川黔鐵路K119裁縫巖滑坡形成機制與穩定性分析

趙 彪 瞿拓宇 趙志剛

(1.中鐵二院重慶勘察設計研究院有限責任公司，重慶 400023；2.中南大學土木工程學院,湖南 長沙 410075； 3.中鐵七局集團有限公司，河南 鄭州 450016)

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川黔鐵路K119裁縫巖滑坡形成機制與穩定性分析

趙 彪1瞿拓宇2趙志剛3

(1.中鐵二院重慶勘察設計研究院有限責任公司，重慶 400023；2.中南大學土木工程學院,湖南 長沙 410075； 3.中鐵七局集團有限公司，河南 鄭州 450016)

在勘察監測川黔鐵路K119裁縫巖滑坡的基礎上，闡述了該滑坡的基本特征和形成機制，運用Bishop法，計算了該邊坡的穩定性，得到該邊坡的穩定性系數，并采用FLAC3D軟件，對該邊坡的破壞機制進行了數值模擬分析，結果表明，采用Bishop法計算得到的邊坡破壞面與FLAC3D計算得到的初始失穩區域的主滑動面是一致的，該滑坡是以推移為主牽引為輔的復雜滑移機制滑坡。

滑坡，穩定性，形成機制，數值模擬

0 引言

滑坡是一種常見的不良地質現象，它的發生往往給國民經濟帶來巨大的危害。近年來，由于山區鐵路、公路及其他工程設施的興建，需要開山動土，滑坡的危害更加突出，造成的損失不斷增大[1，2]。滑坡的穩定性及形成機制研究是滑坡災害研究的核心難題[3]。本文分析的裁縫巖滑坡位于川黔線綦江區趕水鎮K119+120左側，目前溜坍體已覆蓋在鐵路路基上，鐵路線上方山頂處發生大范圍山體滑坡，破壞了線路和附近房屋。此次滑坡主軸長約460 m，寬約90 m～100 m，整體呈長條狀；滑坡后緣形成了寬約50 m，深約30 m，長約250 m的弧形張拉裂縫；滑體上4戶房屋開裂、倒塌，坡面出現密集的鼓脹開裂，可見魚塘干涸，塘坎、地壩裂縫，樹木、電桿歪斜傾倒，前緣土體發生剪出，在滑坡前緣及左側邊界處發生局部小型滑塌，并擠壓滑坡體右側前部的居民區發生張裂變形。鑒于此，本文在勘察及監測的基礎上對滑坡穩定性進行分析，通過地質測繪、鉆探、室內試驗、無人機航拍等相結合的綜合勘察方法，并利用區域資料、以往勘察成果資料，對滑坡的形成機制進行分析，采用Geo_slope內嵌的Bishop法[4]計算得到邊坡安全系數，同時采用FLAC3D軟件對滑坡形成過程和變形機制進行數值模擬分析。

1 滑坡區地質條件

1.1 地形地貌

裁縫巖滑坡位于四川盆地與黔北山區過渡地帶，區內地貌的發育明顯受構造和巖性的控制，在構造侵蝕、剝蝕環境下形成了坪狀、參差狀低山及中、深丘地形。滑坡區附近最高山海拔約805 m，松坎河谷地帶海拔約293 m，相對高差約500 m。松坎河谷深切，與周圍相對高差達數百米的構造侵蝕山地形成鮮明對照。

1.2 地層巖性

⑨-8砂巖(J2s)。呈灰、灰白色、細～中粒結構，中厚層狀～巨厚層狀構造，泥質膠結。巖層強風化帶厚約0 m～2 m，屬Ⅳ級軟石，D組填料；弱風化帶屬Ⅳ級軟石，C組填料。

