门头沟二斜井滑坡机制研究及稳定性分析

周立 张园园 何欣 刘洋 张彬

摘 要：通过对滑坡体进行工程地质调查测绘以及钻探等手段，结合现场施工环境因素，分析研究滑坡发生机制;采用FLAC3D建立计算模型，对边坡稳定性进行定量分析，同时反演最优设计参数值。经分析，门头沟二斜井发生滑坡的直接原因为在顺层基岩边坡进行切坡及削坡角作业，形成坡脚临空面，同时未及时做支护，致使岩体抗剪强度降低，加之基岩层中存在的顺层软弱结构面在地表水的作用下，致使上覆岩体沿软弱面滑动，形成滑坡。通过FLAC3D分析计算得出，在天然工况下，边坡的稳定系数为0.96，暴雨工况下，边坡的稳定系数为0.68，边坡均处于不稳定状态。边坡的最大位移位于边坡中下部，表现为明显的顺层滑动，坡体出现明显的塑性贯通区。

关键词：滑坡机制;FLAC3D模型;稳定性分析;边坡防治

Abstract： We study the formation mechanism of landslide mass by means of engineering geological surveying， mapping and drilling， and the site operation environmental factors. The quantitative analysis of the slope stability by FLAC3D is used to invert optimum design parameter values. The analysis results show that the Mentougou Erxiejing landslide is caused by the empty face of slope that is formed by cutting bedding rock， so the slope toe has no timely support to result in the reduction of shear strength. Additionally， with the influence of surface water the weak structural surface of bedding rock moves with the covered mass and cause the landslide. By analyzing and calculating by FLAC3D， we found no matter in natural condition with the stability coefficient of the slope 0.96 or in the rainstorm condition with the stability coefficient of the slope 0.68， i.e.， the slope is in instability state. The maximal displacement is located in the central and lower part of slope， and landslide is appeared as the strong bedding slipping and the formation of plastic penetration area on the surface of slope.

Keywords： Formation mechanism of landslide; FLAC3D model; Stability analysis， Slope prevention

0 引言

随着人类工程活动的发展，边坡失稳问题越来越突出。目前现阶段滑坡调查最常见的方法是变形迹象调查，并结合钻探、物探等勘探手段;在边坡变形破坏机制研究及稳定性评价方法方面，前人做了大量的科研工作及理论分析，也获得非常宝贵的实践经验（李忠等，2004;张倬元等，1994;郑颖人等，2003;张社荣，2007;伊丽娟等，2008;中国科学院武汉岩体土力研究所，1981）。对于稳定性评价，多以建设适宜的模型，将复杂问题简单化、形象化，从而得出合理的参数取值。模型的建立大多采用极限平衡理论的条分法以及数值分析方法（张建永，1999）。前者以极限平衡理论为基础，力学模型简单;后者数值分析法作为有限单元法，可直观的模拟出滑坡体的运动形态及潜在的滑动面，推算出坡体的稳定性系数（连金芳，2009）。本次选用目前我国岩土力学与工程界发展最快、最具有影响的数值分析软件FLAC3D进行计算，该软件采用了混合离散方法来模拟材料的塑形流动特性，利用动态的运动方程以及显示方法进行求解，使计算过程更为合理，同时也提高了边坡防治设计计算的精度，为边坡的防治提供了理论基础（李朝晖等，2011）。

研究项目位于北京市门头沟区二斜井小区北东侧，规划建设中的黑山大街北延道路西侧边坡。工程管线铺设施工时，道路边坡发生滑坡，坡长约80m，宽约60m，造成道路及管线损坏，同时严重影响附近居民的生命财产安全。本文通过定性分析与FLAC3D建模计算，对滑坡机制及边坡稳定性进行了系统研究，提高了边坡防治设计计算的精度，为边坡的防治提供了理论基础。

