順層巖質邊坡變形機制分析與治理效果模擬

魏云杰 陶連金 王文沛 朱志剛

（1.北京工業(yè)大學 城市與工程安全減災教育部重點實驗室，北京100124；2.北京市勘察設計研究院有限公司，北京100038）

近年來，山區(qū)高等級公路、村鎮(zhèn)公路建設的快速發(fā)展，公路建設中高挖深填現象普遍，形成了人工邊坡。由于巖體結構復雜、穩(wěn)定性差，在降雨及工程開挖影響下，出現不同規(guī)模的變形破壞現象，嚴重影響了公路工程建設和運營期間的安全［1］。順層巖質邊坡的變形和破壞，與地層巖性、巖體結構、地質構造、地形地貌、水文地質特征及人類工程活動密切相關［1，2］。黃潤秋等［1］通過對湯 屯高速公路順層邊坡現場工程地質條件的系統(tǒng)調查，研究了邊坡的巖體結構類型及其成因機制、結構面與坡面組合特征，在此基礎上通過FLAC3D數值模擬，結合工程地質條件分析，探討了變形破壞機制。成永剛等［3］以長晉高速公路K31＋160～K31＋460段順層滑坡為例，通過Geoslope軟件數值模擬了該滑坡在初始設計狀況下全斷面開挖后無工程防護時的坡體狀態(tài)，以及變更設計后工程防護對坡體的加固效果；同時運用監(jiān)測等手段，對變更設計后坡體的適時狀態(tài)進行監(jiān)測分析，根據兩者相互綜合的反饋信息，為滑坡的“動態(tài)設計，信息化施工”提供依據。李安洪等［4］在對大量順層邊坡進行詳細調查研究基礎上，總結提出順層巖質路塹邊坡的分類及8種順層邊坡破壞模式，并對較為常見的滑移－拉裂和滑移－彎曲破壞模式的穩(wěn)定性分析方法進行討論。據統(tǒng)計，公路建設工程中順層型滑坡占滑坡數量的50.7%［4］。因此，研究復雜順層邊坡的成因破壞機制，準確地評價和預測其變形破壞模式，并通過變形監(jiān)測與數值模擬的相互驗證分析，使兩者優(yōu)劣互補，對治理設計具有重要意義［1，3］。

擬建的雙大路位于北京門頭溝境內，是連接雙塘澗與柏峪的主要通道。本文研究的邊坡位于門頭溝區(qū)清水鎮(zhèn)燕家臺村西，主要為兩級臺階狀挖方路段，目前已按1∶0.75設計坡度開挖，并形成高15～25m左右的人工邊坡雛形，坡向與公路走向基本直交，坡度15°～25°，局部35°～40°，斜坡兩側均發(fā)育沖溝，中部兩條小沖溝，沿公路走向斜坡地形略有起伏。地面海拔高度810～869 m，為低山侵蝕剝蝕地貌。邊坡巖體破碎，節(jié)理裂隙和劈理構造發(fā)育。在邊坡開挖過程中，坡面產生裂縫，變形范圍東西方向約220m、南北方向約150m，在降雨和工程開挖的條件下坡體變形迅速，若不及時采取有效的治理措施，邊坡有可能發(fā)生整體失穩(wěn)，形成滑坡，造成不可估量的損失。

根據相關研究［1－13］，在查明邊坡的巖體結構條件、變形破壞機制的基礎上，采取坡體深部位移監(jiān)測、地表位移監(jiān)測的立體監(jiān)測方案，并通過監(jiān)測與數值模擬的方法綜合進行分析，成為指導設計與施工的重要依據。

1 順層邊坡概況

1.1 工程地質環(huán)境概況

工程邊坡坡體地層主要為中寒武統(tǒng)毛山、饅頭組巖層（C－2m）鈣質頁巖、碳質頁巖、泥巖及泥質白云巖，局部發(fā)育砂巖透鏡體，12.7～29.0m以下發(fā)育泥質白云巖，上部覆蓋第四系。場區(qū)內邊坡范圍的頁巖和泥巖為極軟巖，全－強風化，碎裂、散體狀結構，工程等級為Ⅴ級。下部的泥質白云巖，一般為強－弱風化，巖體結構主要為破碎－較破碎，碎裂塊狀－層狀結構，工程等級為Ⅳ級。

