雪浪山横山寺西侧顺层岩质高边坡变形破坏机理与治理方案分析

2020-05-09喻永祥李后尧张纪星刘德飞

中国地质灾害与防治学报 2020年2期

喻永祥，何伟，李勇，李后尧，张纪星，刘德飞

(1.江苏省地质调查研究院，江苏南京 210018; 2.河海大学地球科学与工程学院，江苏南京 211100)

0 引言

近年来，随着开山采石、修建堤坝等大型工程活动的增多，人工斜坡不断涌现，如未能及时对其加固处理，会比自然斜坡更易发生滑坡、崩塌等灾害。国内外滑坡灾害时有发生，如1996年的贵州印江岩口滑坡、2019年贵州水城“7·23”特大山体滑坡、2010年乌干达东部布达地区大滑坡等，都带来了人员伤亡和财产的损失[1-3]。所以，边坡的稳定性评价与治理措施研究刻不容缓。

边坡的稳定性分析是地质灾害防治的一个重要内容，国内外学者已在这方面做了大量的研究工作。绳培等[4]运用极限平衡、有限差分数值计算方法分析了软硬互层高边坡的稳定性特征，并提出了相应的治理措施。刘顺青等[5]采用有限元极限分析法对土石混合边坡的稳定性进行了分析，得出块石空间的分布位置对安全系数的影响较大。叶帅华等[6]利用PLAXIS3D岩土有限元软件,建立边坡稳定性计算模型,研究降雨入渗条件下多级黄土高边坡的稳定性特性。何振杰等[7]对位于南京市的下蜀土滑坡进行PFC2D数值模拟,研究滑坡变形破坏及滑动全过程。KAZEMIAN等[8]采用三维强度折减法研究了土工细胞加固边坡的稳定性。考虑到土工细胞与填土和周围土壤的接触，采用单层和三层土工细胞对典型的局部受力边坡进行了模拟。OBREGON等[9]以秘鲁某露天矿边坡为例，采用基于概率的方法，将基于立体投影技术的运动学分析与极限平衡法的动力学分析相结合，对该矿台地边坡稳定性进行了评价。BASAHEL等[10]利用FLAC3D代码生成一个三维的、普遍存在节理裂隙的边坡模型，研究了最主要的、最不利的结构面方向对边坡面的影响。边坡稳定性的影响因素是多方面的，其中降雨和地震是影响边坡稳定性很重要的因素[11-13]。张春生等[14]研究了地震作用下块体位移时程的响应规律、残余变形的分布规律,揭示边坡块体的破坏模式。CHANDA等[15]提出了地震荷载作用下假定边坡为圆形破坏面的安全系数的评价方法。JAFARZADEH等[16]提出了地震诱发滑坡位移的预测方法。ALESSIO[17]利用有限边坡稳定模型和一维水流模型对该地区浅层滑坡在一定降雨强度下的稳定性进行分析，结果表明一定强度的降雨可以引发广泛的浅层滑坡。

综上所述，边坡的稳定性分析数值模拟方法主要有有限元法、有限拆分法、离散单元法等，但目前对离散单元法的研究相对较少。离散单元法对模拟含节理裂隙的岩质边坡具有优越性[18]。因此，本文以雪浪山横山寺西侧顺层岩质高边坡为研究对象，运用离散单元法对不同工况下的边坡进行稳定性评价，根据计算结果提出治理措施，解决边坡的稳定性问题。

1 边坡基本特征与数值模型构建

1.1 边坡基本特征

雪浪山东侧山体多处曾为采石场，露天采石活动遗留了高而陡的人工开采坡面，陡壁上或多或少存在危岩石块。矿山关闭后，边坡曾被局部治理，主要采取坡脚短挡墙、覆土种植、坡面补充种植、截排水沟等工艺，但未能彻底消除地质灾害隐患，存在发生崩塌、滑坡的危险。拟研究边坡位于雪浪山东部横山寺西侧，边坡宽度约120 m，坡面面积约26 054 m2，总体走向北北西向，坡向北东东，坡度40°～50°，高差57.3～76.7 m。边坡组成岩性为五通组石英砂岩、局部夹粉砂质泥岩。岩层走向北北东向，倾向南东东，边坡结构为顺向坡。本区主要发育滑移式崩塌灾害，滑塌体约2.0×104m3，分布于边坡的中上部(图1)。