1.3 地質構造

測區位于新華夏系第三隆起帶與沉降帶間，屬四川沉降褶皺東緣，即川東褶帶與川鄂湘黔隆起褶帶西緣交接部位。裁縫巖滑坡位于該構造區的官田寺背斜西翼，局部可歸為單斜構造。巖層走向北東，傾向北西，走向N28°～49°E，傾角18°～21°NW，代表性產狀為N45°E/20°NW。普遍發育兩組構造節理：第一組走向為近南北向，節理面多呈垂直，代表性產狀為S-N/90°，節理間距約1 m～3 m，開度1 mm～5 mm，無充填，延伸長度2 m～10 m；第二組走向N75°～80°E，傾角61°～77°SE，代表性產狀為N70°E/77°SE，節理間距約1 m～5 m，開度1 mm～5 mm，無充填，延伸長度2 m～15 m；結構面赤平極射投影見圖1。

2 水文地質條件

2.1 地表水

測區范圍內地表水體主要為緊鄰線路右側松坎河，該河流的補給來源主要為大氣降水，平時流量較小，暴雨時流量驟增，其流量動態受季節影響大。坡面發育季節性流水沖溝，零星分布小型池塘。

2.2 地下水

根據地下水的賦存條件，測區地下水可分為第四系松散層孔隙水和基巖裂隙水。分述如下：

2)基巖裂隙水。該類地下水，主要受大氣降水和松散土層孔隙水補給，易沿巖層層間滲透徑流。受氣候影響變化明顯。

2.3 地下水的補給、徑流和排泄條件

測區地下水主要由大氣降水及地表水補給。補給量的大小不僅取決于補給條件(季節)，還與含水層的吸收能力、匯水面積、植被等密切相關。

測區大氣降水多以坡面流的形式直接排泄至斜坡凹槽并向地形低處排泄，僅少量水體通過土層孔隙與基巖孔隙、裂隙向下滲透運移形成地下水，并以點滴狀、潮濕狀、浸潤狀及井、泉形式排泄于地表，或沿坡腳的夾層砂巖滲出，形成地表水，并最終匯于綦河，水量受季節性控制明顯。

3 滑坡形成機制分析

3.1 水害情況

今年(2016年)入夏以來，綦江區趕水鎮6月27日，28日普降大暴雨，誘發了裁縫巖滑坡，滑坡于6月28日晚上7：30發生了明顯的滑移變形。滑坡主要分布于既有川黔鐵路雷吼洞隧道出口端頂部，K118+880～K119+200左320 m～右60 m范圍。

滑坡后緣形成了寬約50 m，深約30 m，長約250 m的弧形張拉裂縫，滑坡壁為砂、泥巖巖壁(見圖2)；滑坡北緣靠山側已形成貫通的剪切裂縫，受滑坡向河谷位移分量影響，滑坡中部靠山側土體剪切裂縫存在張裂、錯臺現象，導致4戶房屋開裂坍塌，裂縫寬0.2 m～1.5 m，錯臺高度1 m～3 m(見圖3，圖4)。滑坡前緣土體出現了坍塌，滑坡前緣靠河谷側扇形張裂縫發育。

該滑坡前緣及左側邊界臨空，為兩面臨空型滑坡，滑動時滑動方向會受到臨空面的影響。滑動時滑坡前緣及左側臨空面土體被擠壓，從而有臨空面坍塌，導致隧道出口鐵路及道路被坍塌土體覆蓋(見圖5，圖6)。

3.2 滑坡規模及危害

該滑坡體整體呈長舌狀，縱長460 m，橫寬90 m～100 m，面積約4.5×104m2，厚度5.5 m～35.1 m，體積約100×104m3，為縱長型中型滑坡，主滑方向約270°(見圖7)。

該滑坡一旦再次失穩出現整體滑移，將直接威脅滑坡區左前緣居民24戶93人的生命財產安全。鐵路隧道出口滑坡體靠綦江河谷側滑體邊緣臨空面，坍塌物一旦順坡傾瀉而下，對隧道出口段鐵路運營安全影響極大。同時數十萬立方米滑坡體傾瀉入松坎河，極易形成堰塞湖，危害難以估量。

