百鸟坡隧道左线进口滑坡稳定性分析及治理模拟

2010-05-01董时俊杨树成

水利水电快报 2010年7期

董时俊杨树成

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北武汉 430063;2.长江水利委员会中游水文水资源勘测局,湖北武汉 430012)

高速铁路、高速公路的建设对于推进西部大开发战略的实施十分重要。而在其穿越的山区隧道中,洞口段边坡极易受到偏压地形以及潜在的滑坡、剥落、崩塌等边坡变形破坏问题的威胁[1]。本文研究的百鸟坡隧道进口边坡位于贵州省都匀市小围寨乡,隧道进洞口位于半山腰,附近有一采石场。2009年 4月19日,隧道左线进口上方滑坡体洞口段发生坍塌,将隧道左洞掩埋。随着时间的推移,滑坡体出现多处裂隙,且有2～3级裂隙是贯穿的。滑坡体破坏范围为隧道进洞口至山坡上部近 400m范围内,滑坡影响面积约为 25000m2,坡体的平均厚度约为 6m,前缘较厚,为 6～10m,中后部较薄,为 2～6m。由于滑坡体变形破坏后,隧道左线进洞口被埋,影响了正常施工,并且边坡有继续变形破坏的趋势,存在较大的安全隐患,有必要对其进行进一步研究。

1 工程地质条件

1.1 地形地貌

研究区位于构造剥蚀侵蚀低中山型地貌区,隧道进口段所在山体斜坡总体坡向约 234°,坡角 36°。滑坡变形破坏区域在轴向上总体为坡顶和坡身部位较平缓,坡脚较陡,宽 120m,长约 230m,上覆松散层厚 1～6 m,山上植被较发育。

1.2 地层岩性

研究区岩层属泥盆系中统独山组(D2d),岩性以石英砂岩夹粉砂质泥岩或页岩为主,表层覆盖有残坡积成因的碎石土。

残坡积层为碎石土、粉质粘土、含碎石粘土,含少量植物根系和强风化石英砂岩、泥灰岩残块。滑坡堆积层为洞口现已滑动的部分,由块石土、碎石土等组成。

强风化石英砂岩、强风化砂岩夹粉砂质泥岩节理裂隙极发育,岩体极破碎,胶结程度较差,属较软岩。

弱风化石英砂岩、弱风化砂岩夹粉砂质泥岩节理裂隙为极发育-发育,岩体极破碎-破碎,裂隙面多被铁锰质渲染,同时夹有不等厚的软弱夹层,软弱夹层主要为薄层粉砂质泥岩和页岩。

1.3 水文地质条件

地下水类型主要为基岩裂隙水。根据区域水文地质资料,含水岩组枯季地下径流模数3.19～6.58 l/s◦km2,为弱富水岩组。

本区内地下水主要接受大气降水的垂直入渗补给,其径流主要受地形条件控制。滑坡下部山体陡峻,有利于地表水体的排泄,岩体节理裂隙发育,有利于地表水沿裂隙下渗。

2 坡体变形原因及形成机制分析

隧道的开挖和削坡,破坏了原坡体平衡,同时坡体的卸荷,造成了坡体节理裂隙张开,为坡体上表水的入渗提供了通道[2]。

在暴雨条件下,大气降水垂直入渗到滑坡前缘的上覆松散层和岩体裂隙中,使得前缘坡体自重增大,下滑力增加,抗滑力减小。由该研究区的地形地貌可知,边坡的坡脚较陡,其临空面一侧在暴雨条件下发生蠕变变形,洞口近 30m范围内岩体裂隙面与层面贯通产生了垮塌,将隧道洞口掩埋,说明在此种工况(暴雨条件)下,雨水通过上覆松散层和岩体裂隙进入到滑坡体内,并对滑坡内土体施加一定的渗透压力,其方向与滑坡体表面方向一致,指向坡体前缘,坡脚越陡,渗透压力通过土体传递到坡体前缘的可能性越大,更不利于滑坡体的稳定。

另外,由工程地质条件可知,滑坡体中部主要为岩层间软弱夹层(泥岩、砂质泥岩、页岩),其存在同样也是造成滑坡滑塌的重要原因之一。在暴雨条件下,滑坡体中部的软弱夹层对水极其敏感,遇水时,软弱夹层的饱和抗压强度仅为干抗压强度的1/2甚至更低,抗剪强度力学指标也会大大地降低,加上其力学强度和变形模量均较低,使得该层坡体的抗滑力大为减小,更加速了滑坡的产生。

通过分析,该滑坡的形成主要受控于以下两方面:①不良的边坡地质条件;②暴雨条件下的触发作用。暴雨条件下,雨水进入滑坡体内除了软化岩土体、增加岩土体自重外,更重要的是在滑坡体内形成了较强的渗透压力,其方向沿坡面指向滑坡前缘,使滑坡体抗滑稳定安全性大大降低。