图1 研究区地貌(镜向：南偏西30°)Fig.1 Study zoning

边坡所处地层岩性主要为泥盆系五通组厚层石英砂岩夹薄层粉砂质泥岩和页岩。石英砂岩强度高、抗风化能力强，以弱风化为主。粉砂质泥岩和页岩距离坡面深度8.0～9.0 m，易风化，较破碎，是边坡的薄弱部位。根据现场地质灾害调查，坡面上分布有大量裂缝，裂缝性质为拉张裂缝，并有明显错台现象，主要裂缝产状分别为160°～180°∠70°～80°、270°～275°∠75°～83°，裂缝开裂宽度0.1～2 m，深度8.0～9.0 m，长度可达25 m，总体表现为坡顶线处裂缝宽度和深度最大，向坡内逐渐变窄(图2)。综上，边坡的顺向坡结构、力学性质较差的软弱夹层以及边坡顶部虽已封填但仍有扩张趋势的拉张裂缝，皆是顺层岩质滑坡产生的有利条件。因此需对边坡的稳定性做进一步的分析。

图2 边坡拉张裂缝(镜向：北偏东30°)Fig.2 Slope tension crack

1.2 构建边坡模型及参数选取

图3 横山寺西侧边坡计算模型Fig.3 The slope calculation model of the west side of Hengshan Temple

本文首先通过AutoCAD、Surfer软件构建横山寺西侧边坡的三维地质体模型，再运用3DEC数值模拟软件对研究区边坡的稳定性进行评价。建立模型如图3所示，横山寺西侧地质体计算模型水平自西向东方向长(X轴正向)180 m，水平南北方向宽(Z轴正向)120 m，竖直向高度为(Y轴正向)120 m，区内主要有产状分别为160°～180°∠70°～80°和270°～275°∠75°～83°的两组节理，平均间距约5 m；坡体后缘发育有一道与边坡走向基本相同的拉张裂缝，产状为270°∠80°；潜在滑动面即为粉砂质泥岩和页岩软弱夹层，产状为101°∠20°，滑面深度由钻探资料获得。在坡体上易滑动部位与边坡剪出口位置共布置3个监测点。该模型以摩尔-库仑屈服准则作为本构关系，岩石材料及潜在滑面的物理力学参数根据现场勘察、相关规范及室内试验综合确定，各项参数见表1和表2。通过在水平方向上设置加速度模拟地震对边坡稳定性的影响。查阅《中国地震动参数区划图》GB18306—2015可知，研究区地震动参数为0.05g(重力加速度g)，地震烈度为Ⅵ度。

表1 石英砂岩物理力学参数

表2 潜在滑面物理力学参数

2 横山寺西侧边坡变形破坏机理分析

2.1 应力分析

2.1.1最大主应力分析

图4为三种工况下横山寺西侧边坡的最大主应力云图。从三维云图可知，最大拉应力主要集中在滑坡体东南侧剪出口、产状为270°∠80°的节理组附近以及产状为170°∠70°的节理组北侧。天然工况下，滑坡体上未出现压应力集中；地震工况下和暴雨工况下，压应力集中于滑坡体东南侧剪出口处。三种工况下，深层岩体均受到产状为160°～180°∠70°～80°和270°～275°∠75°～83°两组节理的影响，出现明显的压应力集中现象。天然工况下最大拉应力约0.37 MPa，暴雨条件下最大拉应力约为0.48 MPa，地震工况下最大拉应力约0.42 MPa。综上所述，坡体前缘及节理组附近出现拉应力集中现象，易发生拉张破坏，进而导致边坡发生整体滑移。

图4 治理前不同工况下边坡最大主应力云图(单位：Pa)Fig.4 The maximum main stress cloud map of the lower slope under different operating conditions(unit：Pa)

