nèi)迄今為止尚無5.5級以上的地震記錄，由此表明該區(qū)地震活動(dòng)頻率低、強(qiáng)度小、地殼相對穩(wěn)定。據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《中國地震動(dòng)參數(shù)參數(shù)圖》(GB18306-2015)和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)，逢春嶺屬抗震設(shè)防烈度7度區(qū)，設(shè)計(jì)地震分組屬第三組，設(shè)計(jì)基本地震加速度值取為0.15 g。

1.4 地層巖性

依據(jù)勘查探井揭露及地質(zhì)露頭及區(qū)域地質(zhì)資料(圖3)，邊坡淺表土層分布第四系人工堆積層(Q4ml)、第四系殘坡積層(Q4el+dl)；下部為元古界哀牢山群烏都坑組下亞組(Ptwa)。典型工程地質(zhì)剖面圖見圖4。

(1) 第四系人工堆積層(Q4ml)

①雜填土：褐灰、黑灰色，主要為場地開挖棄土，成分以粉質(zhì)粘土、片麻巖為主，土體松散，欠固結(jié)。

(2) 第四系殘坡積層(Q4el+dl)

②粉質(zhì)粘土：黃色、灰黃色，為可塑狀，稍濕，約含5%的角礫，其成分為花崗巖殘留的石英、長石等，粒徑0.1～0.5 cm。依據(jù)鉆孔取樣測試統(tǒng)計(jì)，該土層具中等壓縮性。揭露厚度1.0～2.5 m，平均厚度1.5 m。

(3) 元古界哀牢山群烏都坑組下亞組(Ptwa)

③1全風(fēng)化片麻巖：灰黑色，原巖結(jié)構(gòu)已基本破壞，風(fēng)化殘留長石、石英、云母及少量暗色礦物，多呈粉土狀。全風(fēng)化片麻巖遇水易軟化崩解。依據(jù)取樣測試統(tǒng)計(jì)，該土層具中等壓縮性。項(xiàng)目區(qū)均有分布。

③2強(qiáng)風(fēng)化片麻巖：依據(jù)場地外圍出露的情況，片麻巖多呈灰黑或灰白色，為片狀結(jié)構(gòu)、層狀構(gòu)造，巖質(zhì)較堅(jiān)硬。

Q4.ml第四系人工堆積層；Q4al+dl.第四系殘坡積層；Ptwa.元古代哀牢山群；1.不穩(wěn)定斜坡邊界； 2.不穩(wěn)定斜坡剪出口；3.地層界線； 4.雜填土；5.粉質(zhì)黏土；6.片麻巖；7.勘查剖面及編號；8.已建擋土墻圖3 工程地質(zhì)平面圖

第四系人工堆積層；第四系殘坡積層；素填土；1.元古界哀牢山群烏都坑組下亞組；2.粉質(zhì)黏土；3.片麻巖；4.地層代號；5.全-強(qiáng)風(fēng)化界線及代號；6.已建房屋及樁基；7.已建擋土墻；8.已建排水溝圖4 1-1′工程地質(zhì)剖面圖

1.5 邊坡變形特征

通過詳細(xì)勘查，目前，邊坡主要存在坡體上部填土的沉降、滑移變形(圖5)，以及坡體下部地表水沖刷嚴(yán)重(圖6)，坡腳淘腳現(xiàn)象嚴(yán)重(圖7)。斜坡存在多個(gè)潛在滑移面，淺表可能發(fā)生填土及土巖界面滑動(dòng)，下部可能在全風(fēng)化片麻巖中形成最不利圓弧滑動(dòng)面進(jìn)行滑動(dòng)，潛在滑體平均厚度約6.5 m，滑體體積約1.05×104m3，不穩(wěn)定邊坡潛在主滑方向約353°～26°。

圖5 邊坡現(xiàn)場圖

圖6 坡腳沖刷圖

圖7 坡腳淘蝕圖

1.6 滑坡的成因機(jī)制分析

滑坡及不穩(wěn)定邊坡的發(fā)生與發(fā)展，主要受到內(nèi)在基礎(chǔ)條件和外在誘發(fā)因素的影響?；A(chǔ)條件包括地形條件、地質(zhì)條件等因素；誘發(fā)因素包括人類工程活動(dòng)以及降雨。邊坡地處中山區(qū)，地形地貌較陡，地層巖性軟弱、松散，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜等，滑坡的穩(wěn)定性容易遭受破壞，各種地質(zhì)災(zāi)害容易發(fā)生，加上降雨量大、降雨時(shí)間集中以及人類工程活動(dòng)的擾動(dòng)，更加容易導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。

(1) 地形條件

邊坡位于新安寨河上游右岸斜坡區(qū)，岸坡高約40 m，坡度大約35°。有利于地表水的滲入，易發(fā)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。

