基于Midas-GTS的某高速公路堆积型滑坡治理前后稳定性分析

吴旭彬，张 巍

(1. 深圳市龙岗地质勘查局，广东 深圳 518172；2. 深圳市岩土综合勘察设计有限公司，广东 深圳 518172)

近年来，在山陵高速公路建设中高边坡和深挖路堑所占比例越来越大，不仅工程治理和后期维护费用高，而且一旦发生滑坡、崩塌等地质灾害后造成的后果相当严重。在山陵高速公路建设之初，针对高边坡和深挖路堑关键控制工程，应做好路基高边坡稳定性控制和防护措施，既可以保障高速公路运行安全，同时降低了后期边坡维护管养和治理费用[1]。因此，必须重视高速公路边坡治理方案设计阶段稳定性分析验证和防护技术的应用研究。

基于以上认识，以某高速公路滑坡体为研究对象，采用现场地质勘查、变形监测手段，揭示了滑坡体的结构变形特征及稳定性。王成汤[2-3]等开展锚索抗滑桩治理堆积型滑坡的试验与数值模拟研究，印证了锚索抗滑桩治理滑坡效果，在此基础上运用三维Midas-GTS有限元软件数值模拟信息化手段，李铀[4-6]等分别从滑坡体治理前后两种工况条件下，滑坡体的水平位移、塑性区塑性应力及稳定性系数进行对比验证，探讨了山陵高速公路堆积型滑坡体治理中信息化手段运用。

1 滑坡概况

1.1 项目简述

本项目滑坡体位于低山剥蚀丘陵地貌区，地形起伏较大，滑坡处于一处向西突出的山咀西南侧，山体标高128～232 m，高差约105 m，山体坡度30～50°，山体表部植被茂盛，山体坡度陡峻。坡面岩土体主要由坡积粉质粘土、残积砂质粘土，全风化及强风化混合岩、片麻岩、片岩等组成，坡体表部的岩土体较软弱，在强降雨及持续降雨作用下易形成崩塌、滑坡等地质灾害。滑坡体地质灾害勘查和调查表明，该处山体滑坡地质灾害处于临滑变形状态，滑坡体上的岩土体松散、软弱，稳定性极差；在连降暴雨的情况下，滑坡变形可能逐步加剧从而产生大规模剧烈滑动破坏的危险。

1.2 地层及构造

根据综合区域地质调查报告资料，滑坡区出露地层主要为第四系残坡积层及震旦系深变质岩，大地构造处于华南准地台湘桂赣粤褶皱系粤中拗褶束的中部，为广从断裂带增城凸起和广花凹陷的交接地段。滑坡区内断裂构造不甚发育，未见近晚期的大断裂通过，滑坡区内节理发育主要有下列三组：①、倾向150°，倾角35°，节理面平滑且极不规则，延伸长约1.5～5 m，密度1～3条/m，属张力裂隙；②、倾向192°，倾角86°，节理面平直，延伸长约2～3 m，密度2～4条/m，属剪裂隙；③、倾向100°，倾角90°，节理面平直，延伸长约2～5 m，密度2～3条/m，属剪裂隙。

2 滑坡体的特征及稳定性

2.1 滑坡体的分布形态

本项目滑坡体处于标高204.87 m的低丘的西侧坡脚地带，山丘呈由南东向北西延伸，形成一道北西向的山脊，滑坡体位于山脊南西侧的山坡上，坡脚标高约128 m，相对高差约77 m。滑坡体所处山坡中下缓、上陡的凹形，下段坡度约25～30°，坡脚地段因受采石等开挖有多处高度8～10 m的陡坎；上段坡度约40～45°，坡面植被茂盛，滑坡周界清晰，后缘已形成贯通的弧形拉张裂缝，前缘在高速公路路面剪出，导致路面隆起，排水沟弯曲和沟壁破坏，根据现场调查和测量，滑坡平面上近半圆形，主滑方向约250°，长约106 m，宽约70 m，滑坡区面积7 150 m2，滑坡体厚度10～15 m，滑坡体积约55 800 m3。