2.1.2剪切应力分析

图5为三种工况下横山寺西侧边坡的τXY剪应力云图。从三维云图可知，滑坡体所受剪应力主要集中于前缘的两个剪出口位置。最大剪应力在边坡天然状态下约0.35 MPa，暴雨工况下约0.80 MPa，发生地震时最大剪应力约0.60 MPa。综上所述，受重力作用及节理面控制，坡体前缘剪出口位置剪应力集中，岩体发生剪切破坏，暴雨和地震工况下这种剪切错动尤为明显。

图5 治理前不同工况下边坡τXY剪应力云图(单位：Pa)Fig.5 Under the different operating conditions, the stress cloud map of the τXYshear stress(unit：Pa)

2.2 位移分析

图6为暴雨、地震工况下横山寺西侧边坡的总位移云图及位移矢量图。坡体南侧岩土体体积大，相对位移较大，受两组节理控制，沿边坡走向的节理组附近岩体破碎较严重。

从图6中边坡总位移云图可以看出，暴雨工况下坡体总位移约为3～7 cm，边坡后缘出现拉张裂缝，最大位移约7.47 cm；地震工况下坡体整体位移约3～4 cm，最大位移约4.73 cm。从边坡的位移矢量图可以获知，潜在滑坡体在重力作用下，沿软弱层面向正东滑动，受到两组节理控制，节理面两侧岩体的滑移方向有着些许的差异。

图6 治理前不同工况下边坡位移情况(单位：m)Fig.6 The displacement of the slope under different operating conditions(unit：m)

图7分别为暴雨工况下各监测点的总位移、X向水平位移、Y向竖直位移和Z向水平位移的变化曲线图。从图中可以看出，暴雨工况下，1、2、3号监测点的总位移量分别为6.35 cm、5.20 cm和4.56 cm。其中X向水平位移为6.19 cm、4.94 cm和4.26 cm，竖向Y位移为-1.41 cm、-1.61 cm、-1.63 cm，水平Z向最大位移为0.02 cm、0.27 cm、0.04 cm。强降雨条件下，X、Y向位移均有所增加，1、3号监测点的位移差增大，2号监测点的Z向位移明显增加。暴雨使局部岩体位移增加，且增幅较大，主要表现在水平向，坡体后缘的变形趋势加大，易产生拉张裂缝和沿节理发育的小规模滑塌，2号监测点所在的部位水平Z向位移增大，易发育剪切破坏。

图8分别为地震工况下各监测点的总位移、X向水平位移、Y向竖直位移和Z向水平位移的变化曲线图。从图中可以看出，地震工况下，1、2、3号监测点总位移量分别为4.54 cm、4.01 cm和3.92 cm。X向水平位移为4.37 cm、3.78 cm和3.69 cm，竖向Y位移为-1.20 cm、-1.35 cm和-1.32 cm，Z向瞬时最大位移为0.04 cm、0.16 cm和0.01 cm。地震工况下，1号监测点位移较大，有先滑动的趋势；2、3号监测点的总位移与X、Y方向位移相差无几，在Z方向上，2号监测点的位移增大，可能比3号监测点所在部位先发生剪切破坏。

2.3 变形滑移机制分析

结合研究区工程地质条件、边坡变形现状与离散元数值模拟结果可知，边坡地层为单斜构造，岩性为较坚硬的石英砂岩夹软弱的粉砂质泥岩和页岩，层面倾向与坡向大致相同，为顺向结构，潜在滑动面即为软弱夹层层面；开山采石造成坡体前缘形成陡倾临空面，为滑坡的发育提供剪出口；两组相互交叉的节理将坡面岩体切割成块状，降低了坡面岩体的稳定性，为深部顺层岩质滑坡的发育创造了有利条件。

天然状态下，边坡欠稳定，坡面岩体在节理、裂隙的切割下，变成易滑动的碎块状，一旦外界条件发生改变，就有发育小范围滑塌的可能性。潜在深层滑坡体经过岩体内部的蠕变，已经达到新的平衡状态，没有进一步滑移的趋势。

