風化巖節理邊坡順層滑坡穩定性分析

劉筑縈

(貴陽觀山湖投資(集團)有限公司，貴州 貴陽 550081)

順層巖質滑坡的控制性滑面以軟弱夾層或層間軟弱帶最為常見[1]；其觸發因素多為降雨或地下水等水力因素[2]。一般孕滑、致災機理：受地下水長期作用，泥巖等軟巖被軟化成軟弱層，在坡體自重作用下，軟弱層及其上覆較硬巖產生差異蠕變，表現為軟巖發生塑性變形，同時硬巖發生脆性破裂形成數條由軟弱層貫通至地表的拉張裂隙[2]。在強降雨作用下，雨水滲入這些裂隙形成水柱，當某條裂隙內的水柱高度達到臨界值后，推動該裂隙前部坡體發生順層滑動。該類滑坡坡體拉張裂隙的形成、擴展和貫通是一個緩慢的過程，在該過程中坡體往往被貫通的張裂隙切割成多個塊體，其發生失穩破壞往往是在某次強降雨過程中短時間內改變了坡體內的水力學環境，呈現多級滑動的特點。因這類滑坡多具有突發性和隱蔽性，災前難以預防，致災后果嚴重，災后治理困難，且存在復活的可能性[3]。另外在特殊情況中，因為開挖導致臨空面的形成，抗滑力減弱，斜坡上的巖體可能沿著某一軟弱結構面產生向下的滑移，也會形成順層滑坡。

劉軍等[4-5]認為，順層巖質邊坡失穩主要是由于地下水物理化學作用軟化了滑帶巖土，致使其剛度比降低，繼而發生失穩；夏開宗等[6-8]認為，地下水的水力作用是順層巖質滑坡的主要誘發因素，給出了后緣張裂隙臨界充水高度的滑坡失穩判別依據。另外，眾多學者[9-11]采用UDEC對邊坡穩定性進行了仿真模擬及分析。

本文以某高速公路匝道右側塹坡順層滑坡為研究基礎，基于地勘資料及現場調研，利用計算軟件UDEC對其施工期穩定性開展仿真分析，并探討開挖效應對邊坡穩定性的影響。

1 工程概況

高速公路右側路基設計為塹坡，有鄉村碎石路可通往場區附近，交通較便利。路線經過山體斜坡至坡頂地段，由北向南弧形展布。該段左側為路堤，右側邊坡設計為4級邊坡，局部5級邊坡。

滑坡體沿線路方向長度約為235.0 m，滑動方向最大長度約為89.5 m，平均厚度9.0 m，滑坡性質為順層邊坡巖層滑動。經現場地質調查，邊坡巖層大部分傾向路線一側，呈上陡下緩狀態。

依據現場實際情況，滑坡體自上而下分為3個部分：①上部不穩定危巖體。該部分為此次滑坡滑動后殘留于邊坡頂部塊體，其厚度約為6.0 m，沿滑動方向長度最大約為25 m，每延米最大滑體體積約為90 m3，底部相對標高為70 m，高懸于潛在滑動面上。②中部穩定滑床。該部分為此次滑坡發生后的出現的新鮮滑面，巖體完整性較好，節理裂隙不發育，中部僅出現一級斷裂臺階，厚度約為2 m，滑動面平均坡率約為1.00∶1.25，傾角約為39°。③下部堆積體。該部分為此次滑坡巖體破碎滑動后的堆積物，大量堆積于開挖形成的路基邊坡范圍內，堆積體厚度和體積不明。由于下部堆積體范圍不明，下部滑塌堆積處處置設計待邊坡開挖后進行動態設計。

邊坡滑坡前后外觀如圖1所示。

圖1 邊坡滑坡前后外觀Fig.1 Appearance of slope before and after landslide

1.1 自然地理

1.1.1 地形地貌

該路段處于溶蝕型峰叢巖溶洼地谷地地貌，橢圓狀山丘東側山坡，地形起伏較大，路線經過山體斜坡地段呈弧形展布，線路左側約40 m坡底有1條鄉村碎石路。地面高程總體由右向左逐漸減低，邊坡路段最高位于路線右側山頂，高程+707.4 m，最低位于路線左側坡底洼地，高程+525.3 m，相對高差約182.1 m。