1 场地工程地质条件

1.1 地形地貌條件

滑坡场地位于低山丘陵斜坡地段，原始地形坡度较陡，总体介于20°～35°。因道路建设，该处边坡已做削坡处理，但并未采取其他支护措施，一直处于基岩裸露搁置状态。滑坡发生前，坡脚处正在进行电力管线开挖施工，沿坡脚形成了高宽为4m×4m明挖管沟，长约1.5km，且该段未采取任何支护措施;滑坡发生后，滑坡体对坡脚处正在施工中的电力管沟造成了挤压破坏，部分滑落的破碎岩体滚落堆积于坡脚下道路，坡体上电线杆存在倾倒现象。坡体多处出现裂缝，长约3～8m不等，宽约1～3m不等，随着汛期雨季的到来，雨水的不断入渗致使滑坡后的岩体持续变形，裂缝存在持续增大的趋势。滑坡后缘外侧地表局部覆盖有残坡积土，大部分地段植被较好，山体未见开裂迹象。

1.2 地层岩性

区内地层由新至老主要有上更新统、侏罗系窑坡组。

上更新统（Qp3）：场地南侧有上更新统地层出露，成因主要为坡洪积及洪积。坡洪积物主要为灰黄色黄土质砂质黏土、砾石等，分选差，磨圆为次圆状;砾径大小不一;洪积物主要为黄土质粉砂、夹有砾石层等。

侏罗系窑坡组（Jy）：场地附近基岩主要为窑坡组一段（Jy1）。该地层在场地周边山区和第四系覆盖层下分布。

1.3 结构面情况

根据现场基岩露头和开挖探槽进行地質调查量测，该段边坡坡向约为117°，坡角28°～35°，主要存在二组裂隙结构面。第一组裂隙（L1）：产状（65°～85°）∠（79°～90°），裂隙结构面为软弱结构面，结构面分离，平直光滑，泥质充填，张开度0.1cm～0.2cm，间距5cm/条～20cm/条，裂隙贯通;第二组裂隙（L2）：产状（255°～320°）∠（56°～87°），裂隙结构面为软弱结构面，结构面分离，平直光滑，泥质充填，张开度0.1cm～2.0cm，间距20cm/条～80cm/条。

1.4 岩土参数的选定

根据临近工程勘察和本项目勘查资料，同时参考附近同类工程施工确定岩土工程主要参数，详见表1。

该边坡岩体结构面为软弱结构面，结构面平直光滑、略有起伏，泥质充填，结构结合程度很差。根据规范及类似工程经验，各结构面之间、层面之间抗剪强度指标标准值见表2。

2 滑坡分析与稳定性评价

2.1 滑坡变形情况

本次滑坡体坡向约坡向约为117°，坡角28°～35°。滑坡后缘存在近垂直裂缝，错台迹象明显，最大错台高差3～4m;滑坡台出现数十条张裂缝，裂缝长度3～8m，宽约1～3m;滑坡体前缘可见剪出、隆起迹象（图1、图2）。

2.2 滑坡特征

（1）平面形态

从平面上看，该滑坡主滑方向为沿坡面方向，东南-西北方向长约70m，西南-东北方向宽约60m，滑坡体平面投影面积约3000m2。

（2）滑坡面埋深及特征

根据本次勘查野外调查及钻探揭露，该滑坡滑动面（117°∠30°）为沿强风化砂岩中的顺层节理裂隙面，由于受大气降水的长期浸染侵蚀，形成极为破碎的软弱结构面，钻探揭露滑动面埋深为5.7～9.8m。

（3）滑体物质组成

滑坡体主要由砂岩组成，泥质充填，其风化程度较高，且节理裂隙发育，局部表层覆盖有残坡积土。滑坡体中砂岩含量占比约为99%，其余为填土及第四系残坡积土。

（4）滑坡各部位特征

滑坡后壁：由于滑动变形的影响，后缘形成高约近3m的滑坡壁错落距，滑坡壁出露以强风化砂岩为主，倾角一般为80°～90°，倾向以65°为主。在滑坡后壁附近地表形成密集的张拉裂缝带，张拉裂缝走向大致和滑坡壁平行，裂缝宽约1～3m不等，可见深度一般0.5～3m，呈深 “V”字型。

滑坡侧壁：滑坡体南侧边缘发育有一条破碎带，通过钻孔揭露地层显示，破碎带埋深约15m，主要由坡积土及强风化破碎砂岩组成，结构松散，力学性质差。受此破碎带的缓冲影响，该滑坡南侧壁变形不明显。

