永吉高速公路黑潭坪边坡三维稳定性研究

尹剑辉,赵安平,冉 涛,张 雷

(1. 中国科学院地质与地球物理研究所,北京 100029； 2. 兰州大学，甘肃兰州 730000)



永吉高速公路黑潭坪边坡三维稳定性研究

尹剑辉1,赵安平1,冉 涛1,张 雷2

(1. 中国科学院地质与地球物理研究所,北京 100029； 2. 兰州大学，甘肃兰州 730000)

通过对永吉高速公路黑潭坪边坡的野外调查，详细地了解了研究区工程地质条件，探讨了边坡变形破坏机理，结合室内试验和计算反演获取岩土体强度参数，在此基础上建立三维地质模型，运用FLAC3D数值分析软件采用强度折减法对不同工况下的坡体稳定性进行详细分析并提出治理建议。研究表明：(1)边坡变形破坏是内外因素综合作用的结果，岩土体性质不良是边坡变形破坏的内在因素，坡脚便道开挖和地表水下渗是边坡变形破坏的诱导因素；(2)强度折减法应用于边坡三位稳定性分析具有较好的适用性；(3)数值模拟显示采用削坡结合锚固的综合治理措施具有明显的效果。

边坡工程 稳定性分析 强度折减法 数值计算

Yin Jian-hui,Zhao An-ping,Ran Tao,Zhang Lei.Three-dimensional analysis of slope stability:A case study of the Heitanping slope at the Yongji highway[J].Geology and Exploration,2015,51(6):1187-1192.

1 引言

高速公路建设是我国重要的基础建设，随着我国高速公路网的规划部署，越来越多的高速公路建设已延伸至山区丘陵地带。山区地质环境条件复杂，路堑开挖后往往导致山体边坡变形破坏，其稳定性严重制约着高速公路建设、运营，甚至造成重大生命财产损失。正确评价边坡稳定性，采用合理的防治措施是减小滑坡地质灾害的关键因素。边坡是一个复杂的地质体，采用传统的二维稳定性计算虽然在某种程度上能满足边坡稳定性分析的要求，却不能真实的反映坡体的实际状况，并且自然界中发生的滑坡均为三维状态。边坡三维稳定性分析可以更加真实地反映边坡的实际受力状态，求解出更符合实际情形的安全系数和稳定性结果，因此，三维稳定性分析对于准确评价边坡稳定性、合理选择支护设计方案均具有重要意义(方建瑞等，2008；李明超等，2009；卢坤林等，2012；谷天峰等，2013)。

2 工程概况

永吉高速公路黑潭坪边坡位于古丈县城黑潭坪村，对应桩号为K35+795～K35+885，原设计该线路段为高架桥，沿山腰延伸。山体边坡位于高架桥左侧，在桥梁施工过程中，因便道开挖和桥基施工，山体山腰切方，在距桥位约20m处形成了10m～15m人工边坡。坡脚切方致使上部山体向临空面滑移变形，在坡体后部产生多条裂缝和错坎，裂缝宽度30cm～50cm，错坎下错位移3m～4m。坡体前缘高程为272m～287m，后缘高程约为356m，滑体平均厚度为16m，体积约为6×104m3，主滑方向约为313°，与边坡坡向大体一致(图1)。现场监测结果表明，目前该边坡仍处于缓慢变形状态，其稳定性直接影响着周边村民的安全，一旦失稳将造成巨大生命财产损失。

3 工程地质条件

研究区内原始地貌单元属于构造剥蚀中低山丘陵地貌，总体呈NE-SW向。研究区山体坡度陡峻，一般在40°左右，局部大于50°。根据地表调查和钻探揭露，研究区内主要地层由上到下依次为：第四系粉质粘土(Q4el+dl)、碎石土(Q4el+dl)、元古界马底驿组板岩(Ptbn2m)(见图2)：①粉质粘土(Q4el+dl)：紫红色、黄褐色、青灰色，局部灰黄色，一般为可塑，局部为硬塑，含板岩碎块石，碎石含量15%～25%，局部可达30%，粒径2cm～9cm；②碎石土(Q4el+dl)：褐黄色，主要成分为板岩碎块石和粉质粘土，碎石含量55%～70%，该层物质成分杂乱不均，厚度为3m～15m；③强风化板岩(Ptbn2m)：青灰色、紫红色，变余泥质结构为主，部分变余砂质结构，板状构造，节理裂隙发育，裂隙面可见暗褐色铁锰质浸染，岩芯呈碎块状、块状，局部为短柱状。岩层产状变化较大为100°～140°∠30°～35°；④中风化板岩(Ptbn2m)：青灰色、灰绿色，变余泥质结构为主，部分变余砂质结构，板状构造，中厚层状，岩体较完整～较破碎，岩芯以柱状、短柱状为主，局部沿节理面机械破碎呈块状。