(2) 巖性結(jié)構(gòu)

邊坡區(qū)域片麻巖風(fēng)化帶比較厚，其全風(fēng)化物質(zhì)呈粉砂、中砂狀，受地表水浸潤后強(qiáng)度衰減快，容易在全風(fēng)化帶內(nèi)形成滑動(dòng)面發(fā)生破壞；同時(shí)淺表覆蓋雜填土等松散物質(zhì)，易于發(fā)生淺表滑坡。

(3) 降雨因素

該區(qū)域年均降雨量1 550 mm，24 h最大暴雨量169.3 mm，雨量較為豐富，坡體內(nèi)的片麻巖遇水易軟化，在長時(shí)間被雨水浸泡后容易形成軟弱層，即滑坡的潛在滑動(dòng)面。2019年雨季該地區(qū)的連續(xù)強(qiáng)降雨造成大量雨水入滲，造成邊坡局部失穩(wěn)滑移。

(4) 人類工程活動(dòng)

由于場地的開挖回填，以及道路的開挖，使斜坡巖土體受到擾動(dòng)，改變了斜坡內(nèi)部應(yīng)力的分布，造成斜坡坡腳處應(yīng)力集中，導(dǎo)致坡體的穩(wěn)定性進(jìn)一步下降。

綜上所述，雨水是形成該滑坡的主要因素，由于雨季該地區(qū)的連續(xù)強(qiáng)降雨造成大量雨水入滲，雨水入滲后軟化強(qiáng)風(fēng)化片麻巖，使其抗剪強(qiáng)度下降，形成軟弱結(jié)構(gòu)面，同時(shí)又加大了坡體的整體質(zhì)量，增加了下滑力，最終使上部巖體沿著軟弱結(jié)構(gòu)面下滑。

2 基于MIDAS 的邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 強(qiáng)度折減法原理

MIDAS的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算采用有限元強(qiáng)度系數(shù)折減法(SRM)。在有限元靜力穩(wěn)態(tài)計(jì)算中，如果模型表現(xiàn)為不穩(wěn)定狀態(tài)，有限元計(jì)算也將不收斂。在有限元邊坡穩(wěn)定性分析中，就是通過降低結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度(粘聚力和內(nèi)摩擦角)，使系統(tǒng)達(dá)到不穩(wěn)定的狀態(tài)，有限元靜力計(jì)算就將不收斂，此時(shí)的折減系數(shù)便可以看作邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)[2]。有限元強(qiáng)度折減法在最近幾年的應(yīng)用中變得越發(fā)廣泛，在土坡的穩(wěn)定分析中已得到普遍認(rèn)可[3-7]。有限元強(qiáng)度折減法(SRM)的基本原理是將邊坡巖土體實(shí)際物理力學(xué)參數(shù)粘聚力C除以折減系數(shù)F，內(nèi)摩擦角φ也除以該折減系數(shù)，得到全新的一組C1和φ1，即經(jīng)過折減后的巖土體物理力學(xué)參數(shù)計(jì)算公式為:

C1=C/F

(1)

φ1=arctanφ/F

(2)

然后將C1和φ1作為新的巖土體物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)輸入，再進(jìn)行以上的試算，一直計(jì)算到不收斂結(jié)束，根據(jù)相應(yīng)的判別準(zhǔn)則，可將該不收斂階段視為巖土體發(fā)生破壞。此時(shí)該階段的最大的強(qiáng)度折減系數(shù)取值作為該巖土體邊坡的最小安全系數(shù)[6]。該強(qiáng)度折減系數(shù)所計(jì)算出的最大剪切面發(fā)生貫通，貫通區(qū)域可視為邊坡巖土破壞滑動(dòng)面。

2.2 計(jì)算模型構(gòu)建

根據(jù)現(xiàn)場測量得到的數(shù)據(jù)，以1-1′工程地質(zhì)剖面圖為地質(zhì)模型，導(dǎo)入MIDAS/NX 建立分析模型。該邊坡模型長度約54.8 m,高度約38.6 m。對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，材料屬性的賦值，一共生成1 367個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 329個(gè)單元。然后對模型做邊界約束后再加載進(jìn)行模擬，分析邊坡在一般工況下的穩(wěn)定狀態(tài)(圖8)。

圖8 邊坡分析模型模擬圖

2.3 計(jì)算參數(shù)

為了保證計(jì)算的科學(xué)準(zhǔn)確，主要參數(shù)通過對現(xiàn)場采取試樣進(jìn)行試驗(yàn)獲取巖土體參數(shù)，具體數(shù)據(jù)見表1。建房基礎(chǔ)、擋土墻、錨桿的主要參數(shù)見表2。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)表

