基于Midas GTS崩坡積體穩定性分析

劉偉杰 殷柯 陳海洋

[摘? 要]：大院子崩坡積體位于黔石高速公路里程K72+600～K72+980 m處，高程約550 m的低山河谷地區，區域內修建干溪溝大橋。崩坡積體分布范圍廣，厚度大，上部為松散的碎、塊石土，下部為碎裂的巖土體，對施工建設與工程建筑有一定的影響，文章利用Midas GTS建立大院子崩坡積體的三維模型，通過對土體強度參數內摩擦角的遞減、粘聚力的遞減、兩者同時遞減觀察崩坡積體的失穩形態。并從三維模型中選取兩處斷面，建立二維模型，對比在二維模型與三維模型中，兩處斷面在遞減強度參數時的變化異同，給類似工程問題建立模型提供參考。并在分析其穩定性的基礎上，提出相應的治理措施。

[關鍵詞]：崩坡積體; 三維模型; 二維模型; 穩定性分析;

P642.21A

不穩定巖土體在自重、地震力、降雨等因素的影響下所發生的崩塌、滑落是工程中常見的地質災害。因地層巖性、物質組成等的不同，崩塌的成因不同。大型崩塌后在坡腳或地勢較低處所堆積形成的崩坡積體也是需要考慮的地質災害，其穩定性、變形、失穩依據等需要進行定量分析[1-4]。很多學者分析崩坡積體的理論、方法、軟件做了相關研究。謝山立等[5]研究了堆積體破壞的隨機模型;鄭穎人等[6]探討了有限元強度折減法在邊坡中的應用;王寶軍等[7]研究了三維地質的建模方法;尹小濤等[8]研究了強度變化對崩坡積體的影響，認為黏聚力對巖土體保持直立有決定性影響，內摩擦角對堆積體穩定坡角有控制作用，并且強度參數的改變會導致破壞模式的改變;張玉、劉成、王小鋒等[9-11]對某大型堆積體進行了三維穩定性分析。但少有對曲面三維模型以及二維模型進行對比分析，本文以大院子崩坡積體為例，對比在二維和三維模型下的計算結果，探討結果異同的原因，并給出相應治理措施。

1 大院子崩坡積體特征

1.1 概述

大院子崩坡積體位于重慶市黔江區石會鎮，該區域為高程約550 m的低山河谷地貌。崩坡積體厚度大，分布范圍廣，上層一般為松散的碎、塊石土夾粉質黏土，中下部主要以崩塌形成的碎裂巖塊體組成。巖層面傾角在0°～60°都有出現。上覆碎裂巖塊體與下伏基巖之間有明顯分土層與基巖分界面。大院子崩坡積體的衛星地圖如圖1所示。

1.2 自然及工程地質條件

（1）地形地貌：崩坡積體所在位置屬于構造剝蝕深切中低山溝谷地貌。工程區溝底地面高程約520 m，兩側山體頂部高程約600 m，黔石高速公路主路線北西側為坡度較緩的梯田，坡度15°～18°，南東側為旱地和林地，溝邊一側自然邊坡坡度較陡，為50°～65°，坡面出露多為碎塊石土。

（2）地層巖性與地質構造：第四系崩坡積土層分布于干溪溝東西兩側山體一帶，分布面積大，崩坡積層上部為松散碎、塊石土夾粉質黏土為主，灰黃色、灰色，碎、塊石主要為粉砂巖、泥質粉砂巖、頁巖等組成，中下部主要以崩塌形成的碎裂巖塊體組成。碎裂的巖塊體呈較破碎—破碎狀，中層傾角變化大，0°～60°，一般傾角在35°～50°。與底部大面積出露的穩定區域巖層有較大差別。該區大地構造位于揚子淮地臺重慶臺坳重慶陷褶束與上揚子臺坳渝東南陷褶束，重慶陷褶束與渝東南陷褶束以七曜山基底斷裂為界。巖層產狀115°～130°∠3°～5°，巖體發育有兩組裂隙。

