基于 FLAC3D 的宝天高速公路 K82 段滑坡稳定性分析及治理措施研究

金兆鑫，杨 鹏，庞建平，贾存鹏，

（1.兰州石化职业技术学院，甘肃 兰州 730060；2.甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃 兰州 730030）

0 引言

滑坡灾害是威胁和影响高速公路正常运行的主要灾害之一［1，2］。近年来，甘肃南部山区修建高速愈来愈多，因诱发滑坡的因素与滑坡所处的地层岩性、地形地貌、环境、气候等因素密切相关，发生机理各不相同，所采取的的治理方式亦不相同［3-5］。须从滑坡现场地质条件出发，摸清滑坡形成机理和变形特征，从科学的工程治理角度给出合理的处置方案，确保高速公路正常运行不受滑坡灾害影响［6］。

本文以宝鸡至天水高速公路 K82 段滑坡为例，采取现场调研勘察研究地质环境，分析了滑坡的成因和滑坡的基本特征，采用有限元差分软件 FLAC3D 对滑坡的稳定性进行了分析，并对治理效果进行了评价。

1 工程概况

1.1 滑坡概况

滑坡地表形态较为平缓，总体坡度约为 15°～30°，滑坡所在斜坡微地貌非常发育，地表裂缝发育其滑坡后壁及陡坎处多有地下水出露。滑坡体所在斜坡地形北高、南低，整体上呈上陡—中缓—下陡之势，滑坡后缘位于斜坡陡缓相间之处。滑坡区植被发育，为乔灌结合，多已开辟为农田，为旱地。根据现场调查及勘察成果，滑坡为一中型浅～深层滑坡，滑坡特征较为显著，滑坡平面形态呈“舌”型（见图 1），分为 1 号体和 2 号体，滑坡体上发育两条冲沟，滑坡侧界以 1、2 号冲沟为界。滑坡前部坡脚处为 G30 高速公路，路线在该段以挖方路基形式通过，滑坡影响路线长度为 200 m，垂直路线方向长度最长为 90 m，滑体厚度约 8 m，面积为（8.7×103）m2，滑坡体积约（7.0×104）m3。

图1 K82+500～820 段滑坡全貌

1.2 滑坡变形特征

根据现场调查，2 号滑坡体变形特征明显，其前缘鼓胀，局部原有护面墙错动开裂，后壁错动形成陡坎，坡体张拉裂缝纵横分布，主要裂缝走向基本垂直滑动方向。整体处于滑动破坏阶段，其典型裂缝分布及前缘剪切变形过程如下所述。

滑体后部平台裂缝走向约为 145°，宽度 10～30 cm，延伸长度接近20m，属拉张裂缝。由于滑体一侧临沟，有较好的临空面，该裂缝主要为滑体沿此临空面滑移形成。滑体后部裂缝走向大多为 330°～360°（见图 2），宽度 10～20 cm，延伸长度 5～10 m，其走向与主滑方向基本平行，多属于沿右侧沟谷临空面浅表层溜塌牵引形成的拉张裂缝。前缘剪切裂缝走向 76°，延伸约 62 m，由于下滑力巨大，导致滑坡前缘 G30 高速公路路面发生开裂（见图 3）。

图2 2 号体滑坡后缘拉张裂缝

图3 2 号体滑坡前缘路面开裂

2 FLAC3D 滑坡稳定性模拟分析

该段滑坡在进行现场勘察时主要针对 2 号滑坡体顺主滑方向布置了 1 条纵断面。通过对钻探资料进行分析，发现该滑坡深层滑带主要沿已软化全～强风化泥岩滑动破坏。其中表层有较厚的灰黑色粉质黏土层，稍湿～湿，软塑～可塑，物理力学强度较低，为滑坡体内的软弱带。因此选取滑坡中滑动带物理力学性质最差软弱带的滑体进行稳定性分析。

2.1 FLAC3D 模型建立

FLAC3D 采用三维有限差分程序求解场的控制微分方程，能够准确地模拟材料的塑性破坏流动，尤其在材料的弹塑性分析、大变形分析及模拟施工领域有独特的优势［7，8］。

该滑坡模型是在现场工程勘察所获取的滑坡边界、滑体、滑带、滑床厚度及地质条件数据的基础上建立的。土体采用服从 Mohr-Coulomb 破坏准则的理想弹塑性本构模型，模型采用实际尺寸，长度 282 m，宽度 15 m，最大高度 136 m，此次计算模型划分了 5 108 个节点和 22 687 个单元，模型底部对其x、y方向的速度和位移设置为固定约束，前后、左右边界施加法向约束，上表面为自由边界，所建 FLAC3D 模型如图 4 所示。

