珠海某隧道洞口崩塌边坡稳定性分析

于志伟，姜照容

（广东省地质局第一地质大队 广东珠海 519001）

0 引言

如今工程建设蓬勃发展，如公路、隧道等施工建设中边坡稳定问题［1-2］不可避免，尤其是存在山体开挖［3］的工程建设。诸多学者针对不同地质环境下工程建设中的边坡稳定性［4-7］、数值模拟方法［8-9］及治理手段［10］进行了探究。不仅是在建设开挖过程中，工程建设完成投入使用后，改造山体而引发的崩塌［11］、滑坡［12］等地质灾害问题的防治工作也至关重要。本文针对珠海某隧道口崩塌边坡，结合其工程地质情况，利用理正软件和Geo Studio 软件分析该边坡受暴雨作用渗流特征及其对边坡稳定性的影响，并提出治理建议。

1 工程概况

工作区地处珠海市某隧道，受连日强降雨影响，隧道南洞口东侧发生崩塌地质灾害（见图1），崩塌处山体边坡经人工削坡，坡面近东西向展布，坡向160°，高度约20～35 m，坡度50～60°，崩塌区位于隧道南洞口上方东侧，先后发生2 次，属浅层滑移式崩塌，宽度约25 m，崩塌深度0.5～1.0 m，崩塌面积约700 m2，体积约300 m3，崩塌体以强风化花岗岩夹中风化花岗岩碎块石为主。在隧道洞口上方平台坡脚处堆积中风化花岗岩崩塌堆积物以碎石、块石为主，少量风化土，现状规模为小型，将隧洞口一角的人造景观石砸坏。

2 工程地质环境

通过现场勘察可知工作区内危岩及崩塌堆积体的分布概况（见图2），并将工作区分为5 个断面进行地质剖析，借助专业岩体分析软件分析边坡稳定性，为后续治理方案提供支撑。

3 崩塌边坡稳定性计算

3.1 基于理正软件的稳定性计算

“理正岩土计算分析软件”是一个适用于土质边坡和岩质边坡稳定性分析的计算软件。根据现场土样的土工分析得到边坡岩土体计算参数（见表1），利用理正软件对崩塌边坡5个剖面进行稳定性计算，探究该边坡各剖面在一般工况和地震工况下的稳定系数（见表2）。

表1 岩土物理力学参数Tab.1 Geotechnical Physical and Mechanical Parameters

边坡节理裂隙发育，不同地段差异变化较大，边坡结构面总体从西侧-东向结构面结合差-结合很差过渡，不同的地段根据实际情况进行取值，边坡西侧可取大值，东侧取小值，具体结合实际情况综合考虑，结构面结合差的地段内摩擦角取20°～24°，粘聚力取54～69 kPa，结合很差的内摩擦角可取17°，粘聚力取46 kPa。

由表2 可知，在一般工况和地震工况下1-1′剖面、2-2′剖面、3-3′剖面、4-4′剖面稳定系数大于1，处于基本稳定状态；而5-5′剖面在地震工况下稳定系数为0.963，为最危险剖面，边坡处于失稳状态，需要进行治理。

表2 剖面稳定系数计算结果Tab.2 Results of Section Stability Coefficient

3.2 基于Geo Studio软件的渗流及稳定性计算

暴雨是边坡崩塌的主要诱因，本研究借助Geo Studio 软件探究暴雨工况下崩塌边坡的入渗特征及其对边坡稳定性的影响。

3.2.1 计算原理

本次研究采用Geo Studio 中的SEEP/W 模块进行暴雨工况边坡渗流场计算，采用SLOPE/W 进行降雨渗流作用下的边坡稳定性计算，其基本原理如下：

⑴饱和-非饱和渗流基本理论（SEEP/W）

水在非饱和土区渗流时满足达西定律，非饱和土中渗透系数由基质吸力或体积含水量求得，根据土水特征曲线并结合达西定律和连续方程，得到二维饱和-非饱和地下水运动的基本方程：

式中：kx、ky分别为x和y方向的渗透系数；H为总水头；θ为体积含水率；t为时间；ρw为水的密度；g为重力加速度；mw为比水容重，应用Geo-studio软件中的SEEP/W地下水渗流模块求解式。

⑵边坡稳定性分析基本理论（SLOPE/W）

本文运用极限平衡法中常用的Morgenstern-Price法分析降雨入渗过程、不同降雨强度及不同降雨历时边坡的稳定性变化。

Morgenstern-Price 法是一种假设相邻土条之间的切向力和法向力是函数关系的方法，通过不断迭代并结合土体边界条件求解边坡安全系数。

土条法向条间力En需满足条件：

其中，y=Ax+B，λ、A、B 为任意常数；X为切向条间力；E为法向力。结合SEEP 模块的计算结果，采用Morgenstern-Price法应用SLOPE模块进行稳定性计算。

