岩质高陡边坡关键剖面稳定性分析

张宽,成启航,丁选星,汪少杰

岩质高陡边坡关键剖面稳定性分析

张宽1,成启航2,丁选星1,汪少杰1

1. 中铁西北科学研究院有限公司, 甘肃 兰州 730000 2. 西南交通大学 岩土工程系, 四川 成都 610031

小江口隧道边坡是灰岩夹泥灰岩的岩质高陡边坡，陡崖处存在两处由多组不规则卸荷裂隙围限出的危岩体，危及拟建隧道及桥梁的安全。为确保隧道施工过程和运营的安全，以小江口隧道为原型，选取关键剖面评价局部危岩体的稳定性。研究表明：隧道出口岸坡与上游侧陡崖边坡的坡体应力状态相同，均呈现坡脚位置应力集中，陡坡面存在受拉区的高山峡谷应力分布特征，易在边坡底部出现剪切破坏以及高位陡岩发生崩塌落石等地质灾害。隧道出口段南侧陡崖的破坏模式为渐进式倾倒破坏，上游侧陡崖的破坏模式是错落式破坏。

边坡; 剖面; 稳定性

危岩体是指陡峭边坡上被多组结构面切割，在重力、风化营力、地应力、地震、水体等作用下与母岩逐渐分离，且稳定性较差的岩体[1-3]。这类岩体一般处于非稳定状态，在外界因素作用下，极易诱发崩塌事故。危岩高边坡在我国西南山区的公路沿线分布广泛，因其灾害的发生具有突发性，破坏失稳具有致灾性和毁灭性的特点[4,5]，严重威胁公路及沿线的安全与运营，常造成灾难性的后果。

目前，对危岩体稳定性评价的方法主要有两种：定性分析和定量分析。定性方法[6]主要有地质历史分析法、赤平投影法、工程地质类比法等。定量计算方法[7,8]主要有数值分析法、静力计算法、人工神经网络和系统识别法等。以上分析方法中，数值分析法能够真实反映坡体的应力应变分布，模拟边坡破坏过程和失稳机理，还可获得可视化程度较高的结果，越来越多地应用到工程实际中。谷拴成[9]通过有限元数值模拟，研究燕子垭边坡危岩的稳定性，获得较好的模拟效果。Shen JY[10]等采用强度折减法分析岩石边坡破坏过程。田林[11]采用FLAC3D软件对危岩高边坡进行稳定性评价，并提出治理方案。唐乐人[12]采用数值模拟方法对3类危岩体的失稳模式进行验证，得出贴坡式和悬挂式危岩体稳定性较差的结论。

上述数值分析方法多通过对地形条件简化建立分析模型，较少反映研究区复杂的地形地貌特征和各种边界条件。由于岩质边坡地质构造复杂，岩体内结构面裂隙、软弱夹层等直接影响计算结果的准确性，关键危岩剖面的分析结果对整个危岩体稳定性起到预警作用。因此，本文以小江口隧道边坡为例，选取隧道出口位置的两处关键危岩剖面进行分析，预测岩质劣化时的边坡变形模式和失稳范围，明确最易失稳危岩体的变形破坏模式，为支挡加固提供依据。

1 研究区工程概况

小江口隧道位于贵州省凯里市湾水镇境内，与两岔河大桥相邻，隧道出口距306省道路约100m，有矿区公路通过隧道附近。隧道出口周围陡壁基本由灰岩组成，东面和南面临空，岩壁近乎垂直，煤层位于坡脚处，陡崖坡脚应力集中，如图1所示。

在隧道出口岸坡及两岔河大桥右侧岸坡卸荷裂隙均十分发育，有大量与斜坡走向和倾向一致或平行延伸的卸荷裂隙或软弱带。隧道出口岸坡岩体中，发育的结构面主要有NE55~60°/SE80°、NW65~70°/NE70~78°、NE35°/SE72°、NW54°/SW72°、NW10°/NE75°和NW80°/SW70°。两岔河大桥右侧高边坡岩体中节理比较发育，发育的结构面主要有以下三组：NE75°/NW80°、NW20°/SW80°和NW36°/NE81°。从总体上看，下部岩体变形严重。由于长期卸荷作用，上部节理裂隙不断张开和贯通。现场调查表明，第一条卸荷裂隙位于岸坡上部，距坡口的距离约为15~20 m，第二条卸荷裂隙距坡口40~50 m，近期裂隙在逐步发展变大，特殊工况下发生崩塌的可能性大，整体处于不稳定状态，对小江口隧道和两岔河大桥的施工、运营均产生较大威胁。