滑坡脚：滑坡体前缘可见剪出、隆起迹象。

（5）滑坡分类

综合判定滑坡按物质组成分类为基岩滑坡;按滑动体厚度分类，滑坡厚度主要为10m以内，为浅层滑坡;按结构面特征，该滑坡为顺层滑坡。

2.3 滑坡形成机制分析

（1）自然因素

滑坡坡角为约28°～35°左右，与岩层倾角相近，为顺层结构，且岩层横向及纵向节理均发育强烈，长期受雨水侵蚀影响，抗剪强度降低，极易形成滑动面，致使坡体失稳，造成岩土沿顺层滑动。

（2）人为因素

场地位于山地斜坡地段，原始地形斜坡坡度较陡，坡度约25°～30°。原始地形条件下场地地表植被覆盖较好，构成边坡的主要地层为第四系坡残积层及下伏强—中风化砂岩，岩土体结构一般。但在修建规划道路时，该边坡被人为削坡，基岩裸露，坡面未作任何保护。裸露的基岩风化程度高，节理裂隙发育，有利于大气降水或其它因素形成的地表水沿节理裂隙下渗，侵蚀裂隙面，尤其对砂岩中软弱的泥质夹层造成破坏强烈，使其岩层软弱面抗剪强度降低，形成不利于边坡稳定的软弱滑动面。同时在修建电力管沟的施工中，管沟开挖对该边坡坡角切割，形成了高约4m的临空面。

（3）综合分析

综上，在顺层基岩边坡进行切坡及削坡角作业，形成坡脚临空面，同时未及时做支护，致使岩体抗剪强度降低，加之基岩层中存在的顺层软弱结构面在地表水的作用下，致使上覆岩体沿软弱面滑动，形成滑坡灾害。

2.4 基于FLAC3D的稳定性分析

（1）评价标准

边坡稳定性评价中，治理工程等级按Ⅱ级考虑，设计工况为自重+现状地下水位，设计安全系数为1.20;稳定计算工况分别考虑边坡滑坡后、未治理前在天然工况、暴雨工况的稳定性。

（2）模型建立

采用由美国ITASCA公司开发的仿真计算软件FLAC3D，根据实际测绘所得地形图建立模型。计算模型的三维尺寸为200.2m×1.0m×91.5m。计算模型共划分为10707个单元和16062个节点。场地内地层根据钻探结果揭露显示，坡体地层分别为人工填土层、强风化砂岩和中风化砂岩（计算模型如图3所示）。模型计算考虑边坡岩土体的分层，计算方法采用总应力法，计算参数采用总应力指标，本构模型采用摩尔库伦模型。

（3）计算分析

通过本次模拟计算分析，该滑坡的最大位移多分布于边坡中下部，表现为明显的顺层滑动。天然工况下，边坡的塑性区分布如图4所示，边坡体表层出现明显的塑性贯通区，稳定系数为0.96，边坡处于不稳定状态;暴雨工况下，边坡的塑性区分布如图5所示，边坡体一定深度范围内出现明显的塑性贯通区，表现为滑坡体的最不利结构面，边坡的稳定系数为0.68，边坡处于不稳定状态。在暴雨工况下，滑坡剪应变增量相比天然状态下出现更为明显的贯通，基本沿着边坡岩体强风化界面，由滑坡体后缘向坡脚剪出口处贯通，塑性分布区较天然工况下分布范围扩大，模拟显示的剪应变增量贯通区与现场勘探揭露的滑动面基本一致。

3 结论

通过对滑坡体特征的分析研究，其发生滑坡的主要原因为在顺层基岩边坡进行切坡及削坡，同时未及时做支护，致使岩体抗剪强度降低，形成了不利的软弱结构面，加之雨水入渗的影响，造成岩体滑动。

通过FLAC3D分析计算得出的稳定性系数基本与现场判断一致，可作为本次反演模拟分析得出的最优参数值。通过稳定性分析计算，提高了边坡防治设计计算的精度，为边坡的防治提供了理论基础。

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