天山公路k982+800～k983+200段边坡稳定性分析

徐海洋，张晓光

（1.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都610059；2.河北省保定地质工程勘查院，河北保定071051；3.中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司，四川成都610041）

天山公路k982+800～k983+200段边坡稳定性分析

徐海洋*1，2，张晓光3

（1.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都610059；2.河北省保定地质工程勘查院，河北保定071051；3.中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司，四川成都610041）

根据天山公路k982+800～k983+200段边坡特殊的地质条件、气候条件、水文条件，从工程地质与环境地质的角度，利用DDA数值分析，研究该段边坡发育特征、破坏机制，建立评价预测模型。最大限度地减少天山公路建设对公路环境产生的危害，并提出简单的防治措施。

边坡；结构面；模型；破坏机制

1 概述

国道217线（独山子—库车段）亦称天山公路，是横贯天山，连接新疆自治区南、北疆的一条重要交通干线，全长约537km。此坡段位于天山里程k982+ 800～k983+200段，边坡走向总体近东西，公路设计高程从+1905～+1930m，路面东高西低。该边坡为一顺向陡倾坡，坡向与岩层倾向基本平行，坡向与岩层倾角也相似，易形成滑移式崩塌[1]，造成边坡失稳。

2 边坡的工程地质条件

（1）地形地貌。该段属中山河谷地貌，该区海拔在+1890～+2100m之间。边坡坡脚处高程+1905m，坡顶高程在+2040m以上。坡高40m左右，坡度80°左右，呈陡崖状，为顺向边坡。坡面地表植被稀少。

（2）地层岩性。该段地层较简单，主要出露第四系（Q）和上志留统科克铁克达坂组（S3），从新到老具体介绍如下：

上志留统科克铁克达坂组（S3）：岩性为厚层灰岩，岩层产状196°∠84°。

（3）地质构造及地震。此区属南天山逆冲断裂系统北段，构造样式为南倾的紧闭倒转褶皱和韧脆性冲断构造，显示了多组逆冲断裂组成的断裂构造带和由北向南的构造倒向。根据《中国地震动峰值加速度区划图》（GB18306-2000），研究区为地壳不稳定～次稳定区，在一般场地条件下50年期限内超越概率为10%的地震动峰值加速度a＝0.15～0.20g，地震动反应谱特征周期0.40～0.45s，相当于原地震烈度区划的Ⅶ-Ⅷ度。

（4）气候、水文条件。此地区气候属Ⅳ暖温带干旱区，区内以5～8月降水量最集中，占年降水量60%～70%,该区暴雨特点是历时短，雨量大。年平均气温为8.5℃～10.0℃之间,全年以冬季(1月)气温最低，平均气温为-9.2℃～10.0℃之间，夏季(7月)气温最高,气温为24.3℃以上。该路段地下水类型以裂隙水为主，含水层主要为变质砂板岩、千枚岩，富水性为贫乏—中等，地下水通过富水层及构造带或裂隙带排泄。

3 边坡变形破坏机制分析

由于天山地区的特殊气候条件、地质条件等，该边坡变形破坏的成因机制主要结合以下几个方面分析。

（1）边坡岩体结构特征。该边坡岩层为上志留统科克铁克达坂组（S3），主要为中厚层状灰岩[2]。岩层产状196°∠84°,边坡坡面产状200°∠80°，层面与坡面(临空面)基本平行，为块状—次块状结构陡坡，受风化及卸荷作用，有层面分离现象发生。由于历史上经受过多次构造及地震作用，而且长期遭受风化剥蚀，同时受边坡开挖的影响，地形陡峻，卸荷裂隙十分发育。经现场调查统计,该段主要发育有2组节理：①235°∠37°组陡倾节理发育强烈，裂隙贯通性强，产生明显的拉张变形，并切割坡体与层面，严重破坏了斜坡的完整性；②12°∠65°节理裂隙发育较弱，主要表现为裂隙面的轻微张开，贯通性不好，基本没有充填物。以上各组裂隙在长期内外营力作用下，内聚力逐渐降低，由于卸荷作用坡面裂隙进一步发展，经常出现失稳，产生小规模崩塌。整个边坡危岩体分割块度大致为1m×0.5m×0.5m。

（2）高寒地区冻融作用。由于该区四季温差较大，昼夜温差也较大，降水或融水沿基岩裂隙[3]很容易渗入岩体深部，裂隙内充填的碎屑物会吸水饱和，重量增加，降水或雪水结冰体积膨胀，产生不容忽视的膨胀力，反复的冻融作用，降低岩体强度指标，促进岩体临空面卸荷裂隙的加速发展，促进了危岩的形成。

（3）人类工程活动。由于许多大的工程建设，对山体进行开挖，形成崩塌。天山公路k983+50～k983+ 200段边坡危岩体的形成，虽与地层岩性、岩体结构特征等因素有关，但其诱发崩塌的直接因素是公路开挖。边坡开挖使坡角变陡，加速了卸荷裂隙的发展。

综上所述，该边坡的破坏机制为：顺向陡倾坡坡向与岩层倾向基本平行，坡角与与岩层倾角也相似，被结构面切割的块体主要沿层面滑动，脱离母体，形成滑移式崩塌。

4 分析模型计算剖面的选取

根据边坡实际工程地质特征，选取桩号为K983+ 140剖面图作为本次数值模拟的计算剖面。因为选取该剖面较好地揭露了边坡岩体结构，特别是滑移变形部分的工程地质特性，能够较真实的反映整个边坡的实际工程地质特征。以下各边坡非连续变形分析模型均选用该典型剖面，如图1所示。