小江口隧道出口岸坡地质条件复杂，且三面临空，空间效应显著。隧道出口周边主要分布两处危岩体，一处为两岔河大桥右侧灰岩陡壁危岩体，厚约70 m，顺陡壁方向长约60 m；第二处为隧道出口左侧危岩体，顺陡壁方向长约60~80 m，卸荷裂隙已从山顶基本贯通至坡脚，下部为坪地煤矿1221开采区及老采空区影响范围内，近期有变形加剧的迹象，如图2所示。

图1 隧道出口段陡崖边坡

图2 上游侧（桥右侧）陡崖边坡

2 关键危岩剖面稳定性分析

2.1 计算参数及工况设计

选取隧道出口周边两处危岩体边坡进行稳定性分析，岩体结构是控制岩质边坡破坏模式和稳定性的关键因素。本计算模型精细地反映了边坡研究区域的岩体结构，充分考虑岩体结构对边坡稳定性的控制作用，隧道出口段陡崖边坡主要包含了两组节理，一组缓倾节理（产状NE70°∠NW6°），一组陡倾节理（产状NE35°/SE72°）。上游侧陡崖边坡也包含了两组节理，一组缓倾节理（产状NE70°∠NW6°），一组陡倾节理（产状NW20°/SW80°），在平面模型上由于视倾角的关系，缓倾节理表现为近水平状。采用Goodman接触面单元模拟，服从莫尔—库伦屈服准则。

坡体材料分为岩块和节理两部分，该区域地层岩性主要为灰岩、白云岩和炭质泥岩，为了便于计算且满足当前研究阶段的工程精度要求，将其概化为一种岩石，采用实体单元模拟，并视其为莫尔—库伦弹塑性材料。各项材料的物理力学参数如表1所示。

表1 岩体计算参数表

数值分析目的是研究边坡体当前的稳定状态及潜在破坏模式，两处危岩体均设置为如下工况。

工况一：自重工况。计算重力作用下的坡体应力场，通过应力场的分析，了解易出现拉裂缝的区域，对其当前稳定状态进行定性分析；

工况二：破坏模式。应用强度折减原理，不断折减边坡岩体材料的抗剪强度参数，直至坡体达到极限平衡状态，以确定边坡体在各种自然营力作用下的失稳破坏模式。

2.2 隧道出口段陡崖边坡稳定性分析

选取小江口隧道纵断面作为计算断面，如图3所示。根据该地质断面图，概化出数值计算模型，模型尺寸取为长约600 m、高约350 m，满足消除边界条件影响要求。采用六节点二次单元对模型进行有限元离散，共计4598个单元，10235个节点，单元离散如图4所示。

图3 地质纵断面图

图4 数值计算模型

2.2.1 初始地应力条件下稳定性分析自重工况下边坡计算结果如图5~图7所示。最大主应力及最小主应力分布基本与自然坡面平行，受两组结构面影响，局部出现锯齿状分布现象，但总体分布符合斜坡应力分布规律，并呈现出明显的高山峡谷应力分布特征，即在坡脚河谷位置出现应力集中现象，陡坡面存在受拉区，这些都为边坡底部出现剪切破坏以及高位陡岩发生崩塌落石等地质灾害提供了条件。图7给出了天然状态下边坡岩体的屈服区分布图（红色实线表示节理屈服，红色圆圈表示岩块受拉屈服，红色叉表示岩块剪切屈服），由图可知，自重作用下，坡脚位置岩体出现了剪切屈服现象，坡顶存在受拉屈服区，但是屈服区主要局限在坡体内部，并未从坡脚延伸至坡顶，形成贯通面，这与当前坡体的稳定状态相符。

图5 最大主应力云图

（红色实线表示节理屈服，红色圆圈表示岩块受拉屈服，红色叉表示岩块剪切屈服）

图6 最小主应力云图

（红色实线表示节理屈服，红色圆圈表示岩块受拉屈服，红色叉表示岩块剪切屈服）

图7 岩体屈服区分布图

（红色实线表示节理屈服，红色圆圈表示岩块受拉屈服，红色叉表示岩块剪切屈服）

2.2.2 破坏模式分析采用强度折减法分析边坡的破坏模式，强度折减至极限平衡状态时边坡的计算结果如图8~10所示。由图可知，该陡崖边坡的破坏模式为渐进式倾倒破坏。坡脚处由于应力水平相对较高，在各种自然营力的作用下，该处由陡倾节理切割形成的陡倾岩板开始绕坡脚向外挠曲，陡倾节理出现剪切屈服和张拉破坏，岩板在根部处的弯曲应力持续增大，当该应力超过岩板的承受能力时，靠近坡面的岩板首先发生弯折破坏；坡体后部岩板由于失去了前部岩板的支撑，随着时间的推移，将继续发生渐进性的倾倒破坏，破坏范围进一步增大，最终形成的坡体变形图如图9所示。由于该处位置下方为煤层采空区，施工扰动会加剧变形发展。

