川藏鐵路規(guī)劃區(qū)K208滑坡數(shù)值模擬分析

邱 鵬，蘇培東，郭長(zhǎng)寶，陳婉琳

(1.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都610500；2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京100081)

川藏鐵路規(guī)劃區(qū)K208滑坡數(shù)值模擬分析

邱 鵬1，蘇培東1，郭長(zhǎng)寶2，陳婉琳1

(1.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都610500；2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京100081)

由于路基開挖，川藏鐵路規(guī)劃區(qū)K208大型古滑坡群局部復(fù)活，威脅道路安全。在分析滑坡區(qū)工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，利用FLAC3D建立滑坡地質(zhì)模型，模擬滑坡在未開挖、開挖后和治理后，分別在天然工況、暴雨工況以及地震工況下的剪切變形分布特征。安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果表明，未開挖時(shí)，邊坡在3種工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài)；開挖后，邊坡在天然工況和地震工況下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨工況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)；治理后，邊坡在3種工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

滑坡；穩(wěn)定性分析；數(shù)值模擬；FLAC3D；川藏鐵路規(guī)劃區(qū)

0 引 言

川藏鐵路沿線地形地貌復(fù)雜，構(gòu)造發(fā)育，氣候多變，滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育。在鐵路施工中，如果對(duì)地質(zhì)環(huán)境條件及地質(zhì)災(zāi)害重視程度不夠，往往會(huì)導(dǎo)致古滑坡完全或局部復(fù)活，形成新的滑坡災(zāi)害。川藏鐵路規(guī)劃區(qū)K208滑坡位于甘孜縣城東南，即國(guó)道G317線K208里程處。受甘孜-玉樹斷裂的影響，該處碳質(zhì)板巖巖體極為破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，存在大型～巨型滑坡群。由于公路開挖不當(dāng)，古滑坡局部復(fù)活，蠕滑現(xiàn)象明顯，嚴(yán)重威脅公路安全和影響川藏鐵路規(guī)劃建設(shè)[1-3]。

本文以K208滑坡為例，針對(duì)開挖前、開挖后和加固后的滑坡，利用FLAC3D對(duì)天然工況、暴雨工況和地震工況下的滑坡剪應(yīng)變進(jìn)行了模擬計(jì)算[4]，得到了各工況下滑坡穩(wěn)定性安全系數(shù)，探討了滑坡變形規(guī)律，以期為川藏鐵路規(guī)劃區(qū)滑坡災(zāi)害治理提供參考。

1 滑坡區(qū)工程地質(zhì)環(huán)境

1.1 地形地貌

滑坡區(qū)屬構(gòu)造剝蝕侵蝕高山地貌，位于洛鍋梁子高山中深切割區(qū)。K208滑坡位于G317線K208+130～K208+250 段，滑坡平面上呈不規(guī)則的圈椅狀，橫向?qū)捈s120 m，縱向長(zhǎng)約60 m，面積約6 200 m2，滑坡高程介于3 605～3 645 m。滑坡區(qū)最危險(xiǎn)斷面為 K208+200，相對(duì)高差46 m，坡面多階梯狀，滑坡總體坡度35°～45°，坡腳由于公路開挖形成2～7 m的陡坎，地形起伏較大。滑坡工程地質(zhì)平面見圖1。

圖1 滑坡工程地質(zhì)平面(高程：m)

1.2 地層巖性

滑坡區(qū)地層為中生界三疊系上統(tǒng)兩河口組(T3ln)板巖，灰黑色，千枚狀泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造，礦物成分以粘土礦物為主，可見少量絹云母、石英等。裂隙發(fā)育，裂面起伏粗糙。強(qiáng)風(fēng)化巖體巖芯多呈1～3 cm碎礫狀、薄餅狀，巖體完整性差，質(zhì)軟；中風(fēng)化巖體裂隙不甚發(fā)育，巖體完整性較好。巖層產(chǎn)狀NW335°∠26°，傾向坡內(nèi)。滑坡工程地質(zhì)剖面見圖2。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)試驗(yàn)，巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖2 滑坡工程地質(zhì)剖面

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

滑坡區(qū)隸屬青藏滇緬印尼“歹”字形構(gòu)造區(qū)，揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)四川臺(tái)拗西部。次一級(jí)構(gòu)造屬北北西向構(gòu)造帶—羅鍋梁子復(fù)式向斜，位于羅鍋梁子復(fù)式向斜南西翼。根據(jù)區(qū)域資料，滑坡區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有斷層直接通過[5-6]。

