裂隙分布特征對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響研究

張 勇 陸振裕 李佳舒

（1、江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第三地質(zhì)大隊(duì)，江蘇 鎮(zhèn)江212001 2、江蘇地質(zhì)基樁工程公司，江蘇 鎮(zhèn)江212001）

1 概述

邊坡是一種常見(jiàn)的地質(zhì)體，在我國(guó)的中西部地區(qū)有廣泛的分布。2013 年云南省雄鎮(zhèn)發(fā)生山體滑坡，造成46 人死亡；2014年貴州福泉山體滑坡造成6 人死亡21 人失聯(lián)；2016 年貴州省理化鄉(xiāng)發(fā)生山體滑坡，死亡人數(shù)達(dá)64 人；2017 年四川茂縣的地震導(dǎo)致100 多人死亡；2018 年金沙江山體滑坡使得2 萬(wàn)多人緊急轉(zhuǎn)移[1，2]。由此觀(guān)之，邊坡失穩(wěn)造成的破壞是巨大的，不僅會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí)?yán)重威脅人民的生命安全。經(jīng)事后調(diào)查表明，這些邊坡產(chǎn)生的滑坡的主要原因包括兩個(gè)方面：一方面是因?yàn)檫吰聝?nèi)部存在一些薄弱帶或者初始裂隙，在外力使得作用下使得邊坡產(chǎn)生滑坡破壞；另一方面是應(yīng)為外力的作用，在地震、降雨、人為施工等因素的影響下，邊坡初始的薄弱區(qū)域得到充分的發(fā)展，削弱了邊坡的抗滑力，這才導(dǎo)致了邊坡的最終破壞。因此，有必要針對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行深入研究，以減少其對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)的影響。

邊坡主要分為兩大類(lèi)，一種是天然土體堆積逐漸形成的邊坡，比如：山體邊坡、斷裂式邊坡等；另一種是人為造就的邊坡，比如露天煤礦邊坡、垃圾填埋場(chǎng)邊坡等。這些邊坡在形成的過(guò)程中，很難保證坡體內(nèi)的結(jié)構(gòu)都具有較高的強(qiáng)度。在土體強(qiáng)度非均勻性的作用下，邊坡內(nèi)部往往會(huì)存在一些薄弱面，這些薄弱面相較于邊坡結(jié)構(gòu)具有更低的強(qiáng)度，同時(shí)對(duì)于外力（降雨、地震）有更高的敏感性，即邊坡的破壞一般是從這些薄弱區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)展的。李鴻鳴等[3]針對(duì)順坡陡- 中傾角裂隙邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，邊坡的位移變形受邊坡后緣的裂隙及邊坡節(jié)理的聯(lián)合控制；邱瀟等[4]這對(duì)降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，降雨入滲條件下，水體首先會(huì)滲入邊坡的裂隙中，使得邊坡裂隙發(fā)展，這將使得邊坡安全系數(shù)降低；錢(qián)昭宇等[5]后來(lái)針對(duì)邊坡裂隙的形狀進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，降雨入滲在Y 型裂隙下的深度大于X 型裂隙。因此，有必要在邊坡穩(wěn)定性分析過(guò)程中考慮初始裂隙對(duì)邊坡的影響。

為了分析裂隙對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，學(xué)者們提出了多種分析方法[2，6]，主要包括：現(xiàn)場(chǎng)勘查、原位試驗(yàn)、縮尺模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬四類(lèi)[2]。現(xiàn)場(chǎng)勘查是針對(duì)已經(jīng)滑坡的坡體進(jìn)行研究，該方法的成果可行度最高，對(duì)影響因素的分析也更加全面，但其具有一定的危險(xiǎn)性，容易對(duì)工程勘察人員的生命健康造成威脅；原位試驗(yàn)也是一種可靠度較高的試驗(yàn)方法，對(duì)科研人員的安全影響較小，但是其考慮的因素并不全面，且成本的投入較高，因此并不適合進(jìn)行多因素的分析；縮尺模型試驗(yàn)是一種基于縮尺理論的小型模型試驗(yàn)，具有分析因素多，成本投入較少的優(yōu)勢(shì)，但是受模型尺寸的限制，縮尺模型試驗(yàn)容易受到顆粒尺寸效應(yīng)的限制，因此試驗(yàn)結(jié)果可能與真實(shí)的邊坡存在差異，且對(duì)操作人員的理論功底要求較高；數(shù)值分析模型時(shí)近年來(lái)才發(fā)展的一種分析模型，隨著計(jì)算理論的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，其分析結(jié)果的可靠性也逐漸提高，具有成本低，可靠性高，分析因素全面的多方面你的優(yōu)勢(shì)。綜合上述分析，本文主要采用數(shù)值分析的方式對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

