云南红河复员村滑坡稳定性及治理措施研究

2021-07-05姜吉龙阿发友吕鹏辉

地质灾害与环境保护 2021年2期

姜吉龙，阿发友，吕鹏辉

(1.昆明理工大学国土资源工程学院，昆明 650093 ；2.中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司,昆明 650051)

边坡是人类工程和经济活动中最常见的地质地貌环境，由于自然和人为因素的双重影响，以滑坡、崩塌形式出现的边坡变形失稳破坏，给人们的生命、财产和工程经济带来了重大经济损失。由于山地边坡具有地形比较复杂、地层分布不规律等特征，工程地质类比法等传统的评价方法已经无法满足山地边坡的特殊性，日渐兴起的数值分析软件则可以比较好的对边坡进行定性分析和定量评价[1]。本文将用MIDAS/GTS NX 有限元数值分析软件对具体工程案例进行分析。

研究边坡位于元阳县逢春岭乡骂尖村委会复元村，主要对后侧搬迁的复元村造成威胁，坡体逐步滑移后，将对18户83人造成严重危害，威胁资产约540万元，同时将造成较大的社会影响。地质灾害险情等级为中型。由于村庄建设时受资金限制，未对场地开挖及回填的一些边坡进行有效防护，2019年雨季强降雨后，复元村北侧斜坡段出现了不同程度的坡体变形，浅表填土产生了沉降、溜滑，开挖段裸露的岩土体在地表水冲刷下形成了凹槽、空腔，特别在坡脚段形成了严重的淘脚现象，对整个坡体的稳定形成了较大的危害。本文采用MIDAS/GTS NX 有限元数值分析软件，对边坡进行稳定性分析。通过比较支护前后边坡的稳定系数，对支护工程做出评价[2]。对山地边坡支护模拟分析提供一定的参考价值。

1 边坡工程地质条件

1.1 地形地貌

复元村属于一个异地搬迁村庄，该村庄位于山顶部位，本次研究的潜在不稳定边坡位于村庄北侧。随着村庄建设，对场地内地形进行了大量改造，对大部分地段进行了开挖及回填处理，在此基础上修建了2～3层的建筑物，场地改造后基本地形见卫星图1。潜在不稳定边坡处于搬迁场地的北侧弧状坡面上，坡体经过人工改造，上部堆填厚度较大的填土，下部公路开挖后形成开挖边坡，西侧进行了分台(2～3台)削坡处理，分台高度2～7.5 m，坡度40°～45°。不稳定边坡现在长度70 m左右，纵向长度15～32 m，平均长度23 m，不稳定斜坡平面面积1 610 m2，呈不规则长椭圆形。

图1 边坡地形卫星图

1.2 气象及水文地质条件

逢春岭乡属低纬度亚热带山地季风气候区，区内地形复杂，海拔高低差异大，立体气候特征比较显著，年均气温大概22℃，最高气温高达36℃，最低气温低至3.5℃；年均降雨量1 550 mm。项目区位于新安寨河上游右岸斜坡区，属红河水系。新安寨河发源于小新街，由南向北流向元江，河流长度约12.5 km，流域面积42.5 km2，由于处于区域变质岩地区，河流切割深度较大，沟岸多为悬崖峭壁，河水流量15～30 l/s，随降雨量变化较大。总体项目区处于分水岭附近，地表水以生活用水排放为主，无地表泉水等分布，边坡无地下水分布。

1.3 区域地质构造及地震

研究边坡位于红河深大断裂与新寨-勐坪断裂之间，区域构造以断裂构造为主(图2)。项目区内无断裂构造通过，但其附近有两条断裂构造，分别为：红河深大断裂、新寨-勐坪断裂(F3)。新寨-勐坪断裂是一条在古生代以前形成，后来又多次复活的逆深大断裂。有基性岩、花岗岩侵入及铁矿类分布，为压扭断裂。

Q.第四系；N.上第三系;N1.中生界;P1.元古界;1.侵入体界线；2.深大断裂；3.推测断裂；4.背斜轴线；5.向斜轴线图2 构造纲要图

根据《云南地质构造及区域稳定性遥感综合调查报告》，研究区的区域地壳稳定性属次稳定区，新构造运动主要为地壳差异抬升。经查询相关地震档案资料，元阳县境内迄今为止尚无5.5级以上的地震记录，由此表明该区地震活动频率低、强度小、地壳相对稳定。据国家标准《中国地震动参数参数图》(GB18306-2015)和《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)，逢春岭属抗震设防烈度7度区，设计地震分组属第三组，设计基本地震加速度值取为0.15 g。