3.3 滑坡形成機制

據現場調查及鉆探揭示，滑坡體前部主要為崩坡積物質，堆積物主要由粉質粘土及塊石構成，厚5 m～20 m；滑坡體中后部主要由脫離母巖的巖體組成，巖性以泥巖為主，夾有砂巖。本次滑動之前，該處已長期多次出現小規模滑動變形，并在后緣形成明顯拉張裂縫。

滑坡后緣拉張裂縫是在自然界長期表生改造過程中，崖頂形成拉張應力區，坡體在自重應力長期持續作用下，后緣拉裂向下發展，形成后緣拉裂段，它的形成加速了雨水滲入基巖裂縫，從而加大、加快了裂縫的變形。再由于滑坡前緣及左側高度臨空，連續的強降雨使滑坡前部崩坡積土體飽水，雨水持續通過貫通性極好的裂隙下滲軟化下部巖體；在持續的降雨作用下，滑坡前緣的崩坡積物質出現滑移變形，前緣崩坡積物質滑移不但造成了后緣斜坡臨空面加大，而且還產生了一定的牽引作用；滑坡后壁附近雨水集中的匯入使得基巖裂隙水壓持續增加，足量且持續的地下水對結構面的軟化以及自重應力和持續高裂隙水壓作用，使得滑坡中后部巖體發生了整體的下錯滑移。在滑坡中后緣巖體的整體滑移產生的擠壓作用下，中后緣土體出現擠壓擴離鼓脹，進一步加劇了土體滑動，導致整體失穩下滑，形成滑坡。總體分析裁縫巖滑坡為土巖混合，以巖為主，推移為主牽引為輔的復雜滑移機制滑坡，從宏觀看，裁縫巖滑坡為高位基巖順層滑坡。

4 滑坡穩定性分析與數值模擬

滑坡穩定性評價是在確定了滑坡地質模型和物理破壞模式以后，給出合理的力學概化模型，通過計算分析評價其穩定狀態和可能的發展趨勢。當前滑坡穩定性評價的數學模型方法大致可分為兩類：一類是基于極限平衡理論的剛體極限平衡法，另一類是數值分析法。本節采用以上兩類不同的方法分別對此次滑坡進行計算分析，滑坡的地層概化剖面如圖8所示。

為確定該邊坡穩定系數取值，本文先采用Geo_slope內嵌的Bishop法對邊坡進行穩定性分析，計算結果如圖9所示。經過分析得到其穩定性系數為0.997，且邊坡僅在上部較為陡峭部分發生失穩滑動，說明該邊坡上部首先處于非穩定狀態，而邊坡下部出現的失穩是上部失穩區域的推擠作用所造成的。

考慮到本依托工點滑坡巖土體的變形、破壞及運動過程，具有典型的漸進性特征，是一個復雜的動態力學過程，為了更直觀的了解其變形破壞的整個過程,本節進一步采用FLAC3D軟件對其破壞過程進行數值模擬分析。

按照工作機理，FLAC3D中包含3種類型的接觸面，即粘性接觸面、滑動性粘結接觸面和庫侖滑移接觸面。按照實際中土石接觸情況，本節選取庫侖滑移接觸面，庫侖滑動接觸面是一種只有完好和破壞兩種狀態的粘性接觸面。破壞發生時，接觸面單元的行為由內摩擦角和粘聚力決定(也包含剛度參數)，粘結強度在沒有設定時其值為0，破壞的粘結單元不能承受有效拉應力。庫侖剪切強度的表達式如下：

Fsmax=cA+tanφ(Fn-pA)。

其中，Fsmax為接觸面發生相對滑動所需要的切向力；c為沿接觸面的粘聚力；φ為接觸面表面內摩擦角；A為接觸面節點代表面積；Fn為當前時刻法向力矢量；當命令“effective=off”時，p為0，否則p取孔隙水壓力值。本文暫不考慮水的作用，即p為0；本文采用的界面參數如表1所示。

表1 土石混合體界面強度參數

本文計算模型網格劃分采用四節點四面體單元，網格劃分生成的節點總數為14 874，單元總數為7 035。計算模型左、右側面邊界采用水平約束；模型底面邊界采用水平、垂直全約束。因為邊坡體為土石混合體松散邊坡，計算過程中不考慮構造應力作用。

