谷竹高速公路某滑坡形成机制数值模拟分析

王红明, 代先尧， 罗红明, 程江涛

(1.湖北省交通规划设计院股份有限公司, 湖北 武汉 430051; 2.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室)

1 引言

随着中国高速公路建设在山区及丘陵区的不断推进，致使挖方边坡和填方边坡大量存在。因此，开展高速公路边坡稳定性的研究是高速公路建设的一个热点。滑坡在形成过程中，由于其物质组成、地质环境等都不尽相同，所以它们的变形破坏方式、成因机制等也会不同。对于一个滑坡，它的稳定性计算以及针对稳定状况采取的处理措施是以正确地分析它的成因机制为基础，只有了解滑坡的成因机制才能对它的稳定性进行准确的计算，所以必须对滑坡的成因机制问题有一个透彻的了解。

滑坡形成的机制分析一般采用工程地质分析方法、数值模拟方法及物理模拟方法。大多数工程地质工作者从滑坡所处的地质条件出发，采用“地质分析方法”，对滑坡的成因过程及变形机制进行分析，该方法偏重于地质条件对滑坡形成的定性描述分析，忽视了滑坡变形全过程，不能够反映出滑坡形成的主导因素；而数值模拟和物理模拟方法可以定量或半定量地再现滑坡变形破坏过程和内部机制作用过程，从整体上、理性上认识滑坡的变形破坏机制，认识滑坡稳定性的发展变形，成为当前滑坡形成机制研究应用较多的方法。目前对滑坡形成机制的分析多采用地质分析法或数值模拟法，鲜见考虑边坡的地质环境条件影响的研究。

该文首先采用地质分析方法对鄂西山区谷竹高速公路K81+100～K81+500段滑坡的地质环境条件进行分析，阐明滑坡形成的工程地质条件，结合变形破坏迹象，揭示滑坡的变形破坏模式；然后采用FLAC3D对滑坡的形成机制进行数值模拟，再现滑坡变形破坏全过程，综合分析滑坡的变形破坏机制，揭示滑坡机理，为滑坡灾害评价和防治提供依据，确保高速公路正常建设和安全运营。

2 滑坡的地质环境条件

该研究滑坡起始桩号为湖北谷(城)竹(溪)高速公路的K81+100，边坡全长约400 m，行政区划隶属于湖北十堰市房县青峰镇陡口村一带。

经过现场地质调查发现，研究区为构造剥蚀侵蚀低山区，滑坡高度约145 m，地形坡度为20°～40°，坡体表面多覆盖有残坡积物和冲洪积物。地表出露基岩属于片岩类，为浅灰色、灰白色绢云钠长石英片岩及绢云石英片岩。

该滑坡位于山梁以下的斜坡地带，区内的纵坡降较大，是地下水的补给区及径流区，地下水主要是基岩裂隙水，分布较不均匀。

3 滑坡工程地质特征

3.1 滑坡形态特征

滑坡整体呈南高北低，滑坡前缘和后缘的高程分别为399、492 m，高差93 m，滑坡总面积约7.5×104m2。现场调查发现滑坡区均有贯通的裂缝发育，滑坡前缘发育有剪切裂缝、后缘发育有张拉裂缝且错落明显，滑坡两侧以剪切裂缝为主，滑坡范围示意图如图1所示。

图1 滑坡范围示意图

滑坡后缘位于高程492 m的缓坡段，以地面拉裂及其错落现象为主，后缘断壁清晰。错落高度0.3～1.5 m，拉裂面产状为NE35°∠55°，裂缝宽度0.05～0.5 m、深0.1～0.6 m。在该拉裂面后部缓坡区土体中发育一些因牵引导致的拉裂缝。前缘位于现开挖的路基中线附近，高程为399 m。

据野外调查，该滑坡右侧边界较明显，可见连续的地面裂缝，以剪切裂缝为主、少量为拉裂缝。

滑坡左侧地表变形不明显，局部(即在左侧中后部)见有少量裂缝。根据野外调查，结合滑坡区地形地貌条件，确定以滑坡左侧山体冲沟为滑坡左侧边界。

3.2 滑坡物质组成特征

滑坡区主要地层岩性为残坡积土和片岩，滑坡区地质剖面图如图2所示，主要物质组成为：① 褐黄色、土黄色粉质黏土，分布于滑坡中后部，厚度0.4～7.1 m；② 灰黄色、灰绿色碎石土，分布于滑坡中后部，厚度为1.8～11.2 m；③ 灰黄色、灰绿色滑带土，为粉质黏土夹碎石，层厚为0.1～0.6 m；④ 青灰色、灰黄色片岩，岩层面倾向指向边坡临空面。

3.3 滑坡变形破坏迹象

该边坡于2010年10月25日施工开挖，施工期间曾多次发生小型滑坡，2011年6月持续性降雨造成滑坡产生了新的变形，已经填埋的滑坡后部裂缝重新开裂，在开挖区路基中心发现滑坡的前缘剪出口，滑面擦痕明显，同样在一级坡顶平台以上的二级边坡坡面上发现3段滑面，擦痕明显。

图2 谷竹高速公路K81+100～K81+500段滑坡Ⅱ-Ⅱ′横断面图

根据上述变形迹象，可以初步判断路基中心处的剪出口为滑坡深层滑动的剪出口，一级坡顶平台以上二级边坡坡脚的剪出口为浅层滑动的前缘剪出口。因此，该滑坡是一个多级滑面的复杂滑坡。

