川北地区龙马溪组页岩深层滑坡抗震稳定性及整治工程效果评价

张卢明，周 勇，岳建国，金 斌

(核工业西南勘察设计研究院有限公司， 四川 成都 610061)

飞凤山低中放固体废物处置场位于四川省广元市三堆镇，是我国西南地区唯一的极为重要的低中放固体废物处置场。处置场场平标高为606.00 m，场平后将在场址南侧形成高边坡。边坡于2013年初开始开挖，5月份边坡即产生变形，形成了1#、2#滑坡。受7月18日强降雨的影响，1#、2#滑坡变形再次加剧，7月19日1#滑坡北东侧发生滑动解体，坡体原有治理工程大部破坏，滑坡体积约30余万m3；7月21日2#滑坡北东侧锚喷破坏，坡面发育大量拉裂缝，滑坡体积约48×104m3，原有支护措施多处失效。

飞凤山处置场处于龙门山断裂带，地质环境复杂，鉴于场地的极端重要性，近期中国地震局对该场地的地震安全性进行重新评价，设计基准地震动水平峰值加速度由原来0.15g提高到0.33g，远大于之前边坡稳定性评价所采用的地震动水平峰值加速度(0.15g)，加固后的边坡存在抗震稳定性风险，一旦失稳，其后果不堪设想。

目前针对地震作用下边坡稳定性评价一般以拟静力法和静力有限元法为主[1-6]，由于拟静力法没有考虑地震的特性，如振动频率、次数和地震历时等因素，同时也没有考虑岩土介质的动力性质和阻尼性质等，因此，该法具有一定的局限性。

采用动力分析方法来和工程监测来分析评价加固后边坡的稳定性和加固效果尚不多见[7-11]，对多级框架锚索与双排抗滑桩组合结构的动力响应性能的评价也报道较少[12-14]。本文以2#滑坡为例，采用有限差分动力分析法对处置场加固后的高边坡病害进行抗震稳定性评价，同时结合现场监测对边坡的抗震稳定性进行安全评估，其研究成果可丰富核安全边坡抗震加固理论，同时可为类似工程提供借鉴。

1 滑坡概况

滑坡区地层主要有：人工填土(Q4ml)、滑坡堆积层(Q4del)、崩坡积层(Q4col+dl)，志留系下统龙马溪组(S1lm4)泥质页岩、粉砂质页岩[15-16]。岩层产状为310°∠72°。

2#滑坡具有多级滑动特点，主要分为三级滑动形式。如典型工程地质剖面图(见图1)：两级浅层滑面为基覆界面，深层滑面为强风化软弱破碎带。

一级滑坡后缘位于714 m～735 m区域，前缘剪出口位于滑坡中后部，高程706 m～707 m，后缘相对较厚，前缘较薄；滑体纵长约80 m，横宽约160 m，面积约1.28×104m2，主滑方向11°。

二级滑坡的后缘高程706 m～707 m，前缘剪出口位于滑坡前部，高程668 m～670 m，后缘相对较厚，前缘较薄；滑体纵长约105 m，横宽约165 m，面积约1.73×104m2，主滑方向与一级相同。

图1数值分析模型

深层滑坡的后缘高程714 m～735 m，前缘剪出口高程641 m～676 m，呈中部厚两头较薄的特点；滑体纵长约215 m，横宽约160 m，滑体最大厚度约22 m，主滑方向与一级相同。

据现场勘察揭露，2#滑坡浅层滑带物质为含角砾粉质粘土，揉皱现象较为明显。由于2#滑坡紧邻向斜，受构造影响强烈，岩体破碎，层间错动发育，据钻孔揭露，前期边坡开挖后相对高差较大(约120 m)，坡度较大(约35°)，受此影响边坡卸荷强烈，原有结构面逐步张开，强风化层面软弱带连接贯通，发展成为深层滑带。