2.2 滑坡体的类别

根据钻孔资料及现场调查，滑坡体主要由基岩风化壳、残坡积土等构成，物质组成主要为坡积碎石土、粉质粘土，残积砂质粘性土和全风化混合岩，并存在大量孤石，在钻孔中均揭露大量的孤石，孤石块度一般在1.0 m左右，在ZK5孔中揭露块孤石块度达4 m。土质呈可硬塑状态，全风化岩已完成风化呈坚硬土状，为极软岩，孤石岩性为混合岩，风化程度以中微风化为主，属较硬岩～坚硬岩。滑坡体内粗细颗粒大小悬殊、分布不均，颗径0.01～5.00 m，小的不到1 m3，大的有十多立方米，多呈棱角状～次棱角状，个别呈亚圆状。根据滑坡体的物质组成和结构形式，属于堆积层(土质)滑坡。

2.3 滑坡体的形成机理

滑坡体形成了清晰滑坡后缘及周界、前缘剪出口位置清晰，同时坡体上出现不同程度的裂缝，局部地段出现次生的崩塌、滑坡等破坏现象，在滑坡体后缘裂缝处现场布设雷锋观测点，详见滑坡体变形破坏裂缝观测点及破坏迹象示意图(如图1)。通过现勘测分析得出滑坡宏观变形破坏特征：滑坡后缘形成成贯通的弧形拉张裂缝，可见长度约120 m，裂缝宽约0.1～1.5 m，裂缝两侧错落约0.3～1.7 m，裂缝面粗糙，局部较光滑，可见擦痕。裂缝呈现由两侧向滑坡后缘顶部的变形破坏程度逐渐增加的特征，即裂缝的宽度、两侧错落高差逐渐增大的趋势，经对裂缝不同段的调查和测量统计值，详见表1滑坡裂缝观测统计表，可反映出裂缝的特征。

图1 滑坡体变形破坏裂缝观测点及破坏迹象示意图

表1 滑坡裂缝观测统计表 cm

滑坡前缘剪出口地带可见地面隆起和鼓出变形，高速公路向北一侧的路面有30 m路面发生隆起，从现场观察，最大降起高度达7 cm；同时路面东侧安全防栏发生弯曲和向后倾倒的现象；排水沟受到挤压变形而鼓出，内侧的斜面沟壁变为直立，内、外侧沟壁几乎叠合在一起，沟壁产生横向鼓张裂缝，裂缝长度约20 m，宽约3～5 cm，将浆砌块石沟壁破坏。滑坡前缘剪出目前仅出现在中轴附近，尚未形成贯通的剪出裂缝，前缘两侧以挤压变形和卸荷变形为特征。

2.4 滑坡体的稳定性判别

滑坡体灾害现场调查，并在滑坡体上布置了滑坡位移及沉降监测，在滑坡体后缘裂缝两侧的两均匀布设21个观测点，详见滑坡体监测点分布图(如图2所示)，分别进行首次观测，随后于第7 d、第14 d、第21 d、第28 d观测各监测点的位移量，通过对滑坡体进行变形观测，各监测点累计位移及沉降数据统计结果表明滑坡体发生了深部位移，其相对孔底的最大位移达390～414.9 mm，可能存在一定的误差。其余监测点的最大位移在4.95～210 mm。各监测点累计位移及沉降数据统计详见表2。

图2 滑坡体监测点分布图

表2 各监测点累计位移及沉降数据统计表 mm

根据滑坡体变形破坏迹象示意图揭示，本项目滑坡体地质灾害处于变形过程中，滑坡后缘变形明显，变形量较大；同时结合工程类比和滑坡体变形监测统计数据分析得出，滑坡体的不同部位随时间的变化均有不同程度的变形，且滑坡体后缘拉裂变形明显，因此，滑坡体处于变形破坏的过程中。

3 有限元计算模型的建立

3.1 三维数值建模原理

在三维Midas-GTS有限元软件建立模型时，岩土体的物理力学参数选取非常重要，不仅与岩土体本身物理化学特性有关，还与岩土体在所处的空间状态和地质构造相关[7]。目前获取边坡岩土体力学参数主要依靠勘察、物探等技术手段，但受到技术方法、实验条件等影响，其数据与真实情况还存在一定误差，则不能直接运用到岩土体工程计算分析中[8]。