綜合上述分析，基于已有的工程案例，本文主要采用數(shù)值分析的方式研究裂隙分布對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

2 工程背景及計(jì)算特點(diǎn)

2.1 工程背景

該項(xiàng)目為常州市某露采宕口。項(xiàng)目處于經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，項(xiàng)目區(qū)地處低山丘陵地貌單元。坡長(zhǎng)約650m，坡頂標(biāo)高為+44～+75m，坡腳標(biāo)高為+4～+7m，邊坡高差40～60m，整體坡度為27°～70°之間，現(xiàn)場(chǎng)已有三處滑坡崩塌堆積體。第一處滑坡后緣已到山頂路邊。巖體地層巖性為中厚層狀中、細(xì)粒石英砂巖、巖屑石英砂巖，夾薄層泥質(zhì)砂巖、泥巖。主要地質(zhì)災(zāi)害為滑坡和危巖體崩塌。該坡體未滑坡區(qū)段仍處于不穩(wěn)定至穩(wěn)定階段，仍有可能在降雨等外界因素下產(chǎn)生二次滑坡，因此需要對(duì)剩余坡體的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

2.2 計(jì)算模型及參數(shù)

該邊坡的模型的幾何尺寸如圖1 所示。邊坡的有效高度設(shè)置為60m，有效寬度設(shè)置為30m。為了消除模型邊界條件對(duì)分析結(jié)果的影響，在原有邊坡的基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展，邊坡坡頂水平延長(zhǎng)20m，坡角向下延伸30m，坡角水平延伸30m，最終的，模型高度90m，寬度50m。為了考慮初始裂隙對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，沿著邊坡坡體內(nèi)側(cè)分別設(shè)置了6 條不同的初始裂隙。

圖1 邊坡的幾何尺寸

為了消除土體強(qiáng)度非均勻性對(duì)分析結(jié)果的影響，邊坡中的土體屬性定義為均質(zhì)土體，其粘聚力為20kPa，內(nèi)摩擦角為48.8°，容重為25.1kg/m3。裂隙的土體參數(shù)：粘聚力10kPa，內(nèi)摩擦角10°。

該模型中采用了3000 個(gè)網(wǎng)格單元，基于剪切耗散能理論對(duì)模型的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行加密。模型的底部設(shè)置了固定端約束，即約束了水平和豎直方向的位移；模型的左右兩側(cè)設(shè)置了水平約束，即約束了水平方向的位移。在不考慮初始裂隙的情況下，邊坡的極限分析結(jié)果如圖2 所示，對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)為1.07，這與真實(shí)邊坡接近破壞時(shí)的情況相匹配。

圖2 無(wú)裂隙邊坡剪切耗散圖

3 裂隙分布模型

3.1 不同裂隙分布位置

以坡頂為基本參照，考慮裂隙的高度分別為-10m，-20m，-30m，-40m，-50m，-60m。邊坡的極限分析結(jié)果如圖3 所示。

圖3 考慮裂隙位置的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

如圖3 所示，可以發(fā)現(xiàn)：隨著邊坡中初始裂隙位置的邊坡，邊坡的安全系數(shù)及對(duì)應(yīng)的剪切帶發(fā)展位置發(fā)生了顯著的變化。結(jié)合圖3 中無(wú)裂隙邊坡中剪切帶的發(fā)展位置可以發(fā)現(xiàn). 當(dāng)邊坡的裂隙位于-10m 時(shí)，邊坡剪切帶在坡頂與初始裂隙相連，邊坡的安全系數(shù)為0.8692，s 相較于無(wú)裂隙邊坡降低了0.2008；當(dāng)邊坡裂隙位置位于-20m 時(shí)，邊坡安全系數(shù)為0.6469，相較于-10m 裂隙的邊坡降低了0.2223；當(dāng)裂隙位于邊坡-30m 時(shí)，邊坡的安全系數(shù)為0.5249m，相較于-20m 裂隙的邊坡下降了0.122,；當(dāng)列些位于邊坡-40m 時(shí)，邊坡的安全系數(shù)為0.501m，相較于-30m 裂隙邊坡的下降了0.0239；當(dāng)裂隙位移邊坡-50m時(shí)，邊坡的安全系數(shù)為0.8114，相較于-40m 邊坡提高了0.3104；當(dāng)裂隙位于邊坡-60m 時(shí)，邊坡的安全系數(shù)為1.07，與原始無(wú)裂隙的邊坡相同。