图8 极限平衡状态总位移云图

图9 坡体网格变形图

图10 强度折减至极限平衡状态岩体屈服区

2.3 上游侧陡崖边坡稳定性分析

选取两岔河上游侧陡崖断面作为计算断面，如图11所示。概化出数值计算模型，计算模型尺寸取为长约500 m，高约250 m，满足消除边界条件影响要求。采用六节点二次单元对模型进行有限元离散，共计4075个单元，9211个节点，单元离散如图12所示。

图11 计算断面图

图12 数值计算模型

2.3.1 初始地应力条件下稳定性分析初始地应力作用下上游侧陡崖边坡的坡体应力状态与隧道出口岸坡相同，均呈现坡脚位置应力集中，陡坡面存在受拉区的高山峡谷应力分布特征，如图13~15所示。为边坡底部出现剪切破坏引发错落式滑坡，以及高位陡岩发生崩塌落石等地质灾害提供了条件。塑性屈服区主要局限于坡体内部，并未形成贯通破裂面，与坡体当前应力状态相符合。

图13 最大主应力云图

图14 最小主应力云图

图15 岩体屈服区分布图

2.3.2 破坏模式分析由图16~图18可知，上游侧陡崖边坡的破坏模式主要为错落式破坏。在自重作用下，随着岩体强度参数的降低，边坡底部剪应力逐渐增大，待达到岩体抗剪强度后，边坡底部岩体首先发生剪切塑性变形，岩体从坡脚以上约10 m位置处向外剪出，剪切破坏面与一组陡倾节理（距坡面水平距离约18 m）组合形成贯通的破坏面，如图18所示。由于滑坡后缘拉裂面较陡（倾角为83度），滑体主要向下发生错落变形，从而形成错落式滑坡。由于桥梁与陡崖边坡的水平净间距不足40 m，上游侧陡崖失稳后，破坏岩体将可能撞击桥梁墩台底部，从而导致桥梁垮塌。

图16 极限平衡状态总位移云图

图17 最大剪应变分布图

图18 岩体屈服区分布图

3 结论

以小江口隧道出口危岩边坡体为例，采用数值模拟方法，选取稳定性程度较差的关键危岩剖面，模拟其潜在破坏模式，并预测岩质边坡体的变形特征和发展规律，得到如下结论：

（1）隧道出口段南侧陡崖符合斜坡应力分布规律，并呈现出明显的高山峡谷应力分布特征，即在坡脚河谷位置出现应力集中现象，陡坡面存在受拉区，这些都为边坡底部出现剪切破坏以及高位陡岩发生崩塌落石等地质灾害提供了条件，其破坏模式为渐进式倾倒破坏，受煤层采空区影响明显；

（2）上游侧陡崖的塑性屈服区主要局限于坡体内部，并未形成贯通破裂面，其破坏模式是错落式破坏。上游侧陡崖失稳后，破坏岩体将可能撞击桥梁墩台底部，从而导致桥梁垮塌。

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Stability Analysis on Key Sections of High and Steep Rock Slope

ZHANG Kuan1, CHENG Qi-hang2, DING Xuan-xing1, WANG Shao-jie1

1.730000,2.610031,

Xiaojiangkou tunnel slope is a high and steep rock slope with limestone mixed with marl. There are two dangerous rock masses enclosed by multiple sets of irregular unloading cracks on the steep cliff, which endanger the safety of the proposed tunnel and bridge. In order to ensure the safety of the construction and operation of the tunnel, taking Xiaojiangkou tunnel as a prototype, we select the key section to evaluate the stability of the local dangerous rock mass. The results show that: the stress state of the slope at the exit slope is the same as that of the steep slope at the upper side, all of them show stress concentration at the foot of the slope, and there are stress distribution characteristics of the mountain canyon in the tensile area on steep slope, the geological disasters such as the shear failure and the collapse of the high steep rock are easy to occur at the bottom of the side slope. The failure mode of the steep cliff on the south side of the tunnel exit section is progressive dumping failure, while the upstream side cliff is staggered failure.

Slope; section; stability

U416.1+4

A

1000-2324(2019)05-0821-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.05.017

2018-05-12

2018-05-29

张宽(1983-),男,硕士,工程师,主要从事滑坡与边坡治理. E-mail:1010144373@qq.com