图1 边坡平面图Fig. 1 Plane diagram of slop1-滑坡周界；2-错坎及裂缝；3-岩层产状；4-勘探线编号；5-钻孔及编号；6-设计路线；7-天然状态计算模型边界；8-开挖状态 计算模型边界1-boundary of landslide; 2-stages and cracks; 3-attitude of rocks; 4-exploration line number; 5-borehole number; 6-design route; 7-boundary of calculation model under natural state; 8-boundary of calculation model under excavation state

研究区内主要断裂为古丈逆断层，断层倾向SE，倾角约为70°。受该断裂影响，区内岩层产状复杂多变，岩体结构破碎。区内地下水主要为第四系孔隙水和基岩裂隙水。第四系孔隙水主要赋存于粉质粘土层和碎石土中，基岩裂隙水主要赋存于下伏中风化板岩中，其分布受岩层节理裂隙发育程度及充填情况的影响较大。

4 边坡变形破坏机理分析

分析认为该边坡变形破坏是内外因素综合作用的结果。边坡上覆第四系坡残积土，厚度不均一，结构松散，力学强度较低，自稳能力极差。此外，在构造作用和风化作用影响下，区内岩层产状复杂多变，岩体结构破碎，节理裂隙极发育，工程性质较差。岩土体工程性质不良是边坡变形破坏的内在因素。

图2 工程地质剖面图Fig.2 Profile of engineering geology1-粉质粘土；2-强风化板岩；3-碎石土；4-中风化板岩；5-钻 孔编号及高程1-silt cay; 2-strong weathered slate; 3-greavel soil; 4-mid-dle weathered slate; 5-borehole number with elevation

桥梁施工便道开挖后，边坡坡脚切方形成临空面，降低了坡体的抗滑力，导致边坡应力失衡而向临空面滑移变形。在降雨作用下，边坡稳定性进一步减弱，雨水对坡体稳定性影响主要表现在：1)雨水增加了边坡岩土体含水量，坡体自重增加，下滑力增大；2)边坡岩土体含水量增加导致基质吸力降低，土体抗剪强度下降，坡体变形破坏加剧；3)雨水浸入坡体软化滑带岩土体，进一步增加了边坡变形破坏进程。从边坡变形破坏过程看，坡体具有从下往上扩展的趋势。坡体前缘岩土体由于坡脚开挖首先形成小规模浅层滑坡，继而带动中后部岩土体依次产生多级牵引式滑移变形。因此，便道开挖和降雨是边坡变形破坏的诱导因素。

5 边坡稳定性分析

5.1 计算模型

边坡稳定性受地形地貌影响常具有三维效应(李宏杰等，2008)，三维稳定性分析则可以较真实的反映边坡变形破坏特性。为了减小边界效应的影响，模型计算范围沿滑坡周界外延一定的距离(见图1)。模型坐标系统选用空间直角坐标系，X方向取逆坡向为正，Z方向竖直向上为正，Y方向垂直XZ平面，计算范围选取X方向196m，Y方向184m，Z方向从240m高程至地表(见图3)。根据勘探结果，将地层概化为四种材料，建立地质模型，划分网格，并导入FLAC3D中计算。

图3 计算模型Fig.3 Model of calculation

5.2 计算参数选取

通常岩土体的物理力学参数可以通过室内实验、工程经验、反演计算及工程地质类比法获取，由于该边坡岩土体破碎且碎石含量较高，仅采用常规实验方法难以获得准确的物理力学参数。根据前期资料，滑体主要成分为上覆第四系坡残积土，因此对中风化和强风化板岩可采用工程地质类比法确定其计算参数，对粉质粘土、碎石土的抗剪强度参数参考文献(邓建辉等，2003)反算并结合室内试验确定。岩土体物理力学参数见表1。

表1 计算参数Table 1 Parameters of calculation

5.3 计算方法

目前边坡三维稳定性分析方法主要有极限平衡法和有限元强度折减法。极限平衡法原理简单，概念清晰，该方法应用往往基于一定的假设条件，因此其计算结果与真实情况存在一定的出入(Hunger，1987；Oldrich Hungeretal.,1989；张均锋等，2005；郑宏，2007；袁恒等，2011)。

有限元强度折减法引入边坡稳定性分析后，得到了广泛应用(Griffiths，1999)。与极限平衡法相比，有限元强度折减法评价边坡稳定性具有明显的优势，不仅可以考虑复杂的地形地貌特征、岩土体应力应变特性而且还可以考虑坡体与支护结构的相互作用等。利用有限元强度折减法求解边坡安全系数的本质与极限平衡法相同，其基本原理是通过对岩土体抗剪强度参数c、tanφ不断折减，直至某一时刻边坡岩土体处于极限平衡状态，坡体的抗滑力与下滑力相等，认为此时的折减系数k即为边坡的安全系数，即:

(1)

(2)

(3)