通過(guò)對(duì)比不同裂隙位置下的邊坡安全系數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)裂隙位于-40m 深度時(shí)，即邊坡的中下段，裂隙分布對(duì)邊坡穩(wěn)定性的削弱效果最強(qiáng)。因此，在工程中應(yīng)注意對(duì)邊坡裂隙位置的判斷，便于合理的評(píng)估邊坡的穩(wěn)定性。

3.2 不同裂隙傾角

受地質(zhì)構(gòu)造的影響，邊坡裂隙的發(fā)展方向各不相同，基于工程背景和上述分析，本文以-30m 深度的裂隙為背景，研究了裂隙傾角對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。裂隙傾角對(duì)邊坡穩(wěn)定性的分析結(jié)果如下圖所示：

如圖4 所示，可以發(fā)現(xiàn)：隨著邊坡中裂隙傾角的變化，邊坡的安全系數(shù)及對(duì)應(yīng)的剪切帶發(fā)展方向發(fā)生了顯著的變化。如圖4a 所示，邊坡裂隙傾角0°時(shí)，邊坡安全系數(shù)為1.069，裂隙的存在對(duì)邊坡穩(wěn)定向的影響較小，并不會(huì)對(duì)邊坡剪切帶的發(fā)展路徑產(chǎn)生影響；如圖4b 所示，當(dāng)裂隙傾角30°時(shí)，邊坡的安全系數(shù)為1.070，裂隙的存在對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響較小；當(dāng)裂隙傾角60°，邊坡的安全系數(shù)下降至0.9393，裂隙的存在對(duì)邊坡剪切帶發(fā)展方向產(chǎn)生了一定的影響；當(dāng)裂隙傾角90°，邊坡的安全系數(shù)又恢復(fù)至1.070,；當(dāng)裂隙傾角120°時(shí)，裂隙的反正對(duì)邊坡穩(wěn)定性存在影響，邊坡的安全系數(shù)下降至1.005；當(dāng)裂隙傾角150°時(shí)，邊坡的安全系數(shù)下降幅度最大，為0.524，邊坡剪切帶的發(fā)展方向受裂隙的影響較為嚴(yán)重。

圖4 考慮裂隙傾角的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

為了分析裂隙傾角對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，結(jié)合分析獲得的邊坡安全系數(shù)和邊坡剪切帶發(fā)展方向，可以的出結(jié)論：當(dāng)邊坡裂隙平行于邊坡坡面時(shí)，裂隙的存在對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響較大；當(dāng)邊坡裂隙垂直于邊坡坡面時(shí)，裂隙的存在對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響較小。因此，在工程勘察過(guò)程中要注意裂隙傾角，這對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的評(píng)估具有重要意義。

4 結(jié)論

常州市某露采宕口項(xiàng)目，研究了裂隙位置對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，分別考慮裂隙分布深度及裂隙傾角對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，具體結(jié)論如下：

4.1 基于極限分析下限法研究了裂隙分布深度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明，當(dāng)裂隙深度為-40m，即邊坡中下部時(shí)，對(duì)邊坡穩(wěn)定性的削弱作用最大。

4.2 研究了裂隙傾角對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明，當(dāng)邊坡裂隙平行于邊坡坡面時(shí)，裂隙的存在對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響較大；當(dāng)邊坡裂隙垂直于邊坡坡面時(shí)，裂隙的存在對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響較小。

4.3 在工程勘察過(guò)程中，應(yīng)格外重視裂隙分布位置和裂隙傾角對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，尤其是當(dāng)邊坡裂隙可能位于邊坡中下部，且平行于坡面時(shí)，這對(duì)于合理的評(píng)估邊坡穩(wěn)定性具有重要意義。