1.4 地层岩性

依据勘查探井揭露及地质露头及区域地质资料(图3)，边坡浅表土层分布第四系人工堆积层(Q4ml)、第四系残坡积层(Q4el+dl)；下部为元古界哀牢山群乌都坑组下亚组(Ptwa)。典型工程地质剖面图见图4。

(1) 第四系人工堆积层(Q4ml)

①杂填土：褐灰、黑灰色，主要为场地开挖弃土，成分以粉质粘土、片麻岩为主，土体松散，欠固结。

(2) 第四系残坡积层(Q4el+dl)

②粉质粘土：黄色、灰黄色，为可塑状，稍湿，约含5%的角砾，其成分为花岗岩残留的石英、长石等，粒径0.1～0.5 cm。依据钻孔取样测试统计，该土层具中等压缩性。揭露厚度1.0～2.5 m，平均厚度1.5 m。

(3) 元古界哀牢山群乌都坑组下亚组(Ptwa)

③1全风化片麻岩：灰黑色，原岩结构已基本破坏，风化残留长石、石英、云母及少量暗色矿物，多呈粉土状。全风化片麻岩遇水易软化崩解。依据取样测试统计，该土层具中等压缩性。项目区均有分布。

③2强风化片麻岩：依据场地外围出露的情况，片麻岩多呈灰黑或灰白色，为片状结构、层状构造，岩质较坚硬。

Q4.ml第四系人工堆积层；Q4al+dl.第四系残坡积层；Ptwa.元古代哀牢山群；1.不稳定斜坡边界； 2.不稳定斜坡剪出口；3.地层界线； 4.杂填土；5.粉质黏土；6.片麻岩；7.勘查剖面及编号；8.已建挡土墙图3 工程地质平面图

第四系人工堆积层；第四系残坡积层；素填土；1.元古界哀牢山群乌都坑组下亚组；2.粉质黏土；3.片麻岩；4.地层代号；5.全-强风化界线及代号；6.已建房屋及桩基；7.已建挡土墙；8.已建排水沟图4 1-1′工程地质剖面图

1.5 边坡变形特征

通过详细勘查，目前，边坡主要存在坡体上部填土的沉降、滑移变形(图5)，以及坡体下部地表水冲刷严重(图6)，坡脚淘脚现象严重(图7)。斜坡存在多个潜在滑移面，浅表可能发生填土及土岩界面滑动，下部可能在全风化片麻岩中形成最不利圆弧滑动面进行滑动，潜在滑体平均厚度约6.5 m，滑体体积约1.05×104m3，不稳定边坡潜在主滑方向约353°～26°。

图5 边坡现场图

图6 坡脚冲刷图

图7 坡脚淘蚀图

1.6 滑坡的成因机制分析

滑坡及不稳定边坡的发生与发展，主要受到内在基础条件和外在诱发因素的影响。基础条件包括地形条件、地质条件等因素；诱发因素包括人类工程活动以及降雨。边坡地处中山区，地形地貌较陡，地层岩性软弱、松散，地质构造复杂等，滑坡的稳定性容易遭受破坏，各种地质灾害容易发生，加上降雨量大、降雨时间集中以及人类工程活动的扰动，更加容易导致边坡失稳。

(1) 地形条件

边坡位于新安寨河上游右岸斜坡区，岸坡高约40 m，坡度大约35°。有利于地表水的渗入，易发生滑坡等地质灾害。

(2) 岩性结构

边坡区域片麻岩风化带比较厚，其全风化物质呈粉砂、中砂状，受地表水浸润后强度衰减快，容易在全风化带内形成滑动面发生破坏；同时浅表覆盖杂填土等松散物质，易于发生浅表滑坡。

(3) 降雨因素

该区域年均降雨量1 550 mm，24 h最大暴雨量169.3 mm，雨量较为丰富，坡体内的片麻岩遇水易软化，在长时间被雨水浸泡后容易形成软弱层，即滑坡的潜在滑动面。2019年雨季该地区的连续强降雨造成大量雨水入渗，造成边坡局部失稳滑移。

(4) 人类工程活动

由于场地的开挖回填，以及道路的开挖，使斜坡岩土体受到扰动，改变了斜坡内部应力的分布，造成斜坡坡脚处应力集中，导致坡体的稳定性进一步下降。

综上所述，雨水是形成该滑坡的主要因素，由于雨季该地区的连续强降雨造成大量雨水入渗，雨水入渗后软化强风化片麻岩，使其抗剪强度下降，形成软弱结构面，同时又加大了坡体的整体质量，增加了下滑力，最终使上部岩体沿着软弱结构面下滑。

