岢臨高速公路沿線黃土滑坡的穩(wěn)定性分析

宋 飛

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)中西部高速公路建設(shè)快速發(fā)展[1]，而該地區(qū)地質(zhì)條件十分復(fù)雜，在山區(qū)和丘陵區(qū)進(jìn)行高速公路的施工建設(shè)，往往因挖填方而造成邊坡的失穩(wěn)破壞。因此，邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題成為該類區(qū)域公路建設(shè)的主要工程地質(zhì)問(wèn)題之一。在施工過(guò)程中，常常因?yàn)閷?duì)地質(zhì)環(huán)境條件和地質(zhì)災(zāi)害的重視程度不足，引起古滑坡復(fù)活或者部分復(fù)活[2]，形成滑坡災(zāi)害，為人類生命財(cái)產(chǎn)安全造成損失。

目前，對(duì)于高速公路沿線滑坡的研究多重視滑坡本身的穩(wěn)定性與防治工作[3-4]，往往忽略其工程效應(yīng)方面的分析。實(shí)際上，滑坡的存在與高速公路的建設(shè)相互影響，高速公路的建設(shè)因挖填方而對(duì)滑坡產(chǎn)生卸載、加載、壓腳等作用[5]，從而對(duì)滑坡產(chǎn)生有利或不利的影響。不同的建設(shè)措施或工程效應(yīng)（例如將公路布設(shè)在滑坡的不同位置或者適當(dāng)調(diào)整挖填方的高程）對(duì)滑坡的穩(wěn)定性影響會(huì)產(chǎn)生極大的差異，而滑坡的穩(wěn)定狀態(tài)又反過(guò)來(lái)影響公路的建設(shè)安全及施工的經(jīng)濟(jì)效益。因此在高速公路的建設(shè)中，選取合適的建設(shè)位置對(duì)于滑坡的穩(wěn)定及工程經(jīng)濟(jì)效益有著重要的意義。

本文選取岢臨高速段具有代表性的某黃土滑坡作為研究對(duì)象，運(yùn)用Geo-studio軟件中的SLOPE/W和SIGMA/W兩個(gè)模塊，針對(duì)該黃土滑坡進(jìn)行了一系列（適當(dāng)?shù)恼{(diào)整高速公路線路的高程及其所在某滑坡坡體的位置）二維數(shù)值模擬，綜合分析公路建設(shè)對(duì)古滑坡穩(wěn)定性的影響及經(jīng)濟(jì)效益，從理論上解決該類工程問(wèn)題。

1 岢-臨高速公路沿線滑坡特征

岢（嵐）-臨（縣）高速公路全長(zhǎng)125 km，是山西省高速公路網(wǎng)規(guī)劃“三縱十二橫十二環(huán)”中西縱高速公路的一段，也是國(guó)家G59呼北高速的重要組成部分。該公路沿線溝谷縱橫、山巒起伏、地形復(fù)雜，沿途約有滑坡55處，其中滑坡群7處，包括東豹峪溝滑坡群、范家溝滑坡群、土貞滑坡群、臺(tái)子梁滑坡群、花子村滑坡帶、弓家溝滑坡帶和張家灣滑坡群，呈現(xiàn)區(qū)域分布密集的特征，且同一區(qū)域的滑坡在其規(guī)?；蚱矫嫘螒B(tài)上都具有相似性。例如花子村滑坡群，其滑坡后壁普遍高陡、滑坡前緣均受河流沖蝕、兩側(cè)沖溝發(fā)育等，各滑坡多處于穩(wěn)定或基本穩(wěn)定狀態(tài)，開挖、降雨或者人類工程活動(dòng)都可能加劇滑坡的變形失穩(wěn)。此外，沿線的單體滑坡均表現(xiàn)出規(guī)模大、穩(wěn)定性差、巖土結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特征，易受人類工程活動(dòng)的影響。

由此可見，本段高速公路的建設(shè)與運(yùn)行難度大大增加，研究其沿線滑坡特征及其工程效應(yīng)對(duì)解決上述工程難題十分必要。

2 某古滑坡

由于研究區(qū)的黃土滑坡在地形地貌、巖土組合特征、誘發(fā)因素等方面具有相似性，故筆者選取具有代表性的某古滑坡為例進(jìn)行研究，在調(diào)查其工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，建立了一系列模型進(jìn)行數(shù)值模擬，以期選出最優(yōu)的公路布設(shè)位置，為公路沿線各黃土滑坡提供理論參考。