（3）地震：地震區域地震動峰值加速度為0.05g，地震基本烈度為VI度，地震動反應譜特征周期為0.35 s。

（4）水文地質：該區域下坡處地下水貧乏，干溪溝常年洪水位529.697 m。地下水主要是第四系孔隙水和基巖裂隙水，第四系孔隙水主要受大氣降雨補給，徑流途徑短，長度土體厚度大，分布連續，為透水性好的的碎塊石、砂土等。中風化裂隙不發育，巖體較完整，頁巖為相對隔水層，地下水水量小。強風化帶裂隙較發育，存在少量地下水，主要為大氣降雨補給。綜上，該區域第四系孔隙水潛水地下水發育，無基巖風化帶裂隙地下水。

1.3 結構特征

該區域工程地質橫斷面如圖2所示，上層覆蓋第四系崩坡積層，第二層為強風化基巖，平均厚度近3 m，崩坡積層和強風化帶巖石力學性質差、完整性差、承載力低。最下層為中風化基巖，主要成分是頁巖，巖性完整、厚度大、承載力高。

2 崩坡積體穩定性分析

2.1 三維模型建立

黔石高速公路在大院子崩坡積體處以干溪溝大橋的形式通過，利用Midas GTS軟件建立干溪溝大橋橋區周圍的崩坡積體三維模型，模型地形面、巖土分界面、強中風化基巖分界面均采用曲面，更加真實模擬實際地形的起伏變化。三維模型如圖3所示。模型長338 m，寬199 m，共有約110 000個節點、90 000個單元、260 000個方程。主要分析內摩擦角的遞減對崩坡積體穩定性的影響，觀察崩坡積體的失穩形態，確定失穩時的強度參數。

2.2 二維模型建立

選取在三維模型計算結果中位移較大的2個斷面，建立二維模型，用同樣的方法進行計算，與三維模型計算結果進行對比。A、B斷面的模型如圖4、圖5所示。

2.3 參數設置

崩坡積體的穩定性主要取決于粘聚力和內摩擦角，這2個強度參數的確定需要考慮巖土體的特性、各類巖土體的組成成分、含量等因素。崩坡積層、強風化巖層、中風化巖層始強度參數如表1所示。

因主要研究崩坡積層在不同強度參數下的形態與穩定性，因此設立了3個計算方案，計算方案1對崩坡積層的粘聚力進行折減，共設立18個工況，對工況1進行位移清零，從工況2開始遞減粘聚力值，每次遞減0.25 kN·m-2;計算方案2對崩坡積層的內摩擦角進行折減，共設立18個工況，從工況2開始遞減內摩擦角，每次遞減1°計算方案3對兩者同時遞減，每次遞減內摩擦角1°，遞減粘聚力0.25 kN/m2，三維模型和二維模型都按此3種方案設立，強度參數和不同工況。強風化巖層和中風化巖層的強度參數在各計算方案和工況下保持初始強度參數值不變。計算方案見表2。

2.4 結果分析

2.4.1 計算方案1結果分析

位移方面，A斷面、B斷面最大合位移值與粘聚力的關系如圖6所示。

模型位移值隨粘聚力的遞減而增長，大致呈現線性負相關關系，且當崩坡積層的粘聚力降到5.5 kN/m2時，三維模型中的最大合位移值不足0.02 m，說明當崩坡積層的內摩擦角維持一定值時，粘聚力對其位移的發展以及穩定性的影響不大。二維模型的位移值小于三維模型斷面的位移值，說明二維模型的計算結果偏安全。