滑坡后，鑒于滑坡為順層邊坡巖層滑動，依據現場調研，整體邊坡仍呈上陡下緩狀態，邊坡上部存在滑坡滑動后殘留于邊坡頂部的不穩定危巖體，中部為較為穩定滑床，下部為巖層滑坡巖體破碎后的堆積物，大量堆積于開挖形成的路基邊坡范圍內，堆積體厚度和體積不明。

滑坡典型工程地質橫斷面如圖2所示。

圖2 滑坡典型工程地質橫斷面Fig.2 Typical engineering geological cross section of landslide

1.1.2 水文、氣候

土地利用類型的重心遷移是區域土地利用空間變化的總體特征，通過對研究期初和期末各種土地利用類型的分布重心進行比較，將重心的轉移方向、轉移距離與轉移區域的自然條件與社會人文條件相關聯，可在一定程度上反映土地利用的總體變化趨勢和空間格局變化規律，可以為合理配置土地資源、土地利用變化的驅動力及演替規律分析提供支持。

塹坡所在地為中亞熱帶季風氣候區。氣溫分布的趨勢是南高北低。嚴寒期較短，春夏季節降雨量較多，夏末秋后時期多旱，具有獨特的山區立體氣候，降水主要集中在夏季。冬季降水量少；秋季降水量占15%左右；春季降水量約占全年雨量的30%左右。屬于多雨地區之一。

1.2 工程地質概況

1.2.1 地層巖性

滑坡過后，邊坡表層巖體裸露，根據現場滑坡揭露顯示，邊坡表層巖土為紅褐色黏土，整個揭露滑坡面均存在，含水率低，可塑性強，含少量灰巖角礫，并對下伏基巖存在一定程度的侵染。下伏基巖主要為中風化灰巖，青灰色，中厚層狀構造，節理裂隙較發育，巖體較完整，巖質較硬。坡頂植被茂盛，為多年生草本植物、小型灌木叢及小型喬木，坡頂為自然緩坡。

1.2.2 巖土構成

依據該邊坡設計說明，該邊坡處地表水及地下水情況如下所示。

(1)地表水。場區地表水不發育，主要為大氣降水匯成的地表沖溝流水，水量少且受季節影響而變化。

(2)地下水。地下水主要為孔隙水與巖溶裂隙水。其中，孔隙水主要賦存于坡殘積土層中，含水層厚度較小，其富水性、透水性較弱，水量貧乏，受大氣降水補給，以蒸發、順坡徑流或垂直滲入基巖裂隙的形式進行排泄；巖溶裂隙水，主要賦存于巖溶裂隙中，受補給條件限制，地下水富水性總體較弱，在地形較低的溝谷地帶排泄。

工程地質情況(巖體較完整)如圖3所示。

圖3 工程地質情況(巖體較完整)Fig.3 Engineering geology (relatively complete rock mass)

2 滑坡機制與抗剪強度參數反演分析

根據現場測滑動面和原設計邊坡開挖線確定本次滑坡滑體如圖4所示。經現場踏勘分析，邊坡開挖范圍內主要為中風化灰巖，滑動面為灰巖間結構面，結構面含泥，由于滑動面清晰，該邊坡穩定性分析選取典型橫斷面進行分析，結合反演分析，初步擬定巖土體設計參數見表1。

圖4 實測滑體斷面Fig.4 Cross section of measured sliding mass

表1 巖土層設計參數設計值Tab.1 Design values of geotechnical design parameters

3 風化巖節理邊坡順層滑坡穩定性分析

3.1 模型建立和材料參數

以MK0+220 m段挖方邊坡為分析對象，利用UDEC進行邊坡穩定性仿真分析。計算采用Mohr-Coulomb節理本構模型采用相對合理的面接觸滑動模型，UDEC計算模型如圖5所示。