表2 材料參數(shù)表

2.4 邊坡穩(wěn)定性分析

利用強(qiáng)度折減法(SRM )對該邊坡進(jìn)行天然工況下的穩(wěn)定性模擬分析。模擬結(jié)果如圖9、圖10所示：支護(hù)加固前天然工況下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.031 3，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，最大剪應(yīng)變出現(xiàn)在坡腳位置，位移變形最大的位置位于坡面上部。存在的潛在滑移面深度最大為16 m，呈圓弧狀。與現(xiàn)場觀測結(jié)果一致。該邊坡臨近建筑物，破壞后會(huì)造成重大人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330-2013)[8 ]，該邊坡工程安全等級劃分為一級，安全系數(shù)Fs=1.35。該邊坡在天然工況下屬于欠穩(wěn)定狀態(tài)，遠(yuǎn)未達(dá)到工程所要求的安全系數(shù)，邊坡有從坡腳位置剪出滑移的可能，需要立刻進(jìn)行支護(hù)加固。

圖9 支護(hù)前邊坡最大剪切應(yīng)變圖

圖10 支護(hù)前邊坡位移云圖

3 邊坡治理及防治效果分析

3.1 不穩(wěn)定邊坡治理方案

結(jié)合邊坡的穩(wěn)定性及控制性因素，提出邊坡治理方案，并用MIDAS軟件對治理結(jié)果進(jìn)行分析。由于坡體地層中全風(fēng)化片麻巖遇水強(qiáng)度崩解的特性，應(yīng)加強(qiáng)區(qū)內(nèi)截排水措施，減輕地表水對坡體穩(wěn)定性的影響，局部地段采用封閉措施，治理工程應(yīng)兼顧淺表滑動(dòng)和深層滑動(dòng)破壞。由于邊坡坡腳位置剪應(yīng)力集中，坡面上部土體變形較大，結(jié)合現(xiàn)場勘查，不穩(wěn)定邊坡現(xiàn)在主要為坡體淺表填土溜滑、沉降，坡腳裸露巖土體沖刷、淘蝕作用，總體治理方案采用護(hù)坡工程為主，在前緣修建護(hù)腳工程，坡面沖刷嚴(yán)重段采取護(hù)面墻進(jìn)行封閉防護(hù)，同時(shí)對坡面地表水進(jìn)行有效截排。故總體方案為：錨桿框架梁護(hù)坡+擋土墻護(hù)腳+護(hù)面墻封閉+排水工程(圖11)。

第四系人工堆積層；第四系殘坡積層；元古代哀牢山群；1.素填土;2.粉質(zhì)黏土;3.片麻巖；4.地層代號；5.全-強(qiáng)風(fēng)化界線及代號；6.擋土墻;7.錨桿及框架梁；8.圈梁及排水溝；9.已建房屋及樁基；10.已建擋土墻；11.已建排水溝圖11 1-1′治理工程布置剖面圖

3.2 防治效果模擬分析

治理后邊坡剪應(yīng)變圖(圖12)顯示邊坡坡腳位置的剪應(yīng)力集中得到有效控制，整個(gè)邊坡剖面無明顯剪應(yīng)力集中特征。通過邊坡的位移云圖(圖13)可以發(fā)現(xiàn)邊坡表層的大位移變形特征消失，整個(gè)邊坡的位移明顯減小。邊坡最大位移從未支護(hù)前的37.0 mm 減小到防治加固之后的3.16 mm。邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)達(dá)到1.575 0，屬于穩(wěn)定狀態(tài)。大于規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)。采用錨桿框架梁護(hù)坡+擋土墻護(hù)腳+護(hù)面墻封閉+排水工程治理該邊坡，有效的制約了結(jié)構(gòu)面的貫通，提高了邊坡的穩(wěn)定性，達(dá)到了治理目的。

圖12 支護(hù)后邊坡剪應(yīng)變圖

圖13 支護(hù)后邊坡位移云圖

4 結(jié)論

本文基于MIDAS軟件對邊坡的主要剖面1-1′進(jìn)行二維建模分析，計(jì)算方法為強(qiáng)度系數(shù)折減法，對邊坡加固前后進(jìn)行數(shù)值模擬、分析，可以得出以下結(jié)論：

(1) 連續(xù)的強(qiáng)降雨是造成該邊坡失穩(wěn)變形的最直接因素。

(2) 傳統(tǒng)的滑坡穩(wěn)定性分析方法與MIDAS的建模分析相結(jié)合能更加準(zhǔn)確客觀的確定滑坡的變形破壞機(jī)制及潛在滑動(dòng)面的位置。

(3) 針對該邊坡提出錨桿框架梁護(hù)坡+擋土墻護(hù)腳+護(hù)面墻封閉+排水工程支護(hù)加固后邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)從1.031 3增加到1.575 0，邊坡整體屬于穩(wěn)定狀態(tài)，達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)效果。