2.4.2 計算方案2結果分析

位移方面，A斷面、B斷面最大合位移值與內摩擦角的關系如圖7所示。

可以看到，三維模型的A、B斷面在內摩擦角為36°～27°范圍內的位移值變化不大，當內摩擦角從26°逐漸降低時，合位移最大值急劇上升，崩坡積層的內摩擦角在25°時位移都接近2 m，在24°時計算不收斂，達到失穩狀態，2個斷面的三維模型計算結果一致，說明在三維模型中，當粘聚力為一定值時，內摩擦角對崩坡積層的穩定性影響較大，但B斷面的二維模型出現了不同的發展趨勢，A斷面的二維模型在內摩擦角降低到18°時仍然處于穩定狀態，位移值不超過0.5 m，B斷面的二維模型在內摩擦角在26°時已經失穩，且在28°時位移值超過了三維模型計算結果值。出現此結果的原因可能是B斷面右上方是一個寬約28 m，高約21 m的陡坡，斜坡角度近40°，在二維模型中，只有兩側和底部施加有位移限制，凸出的堆積體受到重力作用，出現局部失穩，在三維模型中，底部與四周都有位移限制，且縱向有連續土體，有利于力的傳遞，整體處于穩定狀態。將B斷面最右側進行削坡，高度降低10 m，斜坡坡度降為22°重新計算，模型在19個工況下全部收斂，內摩擦角為18°時的位移不超過0.003 m，削坡前和削坡后的位移對比如圖8所示。

2.4.3 計算方案3結果分析

A、B斷面的位移在粘聚力與內摩擦角同時遞減時隨粘聚力和內摩擦角的變化如圖9、圖10所示。

A、B斷面三維模型和二維模型的變化在強度參數同時遞減時和只遞減內摩擦角時是一致的，說明內摩擦角對堆積體位移變形與穩定性的影響比粘聚力更大，尤其是在穩定坡角方面有控制作用。B斷面二維模型比三維模型更易失穩的原因在計算結果2中作了探討。

3 結論

（1）隨著巖土體粘聚力的降低，崩坡積層的合位移最大值逐漸增大，粘聚力與崩坡積體的最大位移值大致呈現線性反比關系，當且當內摩擦角符合要求時，粘聚力的降低對崩坡積層的位移變形與穩定性影響不大。

（2）隨著巖土體內摩擦角的降低到一定值時，位移會急劇增大，出現失穩破壞。三維模型中內摩擦角與崩坡積體的最大位移值大致呈現指數反比關系。當同時遞減2個強度參數時，位移的變化曲線與只遞減內摩擦角位移的變化曲線一致，說明內摩擦角對崩坡積層的位移影響更大。

（3）總體上，三維模型比二維模型的位移計算結果值更大，二維模型計算結果偏安全。但在一些特殊斷面，如坡度較陡的斷面，二維模型計算結果在強度參數較高時就先于三維模型失穩，進行治理后，位移值大大降低。因此在以后判斷類似崩坡積體的穩定性時，可以用三維模型進行整體的穩定性評價，再對特殊斷面用二維模型計算，可以使結果更加準確，有利于充分評價崩坡積層的穩定性。

參考文獻

[1] 劉興寧，石崇，李德杰，等.爭崗滑坡堆積體滑坡災害數值模擬預測分析[J].科學技術與工程，2015，15（1）：1-7.

[2] 胡厚田.崩塌分類的初步探討[J].鐵道學報，1985（2）：90-100.

[3] 胡厚田.巖體蠕動和崩塌形成機理的實例剖析[J].路基工程，1989（5）：5-9.

[4] 盧乾，何濤林，任奎.關于強度折減法分析崩坡積體失穩判據的探討[J].人民長江，2016，47（9）：48-52.

[5] 謝山立，袁廣祥.堆積體邊坡漸進性破壞的隨機模型[J].中國安全科學學報，2011，21（9）：16-21.

[6] 鄭穎人，趙尚毅.有限元強度折減法在土坡與巖坡中的應用[J].巖石力學與工程學報，2004（19）：3381-3388.

[7] 王寶軍，施斌，宋震.基于GIS與虛擬現實的三維地質建模方法[J].巖石力學與工程學報，2008（S2）：3563-3569.

[8] 尹小濤，王水林，馬雙科，等.強度變化對崩坡積體堆積機制及穩定性影響研究[J].巖土力學，2010，31（2）：620-626.

[9] 張玉，徐衛亞，石崇，等.大型滑坡堆積體穩定性的三維數值分析[J].巖土力學，2011，32（11）：3487-3496.

[10] 劉成，呂秋玲，汪東林.基于MIDAS GTS的道路風化邊坡穩定性分析[J].重慶科技學院學報（自然科學版），2020，22（1）：114-116.

[11] 王小鋒. 兩家人堆積體三維地質特征及穩定性分析[D].河海大學，2007.