在该边坡中有两层破坏带(面)。目前已破坏的是表层破坏面,当边坡前缘坡体失稳,发生坍塌后,边坡中部的覆盖土层与部分强风化层沿强弱风化基岩接触面附近滑动,并在边坡中部出现了较宽的裂缝。

边坡后部 90～230m范围内由于前面滑坡体的牵引作用,覆盖层沿基岩面滑动。因此认为,该滑坡破坏形式为牵引式破坏。该滑坡深层潜在破坏形式是内沿软弱夹层破坏,因此要特别加以监测并进行加固。

3 FLAC3D有限差分技术模拟

综合考虑滑坡体的地质环境条件和工期等因素,对滑坡体应采用以抗滑为主、治水与抗滑相结合的治理措施[3]。由于该滑坡体推力大,滑动面前缘较陡,本工程选用预应力锚索抗滑桩[4],并结合钢管桩及截水沟等措施对滑坡进行治理。

采用刚体极限平衡法无法得到斜坡体内部的变形机制及变形量,本文利用 FLAC3D对滑坡的变形破坏机制进行数值模拟,并帮助分析和检验治理前后滑坡体内部变形的特征及其变形量。

3.1 计算模型和材料参数

利用部分详勘阶段的钻孔资料,将边坡共分成3个工程地质剖面,本文选取滑坡中部剖面为研究对象(见图 1)。

利用 FLAC3D有限差分软件,建立滑坡地质力学模型,并对岩土体分组(见图 2)[5],计算中对模型左边进行水平方向约束,对底部进行全约束。参照图1,将该滑坡岩土体拟分为 4组:表层碎石土、基岩(石英砂岩)、钢管桩和抗滑桩,软弱夹层作为一个接触面处理,人工材料如抗滑桩、钢管桩为弹性模型。

由于坡体表层的松散堆积体渗透系数大,暴雨工况下,雨水通过上覆的松散堆积体渗透到坡体内,之后形成较大的渗透压力,在渗透力的作用下滑坡体的下滑力显著增大,会使松散堆积体产生一定的变形。

首先由弹性模型计算得到治理前滑坡的初始地应力,利用含初始地应力的模型,将碎石土和基岩本构模型设置为 Mohr-Coulomb,抗滑桩和钢管桩选取原始状态下对应的岩土体参数。同时对滑坡左侧施加水头,计算得到治理前滑坡的变形。

其次利用含初始地应力的模型,将碎石土和基岩本构模型设置为 Mohr-Coulomb,将抗滑桩和钢管桩对应的单元设置为弹性模型,同时改变相应参数;同样对滑坡左侧施加水头,由计算得到治理后滑坡的变形特征。计算参数见表 1。

图1 工程地质剖面

表1 岩土体数值模拟物理力学计算参数

图2 数值模拟网格剖分及岩土分组

3.2 计算结果分析

采用图 2的数值模拟模型和表 1的各岩土体的物理力学计算参数,通过计算得到滑坡治理前后暴雨工况下位移等值线图(见图 3和图 4)。

图3 治理前暴雨工况位移等值线

图4 治理后暴雨工况位移等值线

由图 3可知,治理前暴雨工况下最大位移为91.6 cm,位于滑坡中下部,该部位临空面坡度较大,形成了一个次级变形体,其位移等值线由下部向上部发散,表现出牵引式滑坡的特征,在本工况下因发生严重变形而失稳,对下方的隧道口直接造成威胁,与将隧道口掩埋的实际情况吻合。滑坡上部虽然也形成了一个不稳定部位,最大位移71.2 cm,但斜坡中部临空面坡度较缓,在一定程度上不会对滑坡下方的隧道口造成直接威胁。

由图 4可知,按照设计要求在滑坡中部施加了两排钢管桩和一排抗滑桩后,滑坡中下部最大变形量不到 20cm,未形成连续的塑性变形区,治理后暴雨工况下滑坡体是稳定的。临空面坡度较大的一段恰位于钢管桩和挡土墙之间,同时根据治理前该段滑坡失稳的机制为牵引式滑坡的结论,抗滑桩恰好布设在该失稳斜滑坡的前部,这就极大地加强了不稳定坡体前部抗滑力,所施加的钢管桩、抗滑桩等支护结构有效遏制了变形的蔓延,对下方的隧道口起到了很好的保护作用。滑坡上方虽然还是形成了一个不稳定坡体,最大变形量55.7 cm,但由于滑坡中部临空面坡度较缓,同时中部的支护结构也在一定程度上遏制了上部变形体的发展,不会对下部的隧道口造成威胁。