4 滑坡形成机制数值模拟分析

采用有限差分软件FLAC3D对边坡开挖过程中的变形特征进行模拟分析，进而揭示出滑坡的变形破坏机制，为路堑边坡的稳定性评价奠定基础。

4.1 计算模型和边界条件

在滑坡勘察资料的基础上，建立计算模型。模型长500 m(X轴方向)，底部高程为200 m，表面为地表实际高程。位移边界条件为左、右两侧采用水平约束，底面采用双向约束，顶面为自由边界。

4.2 力学模型与计算参数

斜坡岩土体变形破坏满足莫尔-库仑弹塑性强度准则。计算模型中采用的各岩土层物理力学参数见表1。

表1 岩土层计算参数

根据高速公路施工方案，该剖面处按4级台阶开挖(自下而上分别为一级、二级、三级和四级)，在模拟计算中按4级台阶开挖施工方案进行模拟。

4.3 模拟结果分析

(1) 滑坡在开挖过程中不平衡力演化过程曲线见图3。随着开挖过程的进行，斜坡系统的不平衡力收敛时间逐渐加长，表明了开挖引起滑坡的变形在逐步发展，滑坡的应力也在逐步调整中；当第四级台阶开挖时，系统的不平衡力变化很大，主要是由于开挖对系统的扰动较大。而在第一级台阶开挖时，斜坡系统的不平衡力收敛时间最长，说明在该阶段，系统基本处于相对极限状态，也说明该阶段发生变形也是最大，变形的历时也是较长的。

(2) 开挖过程中X方向的位移图见图4。开挖之初边坡就产生了位移，这是坡体开挖引起的“卸荷回弹”导致。当开挖至四级、三级平台时，主要是边坡的后部发生变形，因而在滑坡的中后部尤其是后部会出现较多拉裂缝。

图3 开挖过程中系统不平衡力演化过程曲线图

图4 开挖后X方向位移图(单位：m)

当开挖至二级平台时，边坡体变形开始逐渐增大，边坡变形的范围也开始向坡脚发展。当开挖到道路设计标高时，滑坡的变形将更加明显，最大变形区前移，滑坡整体变形较大而发生明显的破坏。

(3) 滑坡开挖过程中塑性区分布图见图5。

由图5可知：在边坡开挖过程中，边坡塑性区不断扩大，在开挖到第三级平台后，边坡体局部已经有塑性区开始贯通，此时三级边坡的坡脚塑性区集中分布，从而引发边坡浅层发生滑动，此现象与现场情况基本一致。开挖到二级平台后，边坡内部塑性区出现贯通，边坡后部表现为拉破坏，边坡前部表现为剪切破坏。此现象也与现场的剪出口特性基本一致。若在该工况下继续开挖边坡，挖至设计道路标高，滑体塑性区贯通，前缘破坏范围将继续扩大，从而引起滑坡发生滑动破坏。

图5 开挖后塑性区分布图

4.4 滑坡形成机制分析

通过现场地质调查发现，影响该滑坡形成的主要因素有：地层岩性、地形、地貌、水文地质、地质构造等。自然斜坡总体坡度30°左右，斜坡坡顶高程525.3 m，坡脚峪家湾沟高程约381.8 m，相对高差约143.5 m。高速公路经过该斜坡时，路基开挖形成的坡度为45°，该陡峭的临空面是滑坡形成的前提条件。

滑坡区为第四系残坡积物，松散～稍密状，含有较多碎石，滑床为元古界武当山群浅灰～灰白色绢云钠长石英片岩、绢云石英片岩，产状为310°～15°∠34°～40°，为顺层边坡，节理裂隙发育，易风化，遇水易软化，为滑坡的形成提供了物质基础。

滑坡区内地形纵坡较大，为地下水补给、径流提供了有利条件，路堑开挖改变了边坡原有的应力，破坏了原有的力学平衡条件，特别是切脚开挖成为导致滑坡失稳的触发因素。

通过数值模拟分析，路堑开挖打破了原滑坡应力，对滑坡发生变形起到了诱发和加速的作用。该滑坡的坡脚部分位移较小，而坡顶部分的位移较大，此现象表明该滑坡尚处于蠕滑阶段，同时数值模拟发现该滑坡的中前部为挤压状态，故该滑坡为推移式滑坡，此与工程地质分析一致。

现场调查和数值模拟结果表明：开挖到二级平台时，该滑坡尚处在蠕动变形阶段，为极限平衡稳定状态。如果按照原方案继续开挖到路基的高程，则边坡体的变形会进一步加剧，甚至会导致大规模滑坡的发生，其后果将十分严重。因此，根据数值模拟结果，对该边坡采取了抗滑桩加卸载等紧急措施保证边坡稳定后，继续开挖至设计路基高程，现谷竹高速公路已通车运营，该处边坡处于稳定状态。

5 结论

(1) 通过现场地质调查发现，影响该滑坡形成的物质条件主要有：地层岩性、地形、地貌、水文地质、地质构造等，边坡开挖是导致滑坡形成的触发因素，同时雨水入渗也是触发滑坡发生的重要因素。

(2) 采用数值模拟手段分析了滑坡的形成机制，路堑开挖打破了原滑坡应力，对滑坡发生变形起了诱发和加速作用。滑坡中后部位移量大、前缘区位移量小，表现为滑坡中前部滑体处于挤压变形状态，为推移式滑坡。

(3) 从边坡开挖到二级平台时的变形迹象和数值模拟结果来看，此状态下滑坡尚处在蠕动变形阶段，为极限平衡稳定状态。根据数值模拟的结果对该边坡采取了抗滑桩加卸载等紧急措施保证边坡稳定后，继续开挖至设计路基高程，现边坡运行稳定。