2 基于MIDAS 的边坡稳定性分析

2.1 强度折减法原理

MIDAS的边坡稳定性计算采用有限元强度系数折减法(SRM)。在有限元静力稳态计算中，如果模型表现为不稳定状态，有限元计算也将不收敛。在有限元边坡稳定性分析中，就是通过降低结构面的强度(粘聚力和内摩擦角)，使系统达到不稳定的状态，有限元静力计算就将不收敛，此时的折减系数便可以看作边坡稳定安全系数[2]。有限元强度折减法在最近几年的应用中变得越发广泛，在土坡的稳定分析中已得到普遍认可[3-7]。有限元强度折减法(SRM)的基本原理是将边坡岩土体实际物理力学参数粘聚力C除以折减系数F，内摩擦角φ也除以该折减系数，得到全新的一组C1和φ1，即经过折减后的岩土体物理力学参数计算公式为:

C1=C/F

(1)

φ1=arctanφ/F

(2)

然后将C1和φ1作为新的岩土体物理力学计算参数输入，再进行以上的试算，一直计算到不收敛结束，根据相应的判别准则，可将该不收敛阶段视为岩土体发生破坏。此时该阶段的最大的强度折减系数取值作为该岩土体边坡的最小安全系数[6]。该强度折减系数所计算出的最大剪切面发生贯通，贯通区域可视为边坡岩土破坏滑动面。

2.2 计算模型构建

根据现场测量得到的数据，以1-1′工程地质剖面图为地质模型，导入MIDAS/NX 建立分析模型。该边坡模型长度约54.8 m,高度约38.6 m。对模型进行网格划分，材料属性的赋值，一共生成1 367个节点，1 329个单元。然后对模型做边界约束后再加载进行模拟，分析边坡在一般工况下的稳定状态(图8)。

图8 边坡分析模型模拟图

2.3 计算参数

为了保证计算的科学准确，主要参数通过对现场采取试样进行试验获取岩土体参数，具体数据见表1。建房基础、挡土墙、锚杆的主要参数见表2。

表1 岩土物理力学参数表

表2 材料参数表

2.4 边坡稳定性分析

利用强度折减法(SRM )对该边坡进行天然工况下的稳定性模拟分析。模拟结果如图9、图10所示：支护加固前天然工况下边坡稳定性系数为1.031 3，边坡处于欠稳定状态，最大剪应变出现在坡脚位置，位移变形最大的位置位于坡面上部。存在的潜在滑移面深度最大为16 m，呈圆弧状。与现场观测结果一致。该边坡临近建筑物，破坏后会造成重大人员伤亡及财产损失。根据《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2013)[8 ]，该边坡工程安全等级划分为一级，安全系数Fs=1.35。该边坡在天然工况下属于欠稳定状态，远未达到工程所要求的安全系数，边坡有从坡脚位置剪出滑移的可能，需要立刻进行支护加固。

图9 支护前边坡最大剪切应变图

图10 支护前边坡位移云图

3 边坡治理及防治效果分析

3.1 不稳定边坡治理方案

结合边坡的稳定性及控制性因素，提出边坡治理方案，并用MIDAS软件对治理结果进行分析。由于坡体地层中全风化片麻岩遇水强度崩解的特性，应加强区内截排水措施，减轻地表水对坡体稳定性的影响，局部地段采用封闭措施，治理工程应兼顾浅表滑动和深层滑动破坏。由于边坡坡脚位置剪应力集中，坡面上部土体变形较大，结合现场勘查，不稳定边坡现在主要为坡体浅表填土溜滑、沉降，坡脚裸露岩土体冲刷、淘蚀作用，总体治理方案采用护坡工程为主，在前缘修建护脚工程，坡面冲刷严重段采取护面墙进行封闭防护，同时对坡面地表水进行有效截排。故总体方案为：锚杆框架梁护坡+挡土墙护脚+护面墙封闭+排水工程(图11)。

第四系人工堆积层；第四系残坡积层；元古代哀牢山群；1.素填土;2.粉质黏土;3.片麻岩；4.地层代号；5.全-强风化界线及代号；6.挡土墙;7.锚杆及框架梁；8.圈梁及排水沟；9.已建房屋及桩基；10.已建挡土墙；11.已建排水沟图11 1-1′治理工程布置剖面图

3.2 防治效果模拟分析

治理后边坡剪应变图(图12)显示边坡坡脚位置的剪应力集中得到有效控制，整个边坡剖面无明显剪应力集中特征。通过边坡的位移云图(图13)可以发现边坡表层的大位移变形特征消失，整个边坡的位移明显减小。边坡最大位移从未支护前的37.0 mm 减小到防治加固之后的3.16 mm。边坡的稳定性系数达到1.575 0，属于稳定状态。大于规范规定的安全系数。采用锚杆框架梁护坡+挡土墙护脚+护面墙封闭+排水工程治理该边坡，有效的制约了结构面的贯通，提高了边坡的稳定性，达到了治理目的。