3.2.2 计算模型

由3.1 节计算结果可知，5-5′剖面为最危险剖面，因此将该剖面作为计算模型。边坡岩土体主要分为3层：中风化花岗岩、强风化花岗岩和覆盖于边坡上部的砾质黏性土。计算模型如图3所示。

3.2.3 计算结果

利用Geo Studio 软件模拟边坡在暴雨工况下（50 mm/day）连续降雨5 d的渗流结果可知：降雨第2天，雨水主要通过坡面砾质粘性土覆盖层渗入坡体，如图4⒜所示；降雨第3 天，雨水沿坡体表面向下径流，如图4⒝所示；降雨第4 天，雨水开始向深部渗透，由砾质粘性土层向强风化花岗岩层入渗，由图4⒞所示；降雨第5天，雨水持续向边坡内部入渗，强风化层雨水渗流逐渐贯通，坡脚处雨水向中风化花岗岩岩层界面逐步渗透，如图4⒟所示。

通过Geo Studio 软件计算的边坡在降雨过程中稳定系数的变化（见图5）可得：暴雨工况持续到第3 天是，边坡稳定系数为0.986，软件自动检索的最优势滑移面位于边坡表面覆盖层内，如图6⒜所示，边坡主要发生浅层滑移，符合图4⒝中雨水主要从在坡面覆盖层内渗流的特点；当暴雨持续到第4 天、第5 天时，边坡稳定系数分别为0.865、0.86，软件自动检索的最优势滑移面位于边坡强风化花岗岩层中，如图6⒝所示，此时边坡发生整体弧形滑移，符合图4⒞和图4⒟中雨水已从覆盖层渗入到强风化花岗岩中，并且逐步向边坡内部渗透的特点。

4 崩塌边坡稳定性分析

该边坡处于隧洞洞口上方，前期隧道掘进过程中的爆破作业对边坡岩体的震动影响是不利的，主要表现在岩体中的结构面因震动作用进一步张开，导致结构面的结合力降低甚至丧失，结构面的张开也为雨水入渗提供了更好的通道，后期大型重载车辆快速通过隧道所产生的振动对边坡的影响不可忽视。同时，该边坡崩塌面坡度较陡，顶部仍存在松散状态的岩土体和不稳定结构体；此外，整段人工削坡坡度较陡，表层岩土体结构较疏松，珠海雨季较长，降雨强度大，在强降雨作用或人为活动作用下，再次发生浅层崩塌或滑坡的危险性大。

第3节的稳定性计算验证了边坡再次失稳的可能性，由理正软件计算结果可知：在一般工况下边坡可以保持暂时稳定，但在地震工况下，边坡稳定系数已不符合《建筑边坡工程技术规范：GB 50330—2013》要求；由Geo Studio 软件计算结果可知：若遭遇连续降雨，雨水通过边坡顶部松散岩土入渗，增大土体自重，地下水位升高，在重力作用和动水压力作用下，边坡易发生浅层崩塌；随着雨水的通过岩体结构面持续向边坡内部入渗，边坡抗剪强度降低，雨水软化坡脚填土，边坡底部失去支撑，易发生整体滑坡。

5 总结

综上所示，该边坡受降雨及人类工程活动的影响，极可能再次发生崩塌或滑坡，对隧道洞口、过往车辆和人员造成伤亡和经济损失。因此，该边坡必须采取行之有效的治理方案以保障人身和财产安全。对于该边坡的治理，有以下几点建议：

⑴对坡脚进行反压及水泥硬化，增大阻滑力的同时防止雨水入渗软化坡脚土体；

⑵对坡面进行硬化或绿化，同时完善截排水系统，防止雨水和其他排水浸入边坡土体；

⑶可采用放坡+锚杆（索）格构梁，平台标高及放坡坡率结合施工便道过渡。

目前的主流岩土分析软件力学模型较简单，计算结果相对保守；而逐渐兴起的有限单元、离散单元等方法存在计算模型复杂，影响参数繁多，导致计算结果受人为选定影响，难以服众。因此在工程建设的分析中，采用多方法结合的计算分析结果，对边坡失稳的内在因素和外部因素进行综合分析，找到边坡失稳的重点条件，进行针对性治理，有利于提高防灾减灾的效率。