图7 暴雨工况Fig.7 Storm condition

暴雨条件下，边坡后缘岩土体重量增加，在产状为270°∠80°的节理组后方形成一道与边坡走向相同的拉张裂缝，坡体沿潜在滑动面移动的趋势加大。2号监测点所处的剪出口较3号监测点所在的剪出口更易发育剪切破坏，发育滑坡时，潜在滑坡体在东北方向率先发生剪切破坏，随后东南方向坡体前缘剪切错动，最后带动边坡整体发生破坏。

图8 地震工况Fig.8 Seismic condition

发生地震时，研究区边坡主要受水平方向地震力的影响，南北向地震力作用在潜在滑坡体剪出口位置，使其更易发生破坏，沿坡向地震力会加大潜在滑体的下滑力，使边坡更易发育深部顺层滑坡。同时，坡体震动会使节理、裂隙切割成的碎块状岩体脱落，发育小规模的滑塌地质灾害。

综上所述，研究区边坡表面破碎岩土体为浅层滑塌的发育提供了有利条件，开挖临空面、顺向坡结构以及岩体内软弱夹层对边坡的深层滑移产生正面影响。虽然边坡后缘拉张裂缝的总变形量不多，但是随着连续强降雨、周边中强地震的波及影响，潜在滑坡体剪出口位置的岩体可能会发生剪切破坏，后缘拉张裂缝依然会持续产生蠕变，坡面破碎岩体同样有发育小范围滑塌的可能性。一旦边坡应力平衡被打破，便会产生整体滑移，最终危及横山寺内人员的生命与财产安全，所以在进行边坡治理设计时，应着重考虑浅层滑塌与深层滑坡的危害，避免地质灾害的发育。

3 边坡治理方案

3.1 治理方案

综合边坡工程地质条件与基于数值计算得出的变形滑移机制可知，边坡滑移面距离坡面8.0～9.0 m，滑移面积约26 054 m2，滑塌体的体积约200 000 m3。边坡主要发育崩塌灾害，破坏模式主要以滑移式崩塌破坏为主。设计采用削坡降坡的方式将潜在崩塌体削除，之后对坡面进行锚杆加固，对坡脚进行压脚处理。因此，根据工程实际与经济合理性，提出了边坡开挖、锚杆(索)加固和设截、排水沟等加固措施，边坡加固方案如图9所示。锚杆布置在三级平台上方坡面，直径为32 mm，长度均设计为8 m，垂直间距为3 m，水平向每隔4 m布置一根，杆体下倾20°。锚索分别布设在一、二级平台上方坡面，结构物采用格构梁。在中硬岩层中，锚索轴向应力衰减严重，仅有5～6 m的传递深度，故锚固段长度取较大值6 m。一级平台上方坡面采用总长度为16 m的锚索，二级平台上方坡面锚索总长度为28 m。考虑到边坡受强降雨影响会导致坡面汇水，使得滑坡发生的几率增大，在坡顶、坡脚及各级平台设置截、排水沟。

图9 设计剖面图Fig.9 Design profile

3.2 治理效果分析

通过在3DEC软件中对模型进行削坡，开挖出三级平台，输入锚杆(索)的位置坐标和强度参数(锚杆为绿色，锚索为红色)，并应用治理前的边坡岩体力学参数对治理后坡体的稳定性进行计算分析，治理后模型如图10所示。

图10 治理后边坡Fig.10 Back slope

图11为治理后三种工况下横山寺西侧边坡的最大主应力云图。从三维云图可以看出，削坡导致滑体剪出口被清除，拉应力主要集中于滑坡体南侧，但整体应力偏小。天然边坡最大拉应力约0.30 MPa，最大拉应力在强降雨条件下增至0.40 MPa，地震工况下最大拉应力值约为0.33 MPa。在锚杆与预应力锚索的作用下，潜在滑坡体与边坡基本成为一个整体。

图11 治理后不同工况下边坡最大主应力云图(单位：Pa)Fig.11 The maximum main stress cloud map of the lower slope under different operating conditions after governance(unit：Pa)