图4 滑坡 FLAC3D 模型

2.2 计算参数选取

稳定性计算公式中需要确定的指标有：滑体土的容重γ和结构面的黏聚力c和内摩擦角φ。由于该段滑坡地处甘肃南部雨水较多区域，暴雨是诱发该段滑坡滑动的主要因素，参照前期路线勘察试验和相关资料，区内滑体考虑暴雨时的容重取 16.8～21.0 kN/m3，通过揭露的地层岩性，结合室内分析滑体的基本物理参数等，在本次计算中滑体的饱和容重取值为 21.0 kN/m3，其参数取值如表 1 所示。

表1 岩土体物理力学参数

2.3 计算结果分析

从图 5 可以看出，滑坡中部位移较大为-37.2～-30 cm，主要原因是滑坡体中部地形较为平缓，在降雨时雨水的入渗导致该区域表面下沉。这与现场勘查时的结果较为吻合。滑坡前缘靠近公路一侧的位移变化为-25～-10 cm，前缘少量区域隆起，此时的滑坡安全系数为 0.85，属于不稳定状态；从图 6 剪应变增量云图可以看出，暴雨工况下使滑坡沿着滑带分布的岩土体发生剪切破坏，破坏从坡后缘贯穿至前缘，且前缘的下部有应力集中现象，应力集中导致前缘发生剪胀隆起破坏。综合现场勘查及数值模拟可知，该段滑坡在降雨工况时处于整体滑动的趋势，亟需进行合理的治理。

图5 滑坡位移云图

3 滑坡治理方案

图6 剪应变增量云图

总体方案为 1# 滑坡体采用削方减载措施；2# 滑坡体采用桩板墙+截排水措施进行治理。对于 2# 滑坡体，根据开挖后的剩余下滑力计算，拟在路基右侧坡脚设置桩板墙。根据桩身内力计算及勘察结果，设置桩径为 2.0 m×1.6 m 的普通抗滑桩 22 根及挡土板。为防止滑坡后缘斜坡的降雨汇水渗入滑坡体，拟在滑坡后缘剪切裂缝带设置排水沟，沟内流水通过自然冲沟引入路基边沟排出。

1）削方减载。对 1# 滑坡体采取削方减载的治理措施，第一、二级边坡坡率 1∶1.0，坡高 8.0 m，平台宽度 3 m，设置框格梁护面；第三级及以上边坡坡率 1∶1.5，坡高 8.0 m，平台宽度 3 m；最上一级边坡坡率 1∶1.5，一坡到顶，平台宽度 8 m。

2）桩板墙。根据勘察及稳定性分析结果，拟在边坡开挖面上线设置抗滑桩支挡。根据滑面埋深及抗滑桩桩身内力计算结果，在 K82+500～K82+820 段范围内，于路基右侧坡脚设置桩径 2.0 m×1.6 m 的普通抗滑桩及挡土板，抗滑桩间距为 5 m，桩长为 18 m，共 22 根；挡土板厚度 0.4 m，单片宽度 4.1 m，高度 4.0 m。抗滑桩采用 C30 混凝土浇筑。桩孔采用 C20 混凝土护壁、人工分节开挖，布置图如图 7 所示。

3）截排水工程。为防止斜坡的降雨汇水聚积在斜平台内渗入滑坡体，在滑坡后缘外约 15 m 处设置一道截水沟，将水引入自然沟内，再设置急流槽，把沟内流水引入路基边沟处排出，各卸载平台设置平台排水沟。

图7 滑坡治理图

4 治理效果评价

该滑坡在进行综合治理后的 FLAC3D 数值模拟剪应变增量云图如图 8 所示，因为前缘布置了抗滑桩+挡土板的治理措施，滑坡滑体中部布设了截水沟，无雨水的入渗，滑坡整体无后缘至前缘的贯通剪切应力，只是在滑带后部存在少量剪切应力，治理后的滑坡安全系数为 1.22，属于稳定状态，可见滑坡体采用桩板墙+截排水措施进行治理有效地改善了滑坡的滑动，工程方案是可行的。

图8 滑坡治理后剪应变增量云图

5 结语

FLAC3D 模拟的宝天高速 K82 段滑坡在暴雨工况下的滑坡安全稳定系数为 0.85，且有贯穿的剪应力带的存在，整体处于滑动的趋势，亟需进行合理的治理。对该段滑坡结合现场勘查进行治理，1# 滑坡体采用削方减载措施；2# 滑坡体采用桩板墙+截排水的治理措施。FLAC3D 模拟的治理后的滑坡无贯通的通剪切应力，只是在滑带后部存在少量剪切应力，有效地改善了滑坡的滑动，工程方案是可行的。Q