貴州省道某滑坡形成機理及穩定性分析

陳建國，鐘連祥

（江西省地質局工程地質大隊，江西 南昌 330029）

貴州省屬典型巖溶山地，組成斜坡巖土體類型多樣，巖體結構復雜，地質災害具點多、災種全、隱患多、發生頻繁等特點[1-3]。近年來，隨著貴州省公路建設高速發展，高邊坡和深挖路塹所占比例越來越大，邊坡穩定性問題和地質災害等地質問題日漸突出。因此，必須重視公路邊坡穩定性分析和防護技術的應用研究。

目前，應用比較廣泛的邊坡穩定性分析方法有：工程地質類比法、傳遞系數法、數值模擬法等。工程地質類比法能夠給出定性的評價，建立與滑坡賦存特征相符的地質模型以供定量計算的物理模型[4-6]。傳遞系數法是工程上使用較為成熟的方法之一，《滑坡防治工程勘查規范》（GB/T32864-2016）等標準規范上都借鑒該方法。在工程地質條件比較清楚時，能夠較為精確地計算坡體穩定系數，而數值模擬法通過建模分析，可以直觀地觀察到邊坡可能發生滑動的區域內的變形及應力分布狀態[7-9]。通過建立合理的數值模型，分析滑坡體內局部有應力集中現象，推斷滑面位置及滑坡變形情況，可以進一步驗證滑坡堆積體穩定性狀態，為確定滑坡治理方案提供可靠的地質依據，并供給實際工作中設計和施工參考，對實際工作中滑坡方案的組合和優化有指導性意義[10]。

基于以上認識，以務川縣省道某滑坡體為研究對象，對滑坡巖土特征及滑動機理進行分析，利用傳統的傳遞系數法結合FLAC、MIDAS/GTS 數值模擬中的強度折減法對滑坡穩定性進行進一步綜合分析，研究成果對類似滑坡的穩定性分析一定的參考依據。

1 滑坡區工程地質條件

該滑坡發生路段位于務川縣省道，該邊坡區屬構造中低山剝蝕侵蝕斜坡地貌，路段橫穿舌形山脊，植被較發育。滑坡所處斜坡區覆蓋層為第四系崩塌積塊石土（Qc）、殘坡積層粘土（Qel+dl）、殘坡積層粘土夾碎石（Qel+dl），下伏基巖為二疊系下統茅口組（P1m）灰巖、二疊系下統梁上組（P1l）炭質頁巖夾煤層、中生界志留系中上統韓家店群（S2-3hn）灰色泥巖局部夾泥灰巖。研究區地質構造復雜多樣，以北北東向和北東向多字型構造為主。該邊坡區無斷層通過，地層穩定，巖性單一，巖體呈單斜產出，巖層產狀119°∠61°。

地表水系不發育，坡面無永久性水體，大氣降水呈散流狀向坡腳溝谷低洼處排流。受地層巖性、構造控制，地下水賦存條件簡單。地下水類型主要為灰巖不均一的管道水、泥灰巖基巖裂隙水，其次為覆蓋層孔隙水。地下水主要接受大氣降水補給，其逕流受地形、巖性等因素控制，多以泉的形式在地勢低洼溝谷陡坎分散排泄，動態變化相對較大。

2 滑坡基本特征及成因

2.1 滑坡基本特征

滑坡前緣高程600m，滑坡后緣高程650，高差約50m。斜坡坡向318°，巖層產狀119°∠61°，為逆向坡。整個區域地勢東南高，西北低，滑坡形態上呈“月牙”形狀，滑向318°，面積約為5765.68m2，滑坡厚度約3.2～15.2m，滑坡體積約5.7×104m3，主滑方向312°，滑坡整體為一小型堆積層滑坡。滑坡對公路造成嚴重的威脅，急需治理。滑坡工程平面圖和滑坡1-1′剖面圖如圖1—2 所示。

圖1 滑坡工程平面圖

圖2 滑坡1-1′剖面圖

2.2 滑坡物質組成

滑體：滑塌部分主要為堆積體塊石土，灰色，塊石成分以灰巖為主，塊石含量約70%～80%，次棱角狀，部分為鈣質膠結，結構密實，承載力低，厚3.2～15.2m。

滑帶：根據滑坡裂縫及鉆孔資料，以及剪出口滑塌現場，判定滑面碎塊石軟弱層，潛在滑面為土巖界面。

滑床：包括二疊系下統矛口組（P1m）中厚—厚層狀灰色灰巖、二疊系下統梁上組（P1l）灰黑色炭質頁巖夾煤層和中生界志留系中上統韓家店群（S2-3hn）紫紅色、灰褐色泥巖巖層產狀119°∠61°，為逆向坡。

2.3 滑坡形成機理

根據滑坡調查結合鉆探等綜合勘察結果，滑坡物質構成主要為堆積體塊石土，塊石成分以灰巖為主，塊石含量約70%～80%，次棱角狀，結構密實。滑坡產生的主要原因為上、下路基的全面開挖破壞了斜坡的力學平衡狀態，本路段為高陡單向坡、坡高；坡度40～52°，上部基巖裸露，下部塊石土堆積，厚度大，透水性好，地表水從邊坡后緣滲入滑坡體，堆積層重度增大，土巖界面塊石土遇水泥化抗剪強度降低；下部擋墻施工切腳，上部坡體失去抵力，引發滑坡。

