綠春縣松東河填土邊坡的穩定性分析

高伏芳，徐世光，屠水云，陳玉波

（1.云南南方地勘工程有限公司，云南 大理 671000；2.昆明理工大學 公共安全與應急管理學院，云南 昆明 650093；3.云南地礦工程勘察集團公司，云南 昆明 650032）

隨著科技的進步，西部高原地區的自然地質災害得到了科學分析與防治。其中，填方邊坡[1]問題尤為突出。填方邊坡物質組成復雜，結構松散，塊石分布不均，透水性強，粒間接合力弱，其巖土體物理力學性質和一般邊坡有所不同。國內目前對填方邊坡穩定性及變形破壞[2、3]的研究，主要集中在兩個方面：—是填土參數、壓實度[4]、填方形態、施工工藝等對填方邊坡穩定性的影響；二是在考慮降雨[4-6]、地下水和地震等的條件下填方邊坡的穩定性。本文以綠春縣松東河的填方邊坡為例，從二維[1]角度分析填方邊坡的穩定性。

1 工程背景

研究區位于綠春縣城以西約3km 處，占地面積1.56平方公里。地處松東河上游，地勢東高西低，三面環山。松東河向東延伸進入研究區后分為3 條支溝（G1、G2、G3）呈樹枝狀發育，溝谷下切側蝕強烈。地層巖性為灰、深灰色漂卵石、砂礫石，其間夾粗砂、粉砂層。溝水暴漲暴落，平均流量0.5～0.8m3/s，暴雨季流量可增至數十倍。

填土邊坡共為17 級，總高79m，每級坡高5m，坡比1:2.5，每級坡之間設置4m 寬馬道，中部設置三個20m 寬平臺。場地內填方邊坡位于G1 支溝槽內，共有14 級，總高90m，每級坡高6m，坡比1:1.5，邊坡之間為50m 寬的平臺，呈北西南東走向。

2 分析方法及參數選取

2.1 分析方法

2.1.1 Flac3D

本次填方邊坡穩定性分析采用數值模擬方法進行，采用二維快速拉格朗日法[7、8]進行。采用了顯式有限差分格式來求解控制微分方程，并應用了混合單元離散模型，可以準確地模擬材料的屈服、塑性流動、軟化直至大變形，尤其在材料的彈塑性分析、大變形分析以及模擬施工過程等領域有獨到的優點。

2.1.2 極限平衡法

極限平衡法[9、10]填方平臺的不同坡比穩定性驗算，采用理正軟件進行，它可以對巖土工程的內力、變形、穩定性等多種方面進行準確分析。假設潛在滑面，將假設滑坡體劃分成若干條塊，建立力矩平衡，給出抗滑力(力矩)與下滑力(力矩)的關系式求出安全系數。

2.2 參數的選取

經過分析邊坡各個因素情況，本次評價計算選用兩種工況來分別研究：

①天然狀態工況；②持續暴雨狀態工況。

本次計算所需要的物理力學參數的選取采用室內、外及時模擬及填方壓實試驗，具體取值如（表1、2）。

表1 天然狀態巖土層物理力學參數

表2 飽和狀態巖土層物理力學參數

3 模擬及驗證分析

3.1 Flac3D 二維剖面穩定性分析

剖面位置見圖1，1-1 剖面，方向71°，模型寬度600，底部高程1424m 起，如（圖1）。

圖1 挖填方各剖面位置示意圖

3.1.1 松東河填方平臺穩定性分析

天然狀態下松東河填方邊坡的最大位移量集中在邊坡后緣為4.5—4.9mm，只在邊坡后緣有局部應力集中現象，天然狀態下松東河填方邊坡整體較穩，如（圖2、3）。

圖2 填方邊坡天然狀態最大位移量云圖

圖3 松東河填方降雨狀態最大位移量云圖

降雨狀態下的最大位移量為3—3.5cm，且最大位移量集中在松東河填方邊坡1624 大平臺的位置。

降雨影響下剪應變增量較大區域出現在松東河填方邊坡后緣。剪應變越大說明越容易破壞，即邊坡中后緣為危險部位，此區域較容易發生剪切破壞，即潛在邊坡失穩滑動面位置，在此沿滑動面以上巖土體都有可能出現滑移。

3.1.2 場地內填方邊坡

3.1.2.1 天然狀態下的場地內填方邊坡：

天然狀態下場地內填方邊坡的最大位移量集中在邊坡后緣為2.25—2.27mm。邊坡后緣部分平臺出現應力集中，如（圖4）。

圖4 場地內邊坡天然狀態最大位移量云圖

3.1.2.2 降雨狀態下的松東河場內填方邊坡：

邊坡主要為壓應力，只在填方平臺中上部至后緣地帶出現了局部拉應力集中，最大位移量為5.5—5.85cm，且最大位移量集中在場地內填方邊坡后緣，如（圖5）。

圖5 場地內邊坡降雨狀態最大位移量云圖

3.2 極限平衡法的驗算

本次運用理正進行驗算，指定出相應的滑面，據（表1、2）地層相關物理力學指標計算可知：

（1）天然工況下松東河填方邊坡與場地內填方邊坡的穩定性系數為1.159、1.203，處于穩定狀態，如(圖6、7)。

圖6 松東河邊坡天然工況穩定系數

圖7 場地內邊坡天然工況穩定系數

（2）暴雨工況下松東河填方邊坡的穩定性系數為1.077，處于基本穩定狀態；場地內填方邊坡的穩定性系數為1.004，處于欠穩定狀態，如（圖8、9）。

圖8 松東河邊坡降雨工況穩定系數

圖9 場地內邊坡降雨工況穩定系數

4 穩定性分析結果

在天然狀態下填方邊坡整體呈穩定狀態；而在持續暴雨工況下填方邊坡為基本穩定和欠穩定狀態，見(表3）。

表3 滑坡穩定性計算結果表

5 結論

本文以綠春縣松東河為例，采用極限平衡和數值模擬分析相互驗證的手段對研究區進行穩定性研究，得出以下結論：

（1）通過Flac3D 三維的分析，填土對斜坡的銜接部位和場內填方邊坡后緣穩定性影響大。

（2）在Flac3D 二維1-1 剖面分析中，暴雨狀態工況下松東河填方邊坡和場內填方邊坡的位移量從毫米級達到了厘米級。

（3）極限平衡法驗證了暴雨狀態工況下，邊坡處于欠穩定狀態，和數值模擬有效吻合，邊坡可能會出現失穩狀況。