滑坡整治方案为：矩形(人字形)格构锚索(杆)+双排抗滑桩+截排水沟+坡面绿化(见图2)，其中锚索设计抗拔力400 kN，抗滑桩截面为2 m×3 m。

2 动力稳定性数值分析

2.1 数值模型的建立

受FLAC3D建模的缺点，本次通过将CAD图形导入到ANSYS，利用ANSYS建立边坡模型，再导入到FLAC3D软件中。输入波形的频率成分和土体的波速特性会影响土体中波传播的数值精度，通常网格尺寸应小于输入波形最高频率对应的波长的1/10～1/8。经计算得到模型的网格尺寸不能大于35.2 m，具体模拟过程中，选取单元最大尺寸为10 m，以保证数值分析的精度(见图1)[17]。

边坡动力计算采用理想弹塑性本构模型，屈服准则采用Mohr-Coulomb强度准则。屈服条件为：

(1)

式中：θα为洛得应力角；I1为应力张量的第一个不变量；J2为偏应力张量的第二个不变量[18]。

图2高边坡病害加固设计方案

预应力锚索、抗滑桩和格构梁分别采用锚索单元、桩单元和梁单元。边坡土层和支护结构的材料参数如表1所示。

表1 材料参数

通过在模型底部x和z方向输入EL波的加速度时程，模拟地震荷载下边坡的动力响应，其中加速度时程曲线在输入之前借助SeismoSignal进行基线矫正(见图3)。为了减少模型边界上波的反射，通过在模型四周生成二维和一维网格的方法来设置自由场边界，这种边界通过阻尼器将主体网格和自由场网格进行耦合，把自由场网格的不平衡力施加到主体网格边界上，这样就既可保持边界不反射波，又可以对向外传递的波适当地吸收。模型中采用局部阻尼。

2.2 模型的验证

跟踪模型底部附近的加速度时程，对比输入波和模型底部附近的加速度时程曲线，见图4，由图4可发现两者吻合良好，说明地震波准确无误地输入到模型底部。

2.3 在0.33gEL作用下的稳定性分析

2.3.1 位移响应

选取地震过程中15 s、30 s和40 s三个时间点的动位移云图，以此分析地震过程中边坡位移的整体分布，如图5所示。

图3 时程曲线

图4验证地震波的输入

图5边坡绝对位移云图(单位：m)

由图5可知，边坡位移主要产生于滑带之上，最大位移产生于泥化夹层顶部出口和坡顶拐点之间，也即最顶部锚索之上区域。

具体对位移进行分析，采用如下步骤，先由绝对动位移减去山体位移，得出边坡的相对动位移，利用最小二乘法原理编制MATLAB程序的滑动平均法程序，分离出动态位移的永久位移和可恢复位移[19]。

永久位移反映了滑坡体位移的积累，为了分析其变化过程，作图6坡面测点永久位移时程曲线。由图6可知，永久位移在地震振动的前5 s迅速增大，在5 s～10 s内增大速率减小，随后在10 s～15 s又开始迅速增大，15 s以后永久位移基本趋于稳定。位移增大的区间基本包含输入加速度较大幅值点t=3 s、11 s。坡顶部测点13稳定后的位移较大，约为88 cm。

图6边坡永久位移

分析得出的永久位移与Newmark法得出的永久位移变化规律较为一致，永久位移呈阶梯状增大，位移增大的区域基本包含输入加速度的较大幅值点。

2.3.2 稳定性分析

采用强度折减法计算加固边坡的安全系数。图7是强度折减法所得加固边坡的破坏临界位移场。从图7中可以看出，同样由于加固结构的施加，边坡滑体发生改变，即边坡可能会在顶部未加固区域发生浅层滑出破坏，但原潜在滑动面不会发生整体失稳破坏。此时，边坡整体所得到的安全系数为2.01。

图7强度折减法所得边坡位移场(单位：m)

2.3.3 抗滑桩动力响应

监测桩背水平位移响应，作不同测点的桩背水平位移时程曲线，如图8所示。由上排桩桩背位移响应图可知，桩背水平位移由桩顶往下依次减小，这可能是因为桩顶部附近的阻抗力较小，在地震过程中，由于土体推力，抗滑桩往临空面方向旋转。

图8桩背水平位移

由下排抗滑桩背水平位移响应图可知，下排抗滑桩身不同位置的位移较为一致，这说明在地震过程中桩体发生整体位移；在地震结束后，桩体位移基本为零。

2.3.4 锚索动力响应

由锚索轴力时程曲线可知，锚索轴力在5 s～35 s内的响应值较大，在30 s后轴力略有减小并基本趋于稳定。由图9地震前后锚索轴力沿高程的分布图可知，震前锚索轴力基本沿高程增大，坡顶部锚索达到了350 kN；震后坡顶部附近锚索轴力较小，坡底部附近锚索轴力较大，在345 kN～370 kN之间，未超过锚索设计抗拔力。