滑坡區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，地貌表現(xiàn)主要為山岳抬升、河流下切。新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的構(gòu)造形跡主要表現(xiàn)為褶皺與斷裂[7-8]。滑坡區(qū)地震嚴(yán)格受鮮水河斷裂控制，從地震歷史資料記錄來看，鮮水河地震帶活動(dòng)頻繁，強(qiáng)度大，1916 年以來發(fā)生Ⅴ級(jí)以上強(qiáng)震10 次，Ⅵ級(jí)以上7 次，Ⅶ級(jí)以上3 次。震中區(qū)烈度Ⅸ～Ⅹ度，震源深度8～13 km。鮮水河斷層是一條活動(dòng)性導(dǎo)震斷層。GB 18306—2015《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》表明，工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.20g，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅷ度。場(chǎng)地屬構(gòu)造欠穩(wěn)定區(qū)。

1.4 水文地質(zhì)

滑坡區(qū)內(nèi)的地表水系主要為山間槽谷的溝渠水，水位高程及流量主要受大氣降水的控制和影響，補(bǔ)給源主要為大氣降水和山坡地表水以及冰雪融水。滑坡區(qū)地下水類型主要為基巖裂隙水。基巖裂隙水無統(tǒng)一水位，其流量受季節(jié)性變化影響很大，多為季節(jié)性山泉，主要接受大氣降水補(bǔ)給，向低洼處排泄。

醫(yī)院中生殖醫(yī)學(xué)中心要設(shè)置獨(dú)立的診室，診室獨(dú)立設(shè)置要點(diǎn)如下：①滿足患者的二次檢查需求，診室應(yīng)該與醫(yī)技部門的檢驗(yàn)科、B超室保持良好的聯(lián)系。②根據(jù)婦產(chǎn)科設(shè)置情況，合理設(shè)置取卵術(shù)后病房。③如果醫(yī)院的建設(shè)規(guī)模比較大，診室要與其他科室保持緊密聯(lián)系，并根據(jù)其他科室的位置，科學(xué)設(shè)置獨(dú)立診室[1]。

2 滑坡基本特征及形成機(jī)制

2.1 滑體基本特征

滑體物質(zhì)主要為中生界三疊系上統(tǒng)兩河口組(T3ln)炭質(zhì)板巖，巖體風(fēng)化強(qiáng)烈，呈強(qiáng)風(fēng)化狀。主要發(fā)育2組風(fēng)化卸荷裂隙：①產(chǎn)狀SE158°∠70°，間距0.2～0.4 m，裂面粗糙，充填粉質(zhì)粘土，延伸長(zhǎng)度1～4 m，張開度0.1～0.5 mm；②產(chǎn)狀SW240°∠55°，間距大于0.3～0.6 m，裂面粗糙，充填粉質(zhì)粘土，延伸長(zhǎng)度1～3 m。滑體最厚處約20 m，平均約13 m，方量約13×104m3，為中型中層巖質(zhì)滑坡，主滑方向約90°。滑床為中風(fēng)化板巖，風(fēng)化裂隙不發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)較完整。滑坡變形特征明顯，滑坡沿坡腳剪出，滑坡后緣出現(xiàn)大量拉裂縫和滑坡陡坎，整體表現(xiàn)為前沿牽引，后緣推動(dòng)的復(fù)合式滑坡。

2.2 滑坡體形成機(jī)制

滑坡區(qū)原為滑坡場(chǎng)地，坡度約 35°～45°，后因公路施工開挖形成4級(jí)臺(tái)階，最大高差達(dá)40 m，坡度40°～45°，過高的臨空面和過陡的坡度為滑坡失穩(wěn)創(chuàng)造了有利的地形條件。板巖強(qiáng)風(fēng)化層風(fēng)化裂隙發(fā)育，完整性差，巖性軟弱，遇水易軟化，這是滑坡產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)。由于板巖強(qiáng)風(fēng)化層裂隙發(fā)育，為地表水下滲提供了有利條件。地下水對(duì)滑坡失穩(wěn)影響明顯，一是改變滑體物理力學(xué)性質(zhì)，增加滑體密度，從而增加了下滑力，降低了滑體抗剪強(qiáng)度；二是地下水的凍融循環(huán)作用加劇了巖體裂隙擴(kuò)張，進(jìn)一步降低了滑體強(qiáng)度，加速了地下水下滲；三是滑床中風(fēng)化巖體較完整，為相對(duì)隔水層，地下水沿中風(fēng)化層順坡向下滲流時(shí)會(huì)產(chǎn)生動(dòng)水壓力和浮托力。由此可見，K208滑坡主要是由于人工不合理開挖、滑體物質(zhì)裂隙發(fā)育，力學(xué)性質(zhì)差，以及地下水的凍融循環(huán)作用等因素綜合導(dǎo)致了古滑坡局部復(fù)活發(fā)生失穩(wěn)。