3 基于MIDAS/GTS 的滑坡穩定性分析

3.1 模型概況

模型的邊界范圍根據邊坡的整體情況確定，X 軸方向長150m，Y 軸方向寬175m，Z 軸方向高190m，該模型根據地勘數據和高程數據較為真實模擬了滑坡地帶及周圍部分巖土體。其中邊坡表面借助MIDAS GTS NX 程序中的地形生成器利用已有實測地形等高線生成了地表部分，巖土層則包含塊石土、強風化泥巖、中風化泥巖、中風化灰巖、中風化炭質頁巖以及煤層一共6 種巖性。

模型采用四面體、六面體混合單元，將數值模型劃分為29216 個節點和39106 個單元。選取計算屈服準則為 Mohr-Coulumb 屈服準則，本構模型為摩爾庫倫模型。所建立的模型如圖3 所示。

圖3 滑坡三維模型圖

3.2 邊界條件

計算模型除坡面設為自由邊界外，模型底部設為固定約束邊界，模型四周設為單向邊界。在初始條件中，不考慮構造應力（現場溝谷切割，認為構造應力已得到釋放），僅考慮自重應力作用下的初始應力。即在程序中采用位移邊界條件，即模型的左右（x 方向）邊界、前后（y 方向）邊界和底邊界均施加速度約束條件，上邊界為自由邊界。

3.3 計算結果分析

3.3.1 位移分析

從位移云圖來看（圖4），位移主要集中在巖土接觸面以上，位移最大值為32cm，分位于滑坡后緣的巖土分界面處的坡面上，在邊坡兩側表層土體位移較大，主要是由于在坡體兩側（腰部）多面凌空，約束小，位移較大。

圖4 剖面位移云圖

3.3.2 剪應變增量分析

從最大剪切應變云圖（圖5）可以明顯看出，剪應變范圍主要出現在巖土接觸面以上。除邊坡四周的表層土體以外（此處剪應變增量較大主要是坡體兩側多面凌空，約束小，邊坡的三維效應明顯），巖土接觸面的剪應變增量是最大的，但目前并沒有貫穿整個滑坡體，處于較為軟弱的狀態，為潛在的滑動面，邊坡處于極限平衡蠕動階段。

圖5 剖面剪應變增量云圖

3.3.3 應力分析

邊坡應力場特征，MIDAS/GTS 應用有限差分法原理可以給出邊坡內部應力的變化，得出應力分布云圖（圖6），本文分析的是典型的斜面邊坡，邊坡的自重應力場起主導作用。邊坡的應力分布是隨著坡形發生變化的，從圖6 可以看出邊坡的應力分布情況，圖中左側不同的顏色表示應力在一定數值范圍內的變化。正數為拉應力。負數為壓應力。在坡頂、巖土接觸面、坡腳出現應力集中區，坡頂應力集中主要是由于卸荷造成。坡腳應力集中區是由于在坡體表面因卸荷原因導致卸荷方向應力減少，這樣最小主應力在表面處變為零甚至轉換為拉應力，故在坡角存在較大的應力差，容易形成剪應力增高帶，使得坡腳的剪應力集中。在巖土界面以上，由于協調變形導致主應力方向偏轉，使得豎向受壓，橫向受拉，很容易產生拉裂縫和壓致拉裂縫。

圖6 最大主應力云圖

3.3.4 穩定安全系數

基于MIDAS/GTS 三維有限差分軟件中強度折減法來求解邊坡的安全穩定系數，邊坡整體穩定安全系數為1.045（圖4），處于極限平衡蠕動階段，必須對邊坡進行防護處理。

3.4 評價方法對比分析

MIDAS 三維邊坡穩定性分析方法將傳統的平面應變分析方法拓展到三維空間中，可以模擬邊坡的漸進性破壞過程，得到任意位置的應力、應變、位移等信息，使得分析的結果更加直觀。與傳統的分析方法相比，其優勢明顯，特別在分析邊坡漸進性破壞過程和變形特性上。給邊坡穩定性分析方法研究提供新思路。

4 結論

通過對省道公路某滑坡形成機制進行分析和穩定性計算，可以得到以下結論：

（1）滑坡主要為一小型牽引式堆積層滑坡，受公路修建開挖左右影響形成，滑面為碎塊石軟弱層，潛在滑面為土巖界面；

（2）省道公路某邊坡主要由碎石土覆蓋層、強風化泥巖和灰巖構成，坡體較為松散，其自身穩定性差。滑體物質較為松散，遇水易軟化并最終形成滑坡；

（3）通過采用MIDAS/GTS 三維數值模擬對滑坡的穩定性進行分析，結果表明：滑坡處于極限平衡蠕動階段，需要采取合理的工程治理措施，否則隨著時間推移，在不利因素的綜合影響下，有可能滑坡滑動面全部貫通，從而導致滑坡體發生整體滑移變形，造成人的生命和財產安全損失。