2.1 滑坡總體特征

某古滑坡位于興縣康寧鎮(zhèn)，總體呈南北向展布，地形起伏不平（圖1）?；乱?guī)模較大，滑面形式為圓弧形（圖2），后緣因拉裂下滑而形成高陡邊坡，側(cè)緣可見沖溝、落水洞等。

圖1 某古滑坡平面圖

圖2 某古滑坡剖面圖

2.2 滑坡工程地質(zhì)條件

2.2.1 地形地貌及地質(zhì)概況

花子村2號(hào)滑坡所在區(qū)域的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為差異性升降、第三紀(jì)以來(lái)的間歇性上升，境內(nèi)保留有大致等高的山梁或黃土殘塬、黃土梁構(gòu)成的三級(jí)夷平面，沿線河谷區(qū)發(fā)育著I—Ⅲ級(jí)階地?；聟^(qū)所處地貌單元為剝蝕、侵蝕的黃土丘陵溝壑區(qū)，地勢(shì)起伏，地面標(biāo)高1 133.57～1 241.2 m，相對(duì)高差達(dá)到107.64 m?；碌貙又饕傻谒南灯路e或風(fēng)積成因的黃土狀粉土（Q3eol）、第三系紅黏土（N2）及三疊系二馬營(yíng)組砂巖（T2er），且?guī)r層產(chǎn)狀近于水平。具體見圖2。

2.2.2 人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)

滑坡區(qū)主要的人類活動(dòng)為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及公路建設(shè)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)雖然改變了滑坡體表面形態(tài)及坡面截排水系統(tǒng)，對(duì)其滑坡體的穩(wěn)定性有一定的影響，但不至于使其產(chǎn)生破壞變形。高速公路建設(shè)中人工開挖、爆破振動(dòng)、局部加載減載使滑坡體的平衡狀態(tài)受到了破壞,在很大程度上影響著滑坡的穩(wěn)定。

3 工程效應(yīng)分析

3.1 物理模型的建立

Geo-studio的每個(gè)模塊由DEFINE、SOLVE和CONTOUR三部分組成。對(duì)問(wèn)題的定義即建立模型在DEFINE中進(jìn)行。主要分為如下幾步：

a）設(shè)置工作區(qū)域、比例尺、坐標(biāo)軸及繪制模型邊界；

b）生成有限元區(qū)域、定義材料屬性；

c）給有限元區(qū)域賦予材料并進(jìn)行網(wǎng)格剖分；

d）定義邊界條件；

e）模型檢驗(yàn)。

為了研究某古滑坡的工程效應(yīng)，結(jié)合其工程地質(zhì)條件建立一系列二維模型（圖3），其中開挖部分的位置為不確定部分，按照同一高程但水平位置相隔8 m進(jìn)行開挖或填方筑路建立4個(gè)模型（圖3a）；又按同一位置高程相差4 m筑路建立4個(gè)模型（圖3b）。分別分析其邊坡穩(wěn)定性及工程量。

圖3 古滑坡二維模型

3.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)該滑坡的地質(zhì)勘察資料，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)及相關(guān)規(guī)范得到各層巖土體物理力學(xué)參數(shù)（表1）。

表1 各巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3.3 數(shù)值模擬

首先在SLOPE/W模塊中模擬古滑坡的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)古滑坡在處理之前最危險(xiǎn)滑面的穩(wěn)定系數(shù)為1.276，處于穩(wěn)定狀態(tài)。然后導(dǎo)入SIGMA/W模塊對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析（圖4），得到結(jié)果：整個(gè)古滑帶部分的最大剪應(yīng)變區(qū)域是貫通的，但其值很小，坡體仍處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 開挖筑路前古滑坡剪應(yīng)變圖

將圖3一系列模型同樣導(dǎo)入SLOPE/W、SIGMA/W模塊進(jìn)行模擬，得到結(jié)果：公路經(jīng)過(guò)同一滑坡體時(shí)，建設(shè)在不同的位置（圖6）或者不同的高程（圖7）對(duì)古滑坡的穩(wěn)定狀態(tài)均有不同程度的影響，甚至?xí)淖儾环€(wěn)定地質(zhì)體的位置；而古滑坡狀態(tài)的改變又會(huì)反過(guò)來(lái)影響公路線路的選擇。