如图12所示，天然边坡最大剪应力约0.25 MPa；暴雨时，最大剪应力增至0.35 MPa；发育地震时，最大剪应力约0.31 MPa。治理后，因边坡开挖，剪出口被清除，故坡体前缘不会有明显的剪应力集中现象，同时锚杆(索)加固使边坡整体受到的剪切应力减小，剪切错动面向深层移动。

图12 治理后不同工况下边坡τXY剪应力云图(单位：Pa)Fig.12 Under the different operating conditions, the stress cloud map of τXYshear stress(unit：Pa)

图13为横山寺西侧边坡治理后暴雨和地震工况下的总位移云图和位移矢量图。暴雨条件下，潜在滑体后缘拉张裂缝处位移最大，位移量约6.2 mm；地震工况下，锚杆(索)加固措施将潜在滑坡体与下部岩体连成一个整体，地震力使边坡整体位移增大，位移量约0.5～1.2 mm，潜在滑体后缘最大位移约1.8 mm。

图13 治理后不同工况下边坡位移情况(单位：m)Fig.13 The displacement of the slope under different operating conditions after governance(unit：m)

综上可知，边坡开挖后，经过锚杆(索)加固处理，潜在滑坡体与深层岩体连接为一个整体。地震条件下，潜在滑动面上部和下部的位移方向无明显变化，整体未出现大位移，局部也未产生明显的滑动，整体加固效果良好。

3.3 坡体位移及裂缝自动化监测

边坡通过削坡减载、锚杆(索)联合加固，坡体下滑力降低，并与下部基岩连为一个整体。通过在坡顶、坡脚及各级平台布设截、排水沟、加格构，坡体压脚后，边坡坡面抗冲刷能力大大加强，地表水有效排除，入渗量大大减少，降低了边坡下滑的风险。为明确治理后整个坡体的位移变化情况，需要对治理后边坡及后缘拉张裂缝的位移进行持续观测。采用自动化监测手段开展监测工作，监测内容主要是各平台及台阶斜坡上岩土体的水平位移变化量和边坡后缘拉张裂缝的隙宽变化量。自动化监测系统由位移传感器、数据采集仪和无线传输模块构成。位移传感器选用测斜仪和裂缝计。监测点分布情况如图14所示。

图14 监测点分布图Fig.14 Monitoring point distribution

图15(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分别为各监测点位移时程图。由图可知J1、J2监测点各测斜孔的位移总变化量在0～3.6 mm，潜在滑面附近岩体稍有错动。在温度等因素的影响下，边坡内部的岩土体收缩，J3、J4各测斜孔的位移方向均与边坡的滑动方向相反，各测斜孔整体位移变化量在0～3.3 mm，岩体几乎不发生下滑。J5各测斜孔的位移方向由边坡滑动方向转到相反方向，在治理加固措施作用下，各测斜孔位移总变化量在0～6.1 mm，岩体中部的变形较大，此处应为潜在滑面位置。综上所述，各监测点水平位移均有所变化，但变化量较小，整体变化趋势收敛于定值，最大位移量约为6.1 mm。边坡治理之前，最大位移量达到7.47 cm，说明边坡在通过锚杆锚索加固后，总体不再产生大位移，治理效果良好。

图15 各监测点时间位移曲线及裂缝计位移时程图Fig.15 The time displacement curve and the displacement of the crack meter are measured

图15(f)为边坡后缘拉张裂缝处的裂缝计位移时程图，纵轴负向代表裂缝的扩张方向。由图15可知，各监测点拉张裂缝的隙宽均有所增加，增量较小，且增速逐渐变缓，最后趋于稳定。裂缝位移监测点L1、L2、L3的位移量分别约为1.0 mm、1.3 mm、1.8 mm，三个裂缝计的变形量均较小，且裂缝南侧的变形量较北侧的变形量大，说明拉张裂缝在被封填后，仍有扩张趋势，但未继续出现大变形，边坡的下滑已经得到控制。