現場地質調查表明，邊坡北側不遠處為沿河城斷裂帶的分支構造，產狀為150°∠60°～70°，場區(qū)西側有北西向次級斷裂構造通過并與沿河城斷裂帶斜交。

調查表明，雨季因降雨入滲可能形成局部基巖裂隙水，主要分布在山體內破碎巖體的裂隙或破碎帶中，順坡向下迅速排泄，水量小。

1.2 施工方案簡介

1.2.1 支護方案

K13＋380～K13＋440路段：按分級削坡，坡比1∶1.5，臺階寬度3.0m，坡面不防護，坡腳處設置5m高重力式擋墻。

K13＋300～K13＋380路段：分2級削坡，坡比1∶1.5，臺階寬度3.0m，鋼筋混凝土格構＋預應力錨索護坡，漿砌塊石護面，坡腳處設置5m高重力式擋墻。

K13＋260～K13＋300路段：分級削坡，坡比1∶1.5，臺階寬度3.0m，坡面不防護。坡腳處設置5m高重力式擋墻。

1.2.2 邊坡后緣裂縫處理

對坡面出現裂縫處采用水泥漿進行灌注封堵。

1.2.3 邊坡后緣截水溝

滑坡體外圍設置漿砌塊石和截水溝，內寬500mm×500mm。

1.2.4 監(jiān)測點布設

K13＋380～K13＋440路段進行深部位移監(jiān)測，以判斷其滑移破壞的深度、邊界，確定其破壞的程度和模式，監(jiān)測點布置見圖1。

2 坡體變形破壞特征及機制分析

2.1 坡體變形特征

圖1 邊坡工程地質剖面及監(jiān)測點布置圖Fig.1 Geological profile of a slope engineering and the arrangements of monitoring points

圖2 測斜管1深度－位移曲線Fig.2 Depth－displacement curve for Test tube 1

圖3 測斜管3深度－位移曲線Fig.3 Depth－displacement curve for Test tube 3

根據上述布置，邊坡各點監(jiān)測數據曲線見圖2、圖3，圖中曲線為2008年4月份至10月份測斜管深度－位移曲線。從圖中可以得出：邊坡的變形主要發(fā)生在0～25m的范圍內，這個深度相當于開挖邊坡引起的“強卸荷區(qū)”。邊坡變形表現出上部變形量比下部變形量大，在某一深度以上坡體的變形基本相同。圖2中14.0～16.0m和圖3中23.0～25.0m之間的位移有突變，在此深度以上的范圍內變形具有很好的同步性和一致性，表明在這個深度上存在特定的軟弱結構面并且傾向坡外，控制了結構面以上坡體在開挖卸荷過程中的整體回彈變形，并且對邊坡的整體變形起到主要控制作用，若不及時支護，最終將產生滑坡。

2.2 坡體變形機制分析

根據現場調查和監(jiān)測資料分析，該滑坡體實際上是一順層蠕滑體，沿弱面蠕滑的發(fā)生是以其前緣的小背斜被溝谷切穿和公路施工挖除為前提的。在此之前，由于前緣的背斜呈高聳狀，坡體不具備蠕滑條件（圖4－A，B），隨著河谷下切，阻擋蠕滑發(fā)生的背斜部分逐漸侵蝕，局部在公路施工過程中被開挖，發(fā)生蠕滑的層間擠壓帶開始出露于地表（圖4－C），此時，坡體在中、后部順層段推力作用下開始蠕滑。

圖4 邊坡變形演化過程示意圖Fig.4 Evolution of slope deformation

由此可知，目前該邊坡處于滑移彎曲變形最后階段，邊坡順層巖體沿層面發(fā)生滑移拉裂變形。變形的前兩個階段，上部邊坡附近碎裂巖體在層狀巖體彎曲產生的推力作用下產生較大變形，嚴重擠壓褶皺，彎曲部位巖體逐漸破壞并形成貫通的剪切滑動面，彎曲上部巖體被剝蝕或開挖，坡腳阻力減小，彎曲部位巖體中滑移切出面與碎裂巖體內剪切滑動面貫通，導致坡體整體失穩(wěn)。

