基于 FLAC3D 的寶天高速公路 K82 段滑坡穩定性分析及治理措施研究

金兆鑫，楊 鵬，龐建平，賈存鵬，

（1.蘭州石化職業技術學院，甘肅 蘭州 730060；2.甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

滑坡災害是威脅和影響高速公路正常運行的主要災害之一［1，2］。近年來，甘肅南部山區修建高速愈來愈多，因誘發滑坡的因素與滑坡所處的地層巖性、地形地貌、環境、氣候等因素密切相關，發生機理各不相同，所采取的的治理方式亦不相同［3-5］。須從滑坡現場地質條件出發，摸清滑坡形成機理和變形特征，從科學的工程治理角度給出合理的處置方案，確保高速公路正常運行不受滑坡災害影響［6］。

本文以寶雞至天水高速公路 K82 段滑坡為例，采取現場調研勘察研究地質環境，分析了滑坡的成因和滑坡的基本特征，采用有限元差分軟件 FLAC3D 對滑坡的穩定性進行了分析，并對治理效果進行了評價。

1 工程概況

1.1 滑坡概況

滑坡地表形態較為平緩，總體坡度約為 15°～30°，滑坡所在斜坡微地貌非常發育，地表裂縫發育其滑坡后壁及陡坎處多有地下水出露。滑坡體所在斜坡地形北高、南低，整體上呈上陡—中緩—下陡之勢，滑坡后緣位于斜坡陡緩相間之處。滑坡區植被發育，為喬灌結合，多已開辟為農田，為旱地。根據現場調查及勘察成果，滑坡為一中型淺～深層滑坡，滑坡特征較為顯著，滑坡平面形態呈“舌”型（見圖 1），分為 1 號體和 2 號體，滑坡體上發育兩條沖溝，滑坡側界以 1、2 號沖溝為界。滑坡前部坡腳處為 G30 高速公路，路線在該段以挖方路基形式通過，滑坡影響路線長度為 200 m，垂直路線方向長度最長為 90 m，滑體厚度約 8 m，面積為（8.7×103）m2，滑坡體積約（7.0×104）m3。

圖1 K82+500～820 段滑坡全貌

1.2 滑坡變形特征

根據現場調查，2 號滑坡體變形特征明顯，其前緣鼓脹，局部原有護面墻錯動開裂，后壁錯動形成陡坎，坡體張拉裂縫縱橫分布，主要裂縫走向基本垂直滑動方向。整體處于滑動破壞階段，其典型裂縫分布及前緣剪切變形過程如下所述。

滑體后部平臺裂縫走向約為 145°，寬度 10～30 cm，延伸長度接近20m，屬拉張裂縫。由于滑體一側臨溝，有較好的臨空面，該裂縫主要為滑體沿此臨空面滑移形成。滑體后部裂縫走向大多為 330°～360°（見圖 2），寬度 10～20 cm，延伸長度 5～10 m，其走向與主滑方向基本平行，多屬于沿右側溝谷臨空面淺表層溜塌牽引形成的拉張裂縫。前緣剪切裂縫走向 76°，延伸約 62 m，由于下滑力巨大，導致滑坡前緣 G30 高速公路路面發生開裂（見圖 3）。

圖2 2 號體滑坡后緣拉張裂縫

圖3 2 號體滑坡前緣路面開裂

2 FLAC3D 滑坡穩定性模擬分析

該段滑坡在進行現場勘察時主要針對 2 號滑坡體順主滑方向布置了 1 條縱斷面。通過對鉆探資料進行分析，發現該滑坡深層滑帶主要沿已軟化全～強風化泥巖滑動破壞。其中表層有較厚的灰黑色粉質黏土層，稍濕～濕，軟塑～可塑，物理力學強度較低，為滑坡體內的軟弱帶。因此選取滑坡中滑動帶物理力學性質最差軟弱帶的滑體進行穩定性分析。

2.1 FLAC3D 模型建立

FLAC3D 采用三維有限差分程序求解場的控制微分方程，能夠準確地模擬材料的塑性破壞流動，尤其在材料的彈塑性分析、大變形分析及模擬施工領域有獨特的優勢［7，8］。

該滑坡模型是在現場工程勘察所獲取的滑坡邊界、滑體、滑帶、滑床厚度及地質條件數據的基礎上建立的。土體采用服從 Mohr-Coulomb 破壞準則的理想彈塑性本構模型，模型采用實際尺寸，長度 282 m，寬度 15 m，最大高度 136 m，此次計算模型劃分了 5 108 個節點和 22 687 個單元，模型底部對其x、y方向的速度和位移設置為固定約束，前后、左右邊界施加法向約束，上表面為自由邊界，所建 FLAC3D 模型如圖 4 所示。