这里c，φ为岩土体强度参数；c′，φ′为折减后强度参数；k折减系数。

有限元强度折减法评价边坡稳定性的关键问题在于坡体临界状态的判定，目前主要有三种方法判断方法：①特征点位移法(陈菲等，2006)：通过绘制多个特征点位移与折减系数关系曲线，认为位移曲线出现明显转折处为边坡的临界状态，将此时对应的折减系数作为边坡的安全系数；②塑性区贯通法(郑颖人等，2004)：认为塑性区全面贯通时边坡处于极限平衡状态； ③计算不收敛(马建勋等，2004；郑颖人等，2005；陈新泽等，2008)：以软件计算不收敛作为边坡临界状态。

本模型基于FLAC3D软件自带的Mohr-Columb本构模型，通过对滑带土强度参数进行折减模拟边坡变形破坏发展过程，以塑性区完全贯通作为边坡失稳准则。

5.4 计算结果分析

针对黑潭坪边坡分别就天然状态、开挖状态、削坡减载、锚固状态四种不同工况下边坡稳定性进行了详细研究，采用强度折减法计算了不同工况下的安全系数。计算表明天然状态下，边坡安全系数为1.0214，处于极限平衡状态。

桥梁便道施工，边坡坡脚切方后，边坡安全系数为0.98172，处于不稳定状态。现场调查发现，边坡坡脚局部已发生浅层滑坡，坡体后部裂缝垂直坡向，并形成错坎，坡体处于不稳定状态。图4位移矢量图反映了开挖后坡体顺坡向滑动，最大位移位于坡脚处，与现场情形基本相符。

图4 开挖状态下X方向位移矢量图Fig. 4 Displacement vectors of x direction in excavation state

综合考虑坡体稳定性现状、发展趋势、滑体物质组成及研究区工程地质条件，针对黑潭坪边坡采用削坡减载结合锚固的综合治理措施。根据边坡的变形特征及地貌特征，采用7级坡方案，第一、二、三、四级坡坡比为1∶1.25，第五、六、七级坡坡比为1∶1.5，每级坡高10m，马道宽2m，坡脚处设置挡墙。削坡后，坡体的整体稳定性得到改善，安全系数提高到1.1020。坡体安全系数仍然小于规范中1.2～1.3(JTG D30-2004,2004)的要求，在此基础上施加预应力锚索，按照参考文献(马杰，2009)布设锚索，按每级坡布设三排锚索，间距为4m，倾角为25°，锚固段长8m，每根锚索施加预应力250kN，第一、二、三、四级坡锚索长度为25m，第五、六、七级坡锚索长度为30m。计算表明施加预应力锚索后边坡安全系数为1.2313，满足规范要求，边坡变形得到控制，坡体基本稳定(图5)。

图5 支护状态下边坡X方向位移矢量图Fig. 5 Displacement vectors of x-displacement in supporting state

值得注意的是模拟计算中并未考虑到支挡结构与岩土体的相互作用，因此，图5中最大位移仍位于坡脚处。由于研究区雨水充沛，边坡治理时应充分考虑疏排水措施。

6 结论

通过对永吉高速公路黑潭坪边坡的三维稳定性研究得出以下结论：

(1) 边坡变形破坏是内外因素综合作用的结果。受构造作用和风化作用影响，区内岩土体工程性质较差是边坡变形破坏的内因，坡脚开挖和地表水下渗是边坡变形破坏的诱导因素。

(2) 基于强度折减法的边坡三维稳定性分析具有较好的适用性，能较真实的反应边坡的受力特征和稳定性状态。

(3) 针对黑潭坪边坡采用削坡结合锚固的治理措施效果明显。同时边坡治理过程中应该注意建立完善的截、疏、排水体系。

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Three-Dimensional Analysis of Slope Stability:A Case Study of the Heitanping Slope at the Yongji Highway

YIN Jian-hui1,ZHAO An-ping1,RAN Tao1,ZHANG Lei2

(1.InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029;2.LanzhouUniversity,Lanzhou,Gansu730000)

Field investigations reveal the engineering geological conditions of the Heitanping slope at the Yongji highway. The mechanism of slope deformation and failure are further studied,and strength parameters of rock and soil mass are acquired by laboratory tests and inversion calculation. Then a geological model of three dimensions is built and the slope stability in different working conditions are analyzed in detail using the software FLAC3Dfor numerical stimulation based on the strength reduction method. The results show that both internal and external factors play an important role in the progressive failure of the slope,i.e. it is a comprehensive phenomenon for the slope deformation and failure. The poor quality of rock and soil mass properties are internal factors,while the excavation of the slope toe as well as the rain infiltration are induction factors. It is appropriate to analyze the stability of a three dimensional slope based on the strength reduction method. The results of numerical stimulation indicate that cutting and unloading combined with prestressed anchor cable sash are a good method to prevent potential landslides.

slope engineering,slope stability analysis,strength reduction method,numerical analysis

2015-03-30；

2015-10-19；[责任编辑]陈伟军。

尹剑辉(1989年-)，男，2013年毕业于河北工程大学，现在中科院地质与地球物理研究所攻读硕士学位，主要从事滑坡地质灾害防治、岩土设计、监测等工作。E-mail: 1225744188@qq.com。

P642.22

A

0495-5331(2015)06-1187-6