材料采用FLAC3D中內嵌的應變軟化模型[5]。滑坡巖土體的變形破壞過程中塑性區的漸變發展過程如圖10所示。

由圖10可知，在計算到第5 000步時，滑坡后緣巖體形成主滑動面，出現滑移失穩；當計算到10 000步時，在主滑動面的擠壓作用下，滑坡中前部巖體形成次級滑動面。從以上分析可知，該滑坡的主要破壞模式為推移式，中前部巖體滑坡破壞模式為松脫式；滑坡后緣巖體由于天然節理的存在，優先出現滑移失穩，且后緣巖體滑坡是沿著天然節理面發生的，而滑坡中前部巖體由于自身穩定性差，在受后緣巖質部分滑移擠壓后無法提供足夠的抗滑力，進而發生滑移失穩。由圖9和圖10對比可知，在邊坡上部區域，采用Bishop法計算得到的邊坡破壞面與FLAC3D計算得到的初始失穩區域的主滑動面是一致的，該分析結果與此次滑坡成因相吻合。

5 結語

本文在勘察及監測的基礎上對滑坡形成機制及穩定性進行分析，采用Bishop法對邊坡安全系數進行計算，進一步采用FLAC3D軟件對滑坡形成過程進行數值模擬，針對滑動面形成過程中塑性區的漸變發展過程進行數值分析，得到了以下主要結論：

1)水害是導致裁縫巖滑坡形成的主要原因，足量且持續的地下水導致結構面軟化、自重應力和裂隙水壓增大，加之天然節理的影響，使得滑坡中后部巖體發生整體下錯滑移，引起滑坡發生。

2)裁縫巖滑坡為土巖混合，以巖為主，推移為主牽引為輔的復雜滑移機制滑坡，從宏觀看，裁縫巖滑坡為高位基巖順層滑坡。

3)采用Bishop法和FLAC3D數值模擬得到的分析結果是一致的，該滑坡后緣巖體滑移失穩后形成主滑動面，擠壓中前部巖體，導致次級滑動面的形成。

[1] 黃潤秋.20世紀以來中國的大型滑坡及其發生機制[J].巖石力學與工程學報，2007，26(3)：433-454.

[2] 殷坤龍，韓再生，李志中.國家滑坡研究的新進展[J].水文地質工程地質，2000(5)：1-4.

[3] 楊為民，徐瑞春，吳樹仁，等.清江隔河巖庫區天池口滑坡變形機制及穩定性分析[J].吉林大學學報(地球科學版)，2007，37(5)：378-384.

[4] 張海云,陳義民,鞏立亮.基于geo-slope軟件對某邊坡的穩定性分析評價[J].山西建筑,2007,33(13):99-100.

[5] 薛海斌,黨發寧,尹小濤,等.基于巖土材料軟化特性的滑坡多級滑動面分析方法研究[J].巖土力學,2015(11):3235-3324.

Formation mechanism and stability analysis of the Caifengyan landslide in Chuan-Qian railway K119

Zhao Biao1Qu Tuoyu2Zhao Zhigang3

(1.CREEC(Chongqing)Survey, Design Research Co., Ltd, Chongqing 400023, China; 2.School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 3.China Railway Seven Engineering Group Co.， Ltd， Zhengzhou 450016， China)

Base on the investigation and detection for the tailor rock landslide in Chuan-Qian railway K119, the basic characteristics and formation mechanism of the landslide are described. The stability of the slope is evaluated by Bishop method and the safety factor is analyzed. The failure process of the slope is simulated and analyzed by using FLAC3Dsoftware. The results show that the sliding surface obtained by two different methods is the same. Furthermore, the mechanism of the landslide is complex and the pushing effect is main with the tractive action.

landslide, stability, formation mechanism, numerical simulation

1009-6825(2016)34-0067-03

2016-09-22

趙 彪(1981- )，男，碩士，工程師

TU457

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