圖4 滑坡 FLAC3D 模型

2.2 計算參數選取

穩定性計算公式中需要確定的指標有：滑體土的容重γ和結構面的黏聚力c和內摩擦角φ。由于該段滑坡地處甘肅南部雨水較多區域，暴雨是誘發該段滑坡滑動的主要因素，參照前期路線勘察試驗和相關資料，區內滑體考慮暴雨時的容重取 16.8～21.0 kN/m3，通過揭露的地層巖性，結合室內分析滑體的基本物理參數等，在本次計算中滑體的飽和容重取值為 21.0 kN/m3，其參數取值如表 1 所示。

表1 巖土體物理力學參數

2.3 計算結果分析

從圖 5 可以看出，滑坡中部位移較大為-37.2～-30 cm，主要原因是滑坡體中部地形較為平緩，在降雨時雨水的入滲導致該區域表面下沉。這與現場勘查時的結果較為吻合。滑坡前緣靠近公路一側的位移變化為-25～-10 cm，前緣少量區域隆起，此時的滑坡安全系數為 0.85，屬于不穩定狀態；從圖 6 剪應變增量云圖可以看出，暴雨工況下使滑坡沿著滑帶分布的巖土體發生剪切破壞，破壞從坡后緣貫穿至前緣，且前緣的下部有應力集中現象，應力集中導致前緣發生剪脹隆起破壞。綜合現場勘查及數值模擬可知，該段滑坡在降雨工況時處于整體滑動的趨勢，亟需進行合理的治理。

圖5 滑坡位移云圖

3 滑坡治理方案

圖6 剪應變增量云圖

總體方案為 1# 滑坡體采用削方減載措施；2# 滑坡體采用樁板墻+截排水措施進行治理。對于 2# 滑坡體，根據開挖后的剩余下滑力計算，擬在路基右側坡腳設置樁板墻。根據樁身內力計算及勘察結果，設置樁徑為 2.0 m×1.6 m 的普通抗滑樁 22 根及擋土板。為防止滑坡后緣斜坡的降雨匯水滲入滑坡體，擬在滑坡后緣剪切裂縫帶設置排水溝，溝內流水通過自然沖溝引入路基邊溝排出。

1）削方減載。對 1# 滑坡體采取削方減載的治理措施，第一、二級邊坡坡率 1∶1.0，坡高 8.0 m，平臺寬度 3 m，設置框格梁護面；第三級及以上邊坡坡率 1∶1.5，坡高 8.0 m，平臺寬度 3 m；最上一級邊坡坡率 1∶1.5，一坡到頂，平臺寬度 8 m。

2）樁板墻。根據勘察及穩定性分析結果，擬在邊坡開挖面上線設置抗滑樁支擋。根據滑面埋深及抗滑樁樁身內力計算結果，在 K82+500～K82+820 段范圍內，于路基右側坡腳設置樁徑 2.0 m×1.6 m 的普通抗滑樁及擋土板，抗滑樁間距為 5 m，樁長為 18 m，共 22 根；擋土板厚度 0.4 m，單片寬度 4.1 m，高度 4.0 m。抗滑樁采用 C30 混凝土澆筑。樁孔采用 C20 混凝土護壁、人工分節開挖，布置圖如圖 7 所示。

3）截排水工程。為防止斜坡的降雨匯水聚積在斜平臺內滲入滑坡體，在滑坡后緣外約 15 m 處設置一道截水溝，將水引入自然溝內，再設置急流槽，把溝內流水引入路基邊溝處排出，各卸載平臺設置平臺排水溝。

圖7 滑坡治理圖

4 治理效果評價

該滑坡在進行綜合治理后的 FLAC3D 數值模擬剪應變增量云圖如圖 8 所示，因為前緣布置了抗滑樁+擋土板的治理措施，滑坡滑體中部布設了截水溝，無雨水的入滲，滑坡整體無后緣至前緣的貫通剪切應力，只是在滑帶后部存在少量剪切應力，治理后的滑坡安全系數為 1.22，屬于穩定狀態，可見滑坡體采用樁板墻+截排水措施進行治理有效地改善了滑坡的滑動，工程方案是可行的。

圖8 滑坡治理后剪應變增量云圖

5 結語

FLAC3D 模擬的寶天高速 K82 段滑坡在暴雨工況下的滑坡安全穩定系數為 0.85，且有貫穿的剪應力帶的存在，整體處于滑動的趨勢，亟需進行合理的治理。對該段滑坡結合現場勘查進行治理，1# 滑坡體采用削方減載措施；2# 滑坡體采用樁板墻+截排水的治理措施。FLAC3D 模擬的治理后的滑坡無貫通的通剪切應力，只是在滑帶后部存在少量剪切應力，有效地改善了滑坡的滑動，工程方案是可行的。Q