图9锚索轴力分布图

3 监测效果分析

整治工程于2015年10月竣工，工程效果监测自2015年10月底开始，至2018年底结束，历时共3年。以2016年监测效果为例，重点论述深部位移和支护结构应力监测。

3.1 深部位移监测效果分析

主剖面2-2′上高程由高到低分布有7#、8#、9#、10#、11#、12#、13#，共7个深部位移监测孔位用来反映加固后边坡的稳定状况。

正常监测曲线应在预警值(50 mm)范围内左右摆动。统计出7#监测孔年度最大累积偏移量为27.74 mm(2016-07-01)，且较大的偏移量出现在6月—10月雨量较大的月份，全年数据较稳定，未出现明显的波峰波谷型位移值，且所有累积偏移量均小于预警值。8#监测孔年度最大累积偏移量为43.84 mm(2016-03-18)，小于预警值50 mm，较大的位移值平均出现在各个月份之中，无数据异常和突变，可反映8#孔所在边坡区域处于稳定状态。

9#监测孔全年最大位移值为35 mm，小于预警值，且其余位移值均为个位数，可反映该监测孔所在边坡区域无变形。10#监测孔年度最大累积偏移量为35.62 mm(2016-08-28)，小于预警值50 mm，较大的位移值更多出现于雨季，数据整体无异常和突变，可反映坡体中部区域处于稳定状态。

其余监测孔最大累计偏移量位于20.8 mm～48.0 mm之间，无突变和异常，数据保持稳定且均小于预警值，可反映坡体中下部区域处于稳定状态。

以上7个监测孔位的年度数据分别反映出边坡的上部、中部和下部区域都处于稳定状态。

3.2 锚索应力监测

1月—4月份锚索锁定值走势继续呈微降趋势，钢绞线出现正常松弛现象，总体降幅不大，约5%～10%。进入5月份以后，锚索应力值开始保持平稳，并出现微小上下波动，振幅不大。进入雨季后，锚索应力有微增现象，部分应力计应力监测值变大，但增幅亦很小，就总体而言，以平稳走势为主。

3.3 抗滑桩应力监测

自4月份开始，抗滑桩钢筋出现应力调整现象，具体表现为受荷段应力微减，嵌固段应力微增现象。一般受荷段应力减小大于嵌固段应力增大值。究其原因为桩后岩土体开始缓慢固结，力学性质好转。进入雨季后，抗滑桩应力大体维持平衡，应力调整不明显，仅局部桩位的局部段位有增大趋势，尤期是7月份下旬，雨季结束后应力值微降，又恢复稳定状态。

4 结 论

(1) 边坡加固后在泥化夹层出口附近与坡面之间极薄的区域由于锚索的加固作用，其水平位移明显减小。文中对位移进行分解分析，先由绝对动位移减去山体位移，得出边坡的相对动位移，再根据已编制的滑动平均法程序，将相对动位移分离出可恢复位移和永久位移。其中可恢复位移在零附近上下波动，在地震结束后，位移值基本为零；永久位移先随时间增大，最后基本趋于稳定。

(2) 随着加固结构的施加，边坡滑体发生改变，即边坡可能会在顶部未加固区域发生浅层滑出破坏，原潜在滑动面不会发生整体失稳破坏。此时，边坡整体所得到的安全系数为2.01。

(3) 锚索轴力在5 s～35 s内的响应值较大，在30 s后轴力略有减小并基本趋于稳定。由地震前后锚索轴力沿高程的分布图可知，震前锚索轴力基本沿高程增大，坡顶部锚索达到了350 kN；震后坡顶部附近锚索轴力较小，坡底部附近锚索轴力较大，在345 kN～370 kN之间，未超过锚索设计抗拔力。

(4) 通过监测可知，边坡深部位移、锚索应力和抗滑桩钢筋应力均在规范规定范围内，边坡整体稳定，治理效果良好。