3 滑坡穩(wěn)定性分析

3.1 強(qiáng)度折減法

J.M.Duncan[9]認(rèn)為，滑坡安全系數(shù)可以定義為滑坡剛好達(dá)到臨界破壞狀態(tài)時(shí)，對(duì)土的剪切強(qiáng)度進(jìn)行折減的程度。通過逐漸減小抗剪強(qiáng)度參數(shù)，將c、φ值同時(shí)除以折減系數(shù)k，得到一組新的強(qiáng)度指標(biāo)c′、φ進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，反復(fù)計(jì)算直至滑坡達(dá)到臨界破壞狀態(tài)，此時(shí)巖土體原有的強(qiáng)度指標(biāo)與采用的強(qiáng)度指標(biāo)之比即為該滑坡的安全系數(shù)Fs。強(qiáng)度折減法應(yīng)用中存在的關(guān)鍵問題是臨界狀態(tài)的判別準(zhǔn)則。

3.2 滑坡體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

根據(jù)滑坡區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)與工程施工情況進(jìn)行三維建模(見圖3)。模型取典型剖面A—A′，對(duì)滑坡在未開挖、工程開挖以及工程治理后，分別在天然工況、暴雨工況以及地震工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行模擬。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開挖過程，計(jì)算分為以下4步：

(1)確定初始條件。在天然未開挖狀態(tài)下計(jì)算，模型達(dá)到平衡狀態(tài)模擬初始地應(yīng)力，然后將位移、速度清零。

(2)模擬此次開挖。由于修筑公路對(duì)邊坡進(jìn)行切坡，軟件中將開挖單元體賦值為NULL模型，求出其剪應(yīng)變?cè)茍D，以分析變形情況。

(3)模擬工程治理。由于切坡不當(dāng)造成滑坡變形，對(duì)其進(jìn)行工程治理。治理措施為削方+抗滑樁。軟件中將工程治理需要開挖單元體賦值為NULL模型，抗滑樁按彈性材料考慮，彈性模量取30 GPa，泊松比取0.2，密度取25 kg/m3。樁體后方使用碎石土回填。

(4)安全系數(shù)求解。按照強(qiáng)度參數(shù)折減法，計(jì)算滑坡在未開挖、工程開挖以及工程治理后在天然、暴雨以及地震工況下的安全系數(shù)。

圖3 K208滑坡三維模型

圖4為滑坡在天然未開挖狀態(tài)下、開挖后以及治理后在暴雨工況下各執(zhí)行5 000步后的剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D。從圖4可知，在未開挖狀態(tài)下，暴雨使滑坡內(nèi)沿古滑坡滑動(dòng)帶分布的巖土體發(fā)生剪切破壞，該剪切破壞從坡頂開始，但未貫穿到坡腳，即沒有發(fā)生新的滑坡。在工程開挖后，執(zhí)行5 000步后，由于坡腳沒有足夠的抗滑力，使滑坡內(nèi)沿古滑坡滑動(dòng)帶分布的巖土體發(fā)生剪切破壞，且剪切破壞區(qū)域貫穿整個(gè)滑坡，此時(shí)古滑坡復(fù)活，產(chǎn)生滑動(dòng)。治理后，發(fā)生剪切破壞的區(qū)域與工程開挖條件下相比明顯退化，并且退化是從坡腳處往坡頂處進(jìn)行的。這說明對(duì)滑坡進(jìn)行治理后，由于坡腳處有足夠的抗滑力，坡腳處的巖土體不再發(fā)生剪切破壞，有效地阻止了滑坡的發(fā)育。

圖4 K208滑坡在暴雨工況下的剪分布

不同工況下的安全系數(shù)見表2。從表2可以看出，滑坡在未開挖條件下處于穩(wěn)定狀態(tài)，在工程開挖條件下處于不穩(wěn)定～基本穩(wěn)定狀態(tài)，在工程治理?xiàng)l件下處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表2 不同工況下的安全系數(shù)