图1 k983+140边坡工程地质剖面图

5 边坡稳定性数值模拟与稳定性分析

根据边坡特点与实际需要，本次数值模拟以DDA[4-5]块体系统的非连续变形分析系统数值分析软件为主，分析研究边坡的破坏模式与块体运动特征，以FALC有限差分数值分析软件为辅来分析研究边坡内部的应变率特征。

(1)模型建立。边坡为顺向坡，岩层产状为：196°∠84°，主要发育有2组裂隙，其产状分别为235°∠37°、12°∠65°。边坡岩体的变形与破坏主要受以上层面和2组节理裂隙控制，模型建立主要考虑这3组结构面的组合与坡向的关系。由于此次模拟采用二维数值模型计算，故通过概化与处理，并结合实际情况，主要采用2组结构面：层面与12°∠65°节理（为主控结构面）。

图2为模型的典型剖面，模型由310个单元构成，模型底部和左侧边界上的单元均予以固定，整个计算过程中不发生位移。模型中块体的尺寸和裂隙疏密程度根据现场调研资料确定，地形轮廓由实测地形剖面确定。

图2 模型剖面图

天山公路段地处高寒，强震地段，根据实际情况，鉴于研究分析的需要，模型需充分考虑冻融以及地震对边坡岩体稳定的影响，对该边坡采用划分了3种工况，即天然状态、地震模式、地震＋冻融模式的模拟。每种工况在不同风化程度的部位取值也不同，选取的模型参数如表1所示。

载荷条件：由于边坡相对高差较低，且公路开挖后已经历多年，构造应力已基本卸荷完毕，故不考虑构造应力等荷载条件。

边界条件：左侧边界约束水平方向位移，底部边界约束垂直方向位移，模型的上部和坡表为自由边界。

(2)DDA模拟边坡危岩体破坏机理与稳定性分析：

①模拟边坡天然状态的变形破坏情况：图3为模拟天然状态下不同时步（初始计算模拟时步为0）坡体的 运动解体状况及特征的典型图示。

表1 DDA数值模拟参数取值

图3 模拟边坡天然状态的变形破坏过程图示

可以看出，a图为边坡由初始状态运行至259时步，看出边坡比较稳定，变化不明显；b图显示1896时步公路边坡中部至坡脚局部岩块已经开始突破锁固状态滑动；c图表明公路边坡中下部位岩石块体滑落；d图为模拟边坡最终的破坏结果，部分岩块在坡脚堆积。

②模拟边坡地震条件下的变形破坏情况：图4为模拟地震条件下不同时步（初始计算模拟时步为0）坡体的运动解体状况及特征的典型图示。

图4 模拟边坡地震条件下的变形破坏过程图示

可以看出，a图为边坡初始时的破坏状态，显示边坡中下部个别岩块已经开始突破锁固状态沿层面滑动；b图显示边坡坡脚至中上部表层部大量大稳定岩块已经开始突破锁固状态滑动，这与现场实际观测到的情况吻合；c图表明边坡岩上部个别块体开始滑落，部分岩块滑落到公路上，在坡脚堆积；d图为模拟边坡最终的破坏结果，岩体产生滑移变形，滑落的岩块堵塞公路。坡体顶部表面部分岩块与母体分离，从而形成危岩。

③模拟边坡地震与冻融条件下的变形破坏情况：图5为地震与冻融条件下不同时步（初始计算模拟时步 为0）坡体的运动解体状况及特征的典型图示。

图5 模拟边坡地震与冻融条件下的变形破坏过程图示

由图5可以看出：a图为边坡初始时的破坏状态，边坡中下部个别岩块已经开始突破锁固状态沿层面滑动；b图显示边坡坡脚至中上部表层部大量大稳定岩块已经开始突破锁固状态滑动；c图表明岩块的松动范围继续向岩体内部扩展，部分岩块滑落到公路上，在坡脚堆积；d图为模拟边坡最终的破坏结果，岩体产生滑移变形，大量滑落的岩块堵塞公路，边坡处于稳定状态。

6 结束语

对比以上3种不同工况模拟分析结果可得出以下结论：边坡的破坏方式为滑移式崩塌，滑块主要沿岩层196°∠84°组结构面下滑；地震条件下滑块位移和运动速度较大，且出现波动现象；在边坡开挖初期，处于不稳定状态，易产生崩塌灾害，但因其滑动面与水平面夹角大于山体边坡坡角，故应尽量减少开挖边坡的坡脚，以免使边坡失稳。

[1] 胡厚田.崩塌分类的初步探讨[J].铁道学报，1985，4（4）：78-81.

[2]张倬元，王士天，王兰生.工程地质分析原理[M].2版.北京：地质出版社，1994.

[3] 王大纯，张大权.水文地质学基础[M].北京：地质出版社，1994.

[4] 陈洪凯，王蓉，唐虹梅.危岩研究现状及趋势综述[J].重庆交通学院学报，2003，12（4）：135-139.

[5] Priest S.D,J.A.Hudson.Discontinuity of Spacing in Rocks, Int.J.Rock Mech.Sci.And Geomech.Abstracts 1976,Vol.1.

P642.22

A

1004-5716(2015)04-0009-04

2014-04-13

2014-04-15

由西部交通建设科技项目基金资助（项目编号：200431800003），所属课题：新疆天山公路工程地质病害研究。

徐海洋（1982-），男（汉族），河北赤城人，工程师，成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室在读博士研究生，研究方向：地质灾害预测与评价。