强度折减法主要理论是岩土体的本构关系采用修正摩尔库伦模型，将岩土体的抗剪指标粘聚力和内摩擦角除以折减系数FS,计算得出一个新的抗剪指标粘聚力和内摩擦角，通过强度折减法修正后的抗剪指标参数代入滑坡体中稳定性计算，通过不断折减迭代计算得出滑坡体达到极限平衡状态时稳定性参数。何丙能[9-10]等也研究得出在理论体系上有限元强度折减法比极限平衡法更为严格，它充分考虑了滑坡岩土体的非均质性和不连续性的特征，可以从岩土体的本构关系分析滑坡体的变形和破坏机理。因此在针对复杂地形地貌的三维Midas-GTS有限元软件边坡建立模型时，目前比较普遍适用的强度折减法(SRM)求解边坡的安全性系数、位移和应力结果[11]。

3.2 建模尺寸

本文选取某高速公路K5+280～K5+300段滑坡体作为研究对象。模型建立中边坡高度为77 m，分为五级放坡，1～3级边坡坡率1∶0.6，4～5级边坡坡率1∶2，选取边坡长度16 m作为有限元三维模型。建立模型时考虑三维边界尺寸效应对模型计算结果影响，运用三维Midas-GTS建立模型共划分为33 407个结构单元。滑坡体断面尺寸如图3所示。

图3 边坡断面图(单位：m)

3.3 参数定义

岩土物理力学参数根据现场条件和钻探资料，并参考有关规范及地区经验，岩土体物理力学参数如表3所示。模型材料的选取，根据工程现场试验的资料，经过简化选取本计算模型的参数，材料属性参数如表4所示。

表3 岩土体物理力学参数表

表4 材料属性参数表

4 滑坡体治理前工况稳定性分析

在综合考虑滑坡体的分布形态和结构变形特征情况下，选取某高速公路山体滑坡的2-2地质剖面进行适当优化，建立滑坡体三维有限元模型，同时考虑滑坡

面上下岩土体相对滑动情况，滑坡土层定义粘性土参数，滑坡面及以下分别定义为强风化及中、微风化混合岩参数。

根据现场实际情况和工程需要，在天然工况条件下进行Midas-GTS滑坡体工况分析(SRM)时，通过模拟计算得出以下结论：滑坡体的最大位移值为42.9 cm，与实测最大位移值41.5 cm基本接近，且最大位移值分布与实际滑坡体基本一致，说明滑坡体在自然工况条件下模拟计算基本与实际情况相符合；滑坡体塑性区塑性应变随着坡顶向下形成“弧形”分布的滑动面，滑坡体的稳定安全系数Fs=0.96小于规范要求的Fs=1.35，说明滑坡体已滑动变形中。如图4、5所示。

图4 滑坡体治理前工况条件下位移云图(Fs=0.96)

图5 滑坡体治理前工况条件下剪应变云图(Fs=0.96)

5 滑坡体治理后工况稳定性分析

5.1 滑坡体治理方案

通过现场勘查，影响本项目滑坡体稳定性的因素包括低强度的边坡岩土体、高陡的山坡和雨季连降暴雨等，即对稳定性差的滑坡地段进行抗滑支挡或者采取削方减载及相应的支护措施。

针对天然滑坡体工况条件下滑坡体变形稳定性分析后，在达到设计要求的稳定性安全系数时滑坡的剩余下滑力很大，按折线形滑动面的滑坡体采用传递系数法隐式解计算得出，当滑坡体达到设计工况(自重+地下水)时主滑轴的剩余下滑力为1 840 kN/m，若不进行削坡减载，其支挡结构规格将很大，配筋及施工将非常复杂，因此，对滑坡体采取削坡减载措施。将标高145 m以上滑坡的土体削除，145 m以下至第二排抗滑桩板墙顶125 m标高间的坡体分两级削坡，各级坡面高度10 m，坡率1∶2.0，坡面采用锚索格构梁治理护坡，锚索锚固段锚固在中、微风化岩层中，从而避免产生新的滑坡，格间培土种植绿化，横向修筑排水沟，保障山体排水畅通，避免地表雨水深入滑坡体增加滑坡的不稳定性，坡面间的分别设置3～12 m宽平台。对削坡后的滑坡体进行验算，其剩余下滑力为232 kN/m，在滑坡体的中前缘段布设双排抗滑桩支挡保障高速公路路基的安全。