在天然工況下，滑坡在未開挖時(shí)安全系數(shù)為2.24，開挖后降為1.13，安全系數(shù)下降約50%，滑坡由穩(wěn)定變?yōu)榛痉€(wěn)定；暴雨工況下，滑坡在未開挖時(shí)安全系數(shù)為2.00，開挖后降為0.98，安全系數(shù)下降51%，滑坡由穩(wěn)定變?yōu)椴环€(wěn)定；地震工況下，滑坡未開挖時(shí)安全系數(shù)為1.98，開挖后變?yōu)?.06，安全系數(shù)下降約46%。不合理工程開挖使滑坡安全系數(shù)在3種工況下降低46%～51%，說明不合理的工程開挖是導(dǎo)致滑坡發(fā)生的最直接因素。工程開挖形成的高陡邊坡是滑坡形成的基礎(chǔ)條件，開挖形成臨空面降低坡腳抗滑力，是導(dǎo)致滑坡形成的重要因素。

在未開挖時(shí)，天然工況下安全系數(shù)為2.24，暴雨工況下為2.00，暴雨使安全系數(shù)降低約11%；地震工況下為1.98，地震使安全系數(shù)降低約12%。工程開挖后，天然工況下安全系數(shù)為1.13，暴雨工況下降為0.98，安全系數(shù)降低約13%；地震工況下安全系數(shù)為1.06，安全系數(shù)降低約6%。工程治理后，天然工況下安全系數(shù)為1.66，暴雨工況下為1.48，安全系數(shù)下降約11%；地震工況下安全系數(shù)為1.59，安全系數(shù)下降約4%。暴雨使安全系數(shù)降低11%～13%，地震使安全系數(shù)降低2%～12%，說明暴雨和地震也對(duì)滑坡穩(wěn)定性有影響，暴雨對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響更為顯著。水能軟化巖體，使巖體強(qiáng)度降低；其次，巖體裂隙中的水產(chǎn)生的動(dòng)水壓力及靜水壓力都不利于滑坡穩(wěn)定。需要特別指出的是，K208滑坡區(qū)域處于高寒地區(qū)，地下水的反復(fù)凍融會(huì)使巖體裂隙擴(kuò)張，導(dǎo)致地表水下滲加強(qiáng)，加劇了水對(duì)滑坡穩(wěn)定的不利影響。

4 結(jié) 語

K208滑坡是修建公路時(shí)切坡不當(dāng)，加上地下水的作用而導(dǎo)致的古滑坡復(fù)活。不合理的工程開挖對(duì)滑坡穩(wěn)定性影響很大，暴雨和地震對(duì)滑坡穩(wěn)定性影響明顯，暴雨影響尤為明顯。川藏鐵路規(guī)劃區(qū)滑坡和高邊坡眾多，工程施工時(shí)，應(yīng)注意邊坡開挖的合理性以及支護(hù)加固的及時(shí)性。同時(shí)，應(yīng)設(shè)置良好的排水系統(tǒng)以減小水的危害，保障邊坡的穩(wěn)定。

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(責(zé)任編輯 楊 健)

Numerical Analysis of K208 Landslide in Planning Area of Sichuan-Tibet Railway

QIU Peng1, SU Peidong1, GUO Changbao2, CHEN Wanlin1

(1.School of Geosciences and Technology, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, Sichuan, China;2.Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Science, Beijing 100081, China)

The big landslide group at K208 of planning area of Sichuan Tibet Railway has locally revived as a result of road excavation. As thus, the road is in danger. On the basis of engineering geological condition analysis of landslide area, a geological model is constructed by using FLAC3D to analyze the deformation of landslide. The distribution characteristics of shearing deformation of slope in nature, rain and earthquake conditions before excavation, in excavating and after engineering treatment are simulated respectively. The safety factors for each condition have been calculated. It shows that：(a) the slope is stable before excavation; (b) the slope is basically stable in nature and earthquake condition after excavation, but instable in rain condition; and (c) the slope is stable in three conditions after engineering treatment．

landslide; stability analysis; numerical simulation; FLAC3D; planning area of Sichuan Tibet Railway

2016-07-08

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目(12120113038000)；中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司科研計(jì)劃(二院科字201303)

邱鵬(1991—)，男，四川南充人，碩士研究生，研究方向?yàn)閹r土工程勘察與地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估；蘇培東(通訊作者)．

TU457(271)

A

0559-9342(2016)11-0042-05