從對(duì)古滑坡的穩(wěn)定性影響方面分析：建設(shè)高程確定之后，對(duì)坡體不同位置進(jìn)行開挖（圖6），從圖5可以看出開挖對(duì)古滑坡整體的影響不大，古滑坡滑帶穩(wěn)定系數(shù)基本保持不變，但開挖產(chǎn)生新的邊坡，可能導(dǎo)致古滑坡局部復(fù)活，圖6a、6b、6c中開挖部分以上至古滑坡后緣的坡體發(fā)生牽引式變形，最危險(xiǎn)滑移面從開挖底部向上蔓延至坡頂，其穩(wěn)定系數(shù)也降低，古滑坡局部復(fù)活，而圖6d因開挖位置較平坦，挖方量小且少量填方對(duì)坡體產(chǎn)生壓腳作用，穩(wěn)定系數(shù)較高，開挖后坡體仍處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。改變建設(shè)高程后（圖5），圖7e、7f中因開挖部分距古滑帶位置較近，挖方量大，新邊坡以上滑坡復(fù)活；圖7g、7h中開挖部分距滑帶位置較遠(yuǎn)，挖方量小，對(duì)古滑坡的影響很小，坡體依然處于穩(wěn)定或基本穩(wěn)定狀態(tài)。

從工程量方面分析，高程確定之后，挖方量越大意味著挖方位置距滑坡后緣越近（圖6），則產(chǎn)生的新邊坡也就越陡，越容易導(dǎo)致古滑坡的局部復(fù)活；若確定了建設(shè)位置，則高程的改變引起工程量的改變，挖方量越大意味著開挖部分距古滑帶的位置越近，雖有利于古滑坡的整體穩(wěn)定，但產(chǎn)生的新的陡坡使開挖部分以上坡體復(fù)活。因此，需要在保證坡體基本穩(wěn)定的前提下，選取工程量較少的位置進(jìn)行筑路。

圖5 公路建設(shè)前后滑坡穩(wěn)定系數(shù)及工程量與建設(shè)位置的關(guān)系

綜合考慮古滑坡的穩(wěn)定性及工程量?jī)煞矫?，建議將該高速公路建設(shè)在離滑帶位置較遠(yuǎn)且較平坦的位置（圖6d或圖7g、7h）。

4 公路沿線滑坡的防治措施分析

圖6 同一高程不同建設(shè)位置古滑坡剪應(yīng)變對(duì)比圖

圖7 同一位置不同建設(shè)高程古滑坡剪應(yīng)變對(duì)比圖

a）公路線路布設(shè)階段 應(yīng)查清沿線滑坡的規(guī)模、穩(wěn)定狀態(tài)及其發(fā)展趨勢(shì)，并研究其可能對(duì)公路建設(shè)造成的危害；避免在抗滑段進(jìn)行挖方，且挖方部分應(yīng)距古滑帶越遠(yuǎn)越好；避免深大挖方產(chǎn)生新的高陡邊坡引起古滑坡的局部復(fù)活；適當(dāng)?shù)恼{(diào)整公路在坡體上的位置可能大大減少對(duì)滑坡的擾動(dòng)；若無(wú)法避免誘發(fā)滑坡的發(fā)生，應(yīng)采取相應(yīng)的工程措施。

b）公路建設(shè)施工階段 由于古滑坡的滑帶和坡體土質(zhì)特殊，在施工時(shí)應(yīng)盡量減少施工設(shè)施和用料等堆載在坡體上增加下滑力；松散坡體不宜直接作為路基，應(yīng)先對(duì)其進(jìn)行清除處理，再用灰土等封水材料回填處理至設(shè)計(jì)標(biāo)高；開挖過(guò)程中應(yīng)邊支擋邊開挖，以免因坡體土質(zhì)松散而使開挖部分以上坡體發(fā)生失穩(wěn)破壞；另外，暴雨極易誘發(fā)黃土滑坡，故應(yīng)將截水溝設(shè)置在滑坡周界，滑坡體坡面設(shè)置排水溝，最大程度上避免由于地表水下滲而降低坡體的穩(wěn)定性。

c）公路運(yùn)行階段 應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作，做好防護(hù)設(shè)施的保養(yǎng)與維修工作，避免因防治措施失效而導(dǎo)致災(zāi)害的發(fā)展。

5 結(jié)論

a）調(diào)查了岢-臨高速段具有代表性的某古滑坡的工程地質(zhì)條件及滑坡的基本特征，分析了對(duì)古滑坡穩(wěn)定的有利和不利因素。

b）根據(jù)模擬結(jié)果，為本段公路布設(shè)提出建議，并結(jié)合對(duì)黃土滑坡的工程效應(yīng)分析，探討了高速公路沿線黃土滑坡的防治措施?？蔀轭愃乒こ探ㄔO(shè)及滑坡防治提供參考依據(jù)。