圖5 風化巖節理邊坡概化模型Fig.6 Generalized model of weathered rock jointed slope

結合地質調研和現場試驗，得到巖土和節理的主要物理力學參數見表2。節理的主要物理力學參數：內摩擦角為30°，黏聚力為20kPa，法向剛度為2 000 MPa/m，切向剛度為1 500 MPa/m。邊坡第3級開挖時，由于降雨影響，實測節理的主要物理力學參數降低為內摩擦角為25°，黏聚力為10 kPa。

表2 巖土物理力學參數Tab.2 Geotechnical physical and mechanical parameters

3.2 開挖效應對邊坡穩定性影響

原施工圖工點設計樁號為MK0+165 m—MK0+400 m，長度235 m，挖方最大邊坡高度46.6 m。邊坡采用臺階式開挖模式：在圖6模型基礎上，自上而下按原設計1.00∶0.75、1.00∶0.75、1.00∶0.75坡率分級開挖邊坡，每級間平臺寬均為2 m。在圖6模型基礎上，利用UDEC計算開挖效應下邊坡穩定性，獲得開挖完成后邊坡的安全系數與邊坡應力場，如圖6—圖9所示。從圖9可知，在開挖第3級邊坡時，在強降雨的誘發下導致了該滑坡的發生。

圖6 邊坡原始狀態安全系數與應力場Fig.6 Safety factor and stress field of slope in original state

圖7 邊坡一級開挖后安全系數與應變場Fig.7 Safety factor and strain field of slope after primary excavation

圖8 邊坡二級開挖后安全系數與應變場Fig.8 Safety factor and strain field of slope after secondary excavation

圖9 邊坡三級開挖后安全系數與應變場Fig.9 Safety factor and strain field of slope after three-stage excavation

以上的分析結果顯示邊坡在開挖過程中，安全系數變化過程：1.14、1.06、1.01、0.87，在第2級開挖中安全系數非常接近1。在第3級開挖過程中由于開挖設計與降雨的影響導致邊坡安全系數小于1，即邊坡失穩。為監測開挖效應對邊坡變形的影響和范圍，用UDEC分析邊坡的穩定系數同時繪制邊坡的位移圖，如圖10所示。

從圖10可以看出，邊坡上半部處塊體向背離坡體發生滑坡與施工現場滑坡情況相一致。UDEC計算結果顯示，開挖施工在第2級開挖時對表破就產生了不利影響，在第3級開挖同時由于降雨的影響導致邊坡軟化最終導致邊坡失穩。

3.3 風化巖節理邊坡順層滑坡處治設計

結合UDEC仿真分析結果和現場情況，對邊坡施工提出以下建議：①加強邊坡穩定性分析并細化設計；②根據邊坡開挖施工過程仿真分析結果，同時考慮到邊坡巖體破碎結合性差，邊坡開挖前建議先進行清表，清除表面松散巖土體和碎石，防止落石和淺表層土體滑移，保證施工安全；③考慮到邊坡巖體破碎，節理裂隙發育，建議采用錨索框架梁加強防護，邊坡穩定性受降雨入滲影響較大，建議完善地表截排水措施；④由于場區地質條件的復雜性，施工中出現新的地質情況或地質異常，應及時與設計單位聯系。

4 結論

該高速公路邊坡節理發育，巖體較破碎，在施工擾動、爆破震動、降雨等作用下，沿巖層面發生順層滑坡。因此，基于離散元軟件UDEC對該邊坡進行了數值分析。

(1)邊坡分級開挖對淺層巖體的影響較大，對深層巖體的應力分布影響較小。

(2)UDEC穩定性分析顯示，分級開挖導致邊坡的安全系數降低，第3級開挖與降雨致使邊坡抗剪參數降低，導致邊坡的失穩。離散元軟件UDEC分析失穩結果與現場滑坡情況基本一致，這同時也證實離散元軟件的準確性。

(3)根據UDEC模擬結果與現場情況現場施工：①開挖前首先清除危巖體；②建議采取錨索框架梁進行防護；③做好邊坡排水設計并加強監測。