2.3 坡體變形機制的數值模擬

圖5 邊坡UDEC模型Fig.5 UDEC simulation of slope

圖6 坡體變形的離散元模擬Fig.6 Discrete element simulation of slope deformation

在上述分析的基礎上，建立了邊坡離散元（UDEC）計算模型來分析邊坡變形破壞產生的力學機制（圖5），邊坡開挖后應力及變形特征及演化過程見圖6。模擬結果表明，上部坡體的變形表現為沿著坡底主滑動面和坡體內部多個層面的剪切滑動，且沿著主滑動面的蠕滑變形量要遠大于沿坡體內部的層面滑蠕量，是坡體變形的控制性蠕滑面。隨著坡體變形的加劇，下部坡體開始產生復雜的變形破裂：首先，是近坡體表面的巖塊產生松動，小規(guī)模掉塊，內部局部架空；然后，在底滑面上，由于上部坡體的擠推作用，開始產生層間擴容，并頂托上覆巖體產生彎曲變形。隨著時間的延長，這種擴容與彎曲現象愈加劇烈，擴容區(qū)開始累進性向坡體下部延伸，至35時間單位，這一擴容區(qū)累進性貫穿坡面，坡體開始大規(guī)?；觥０殡S坡體下部滑動面的累進性貫穿過程，上部坡體的變形也表現出局部沿陡傾角結構面的拉開，形成張裂帶以及坡體結構的強烈松動，表層塊體下滑等變形破壞現象。模擬結果清晰地顯示了坡體下部滑動面的累進性貫穿過程，以及擴展的位置和路徑。

可以根據模擬結果，將坡體變形破壞過程與變形歷時大致對應劃分如下：

a.輕微變形階段 0～17時間單位

b.滑動面貫穿階段 17～35時間單位

c.坡體滑出階段 ＞35時間單位

3 按設計方案施工后數值模擬分析

3.1 模型建立及物理力學參數選取

數值模擬是獲得邊坡演化、開挖及支護防護后直觀整體應力、應變的依據，有助于邊坡長期穩(wěn)定性的判斷［3，4］。本次計算選用代表性地質剖面，綜合考慮邊坡巖性組合及巖體結構特征等因素，對地質條件進行概化，建立的模型見圖7。由于坡體的變形和破壞主要發(fā)生在淺部，構造應力在長期的地質過程中已基本釋放完畢，因此模型邊界未考慮水平應力作用，僅考慮自重應力的作用。模型兩側邊界作x方向約束，底部邊界作y方向約束，開挖面為自由面，塊體采用 mohrcoulomb本構模型，接觸面采用庫侖滑動模型，考慮一組節(jié)理，一組與X軸正方向呈60°角，間距3 m。

根據室內試驗，結合工程經驗，邊坡計算選取的各巖土力學參數見表1。

圖7 支護后邊坡計算模型Fig.7 Calculation model after the slope is supported

表1 巖土體物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of calculation model

3.2 設計支護后的數值模擬分析

設計支護后邊坡位移見圖8。由圖8可看出，邊坡整體位移較小，最大值為1.72cm，集中在坡腳。邊坡開挖完成后坡面水平位移為2～8 mm，坡腳水平位移為1.6cm，坡面垂直位移為1.0mm，坡腳垂直位移為3.0mm。支護后邊坡變形得到了較好的控制，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖8 支護后邊坡位移云圖Fig.8 Displacement after the slope is supported

4 施工時的監(jiān)測信息反饋

圖9 測斜管1深度點位移－時程圖Fig.9 Displacement－time graph for test tube one

圖9為測斜管1深度點位移－時程曲線，根據深部位移監(jiān)測及地表監(jiān)測數據反饋，位移－時程曲線劃分為5個階段：第一階段，邊坡開挖后78d內呈等速蠕變，變形緩慢平緩；第二階段，78～84 d呈加速蠕變，這是因為雨季降雨入滲形成基巖裂隙水，加速了巖體的變形；第三階段，84～99d內，通過削去第一臺階變形體后變形減??；第四階段，99～183d內，由于第二臺階的開挖邊坡又呈等速蠕變；第五階段，183d以后，通過再削去第二臺階，并用擋土墻、錨索支護后，位移開始逐漸收斂并趨于穩(wěn)定。

5 結論

a.邊坡為順層極軟巖邊坡，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體結構受構造作用控制，空間上差異較大，為邊坡的失穩(wěn)提供了邊界條件。

b.邊坡處于滑移彎曲變形最后階段，邊坡順層巖體沿層面發(fā)生滑移拉裂變形。變形的前2個階段，邊坡在層狀巖體彎曲產生的推力作用下產生較大變形，嚴重擠壓褶皺，彎曲部位巖體逐漸破壞并形成貫通的剪切滑動面，彎曲部位巖體被剝蝕或開挖，坡腳阻力減小，彎曲部位巖體中滑移切出面與碎裂巖體內剪切滑動面貫通，坡體整體失穩(wěn)。

c.對同類邊坡的設計施工過程中，邊坡監(jiān)測與數值模擬相結合的“動態(tài)設計，信息化施工”方式，有利于確保邊坡的穩(wěn)定。

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