综合上述情况，结合滑坡治理工程经验，本项目滑坡体地质灾害治理工程确定采用的治理方案为：削坡减载+双排抗滑桩支挡+格构锚固。

5.2 滑坡体治理后工况建模

根据滑坡体治理设计方案建立三维模型时，应按滑坡体实际状态建模。建模时步骤分别为：滑坡体后缘拉裂缝处顶部开始削除后，在滑坡的后壁将形成一处高陡的裸露边坡，对其后采用分台阶削坡，台阶坡面高度10 m，削坡坡率1∶0.6，共分为三级，坡面间形成165、175 m平台，平台宽3 m，为避免滑坡后壁边坡形成次生的滑坡、崩塌地质灾害，对坡面采用锚索格构梁进行治理。在削坡减载后滑坡主轴剩余下滑力为232 kN/m，根据滑坡变形破坏特征及地质环境条件，分别在滑坡体前缘处设置两排抗滑桩板墙。分级削坡处预应力锚索应采用长24 m的5束7φ5预应力高强钢绞线，自由段长度为7 m，施加预应力250 kN，格构梁设置为正方形边长0.4 m；抗滑桩采用矩形1.5 m×2 m，长边与坡向一致，桩芯距3 m，桩长约18 m，在模型编辑时锚索治理按植入式桁架单元上施加集中力模拟分析。

5.3 滑坡体治理后稳定性分析

Midas-GTS三维有限元模型建立后，在进行滑坡体治理后工况分析(SRM)时，计算结果分析得出：

1)滑坡体治理后工况条件下经过模拟计算得出结论：滑坡体最大水平位移量2.4 cm，与实测最大水平位移值1.9 cm相接近，且最大位移量分布在坡顶，滑坡体前缘位移量明显变小，说明采用“削坡减载+双排抗滑桩支挡+格构锚固”治理滑坡体变形位移起到有效控制作用。

2)滑坡体治理后工况条件下，塑性区塑性应变图如图6、7所示，塑性区塑性应变云区域范围缩小至坡顶局部，说明滑坡体塑性区塑性应变逐渐变小，且边坡安全系数值FS=2.0，远大于规范FS=1.3要求，滑坡体的治理效果明显。

图6 滑坡体治理后工况条件下位移云图(Fs=2.0)

图7 滑坡体治理后工况条件下剪应变云图(Fs=2.0)

5.4 滑坡体治理后监测

滑坡体治理完工后，通过2年运营监测数据表明：滑坡体治理后坡体及高速公路路段布置的水平、垂直位移及深层位移监测点，其累计水平位移值2.0 cm、沉降位移值0.9 cm，均符合规范要求。根据监测资料分析得出，本项目滑坡体在不同部位变形均在安全可控范围，说明滑坡体地质灾害隐患已消除，如图8滑坡体治理完工后的全图(竣工2年后)。

图8 滑坡体治理施工后的全图(竣工2年后)

6 结 语

1)以现场勘查资料为依据，揭示滑坡体的分布形态、类别及形成机理，通过现场布置监测点监测滑坡体变形特征，结合工程类比法和现场监测数据进行深入研究，得出堆积型滑坡体的变形破坏发展趋势，并判定了滑坡体的不稳定性。

2)滑坡体在自然工况条件下模拟分析得出，水平方向最大位移量为42.9 cm，塑性区塑性应变范围较大。通过现场勘查发现在自然工况条件下，坡体已出现明显拉裂缝在不断扩大，实测水平位移值为41.5 cm与模拟计算结束相接近，且强度折减法(SRM)模拟计算后的滑坡体安全系数为Fs=0.96小于规范要求的Fs=1.35，滑坡体正处于滑动变形中，应尽快进行应急治理。

3)滑坡体在治理后工况条件下模拟分析得出，最大水平位移量2.4 cm与实测值相接近，塑性区塑性应变范围与自然工况下明显减小，且强度折减法(SRM)模拟计算后的滑坡体安全系数为Fs=2.0大于规范要求的Fs=1.35，滑坡体处于稳定状态。针对堆积型滑坡体选择治理方案时，通过现场勘查与数值模拟相结合方法判别滑坡体滑动带，为设置抗滑桩及锚索加固治理滑坡体提供依据；同时滑坡体治理施工后运营监测数据表明，滑坡体治理后处于稳定状态，说明采用“削坡减载+双排抗滑桩支挡+格构锚固”治理滑坡体能有效控制变形，隐患已消除。

4)针对高速公路滑坡体治理工程，应加强边坡治理信息化手段应用。通过Midas-GTS三维有限元建模与滑坡体治理方案、施工和运营变形监测数据对比，验证Midas-GTS三维有限元建模运用于边坡治理方案可靠性，为类似滑坡治理工程运用信息化手段验证治理方案的效果提供参考。