張寬,成啟航,丁選星,汪少杰

巖質(zhì)高陡邊坡關(guān)鍵剖面穩(wěn)定性分析

張寬1,成啟航2,丁選星1,汪少杰1

1. 中鐵西北科學(xué)研究院有限公司, 甘肅 蘭州 730000 2. 西南交通大學(xué) 巖土工程系, 四川 成都 610031

小江口隧道邊坡是灰?guī)r夾泥灰?guī)r的巖質(zhì)高陡邊坡，陡崖處存在兩處由多組不規(guī)則卸荷裂隙圍限出的危巖體，危及擬建隧道及橋梁的安全。為確保隧道施工過(guò)程和運(yùn)營(yíng)的安全，以小江口隧道為原型，選取關(guān)鍵剖面評(píng)價(jià)局部危巖體的穩(wěn)定性。研究表明：隧道出口岸坡與上游側(cè)陡崖邊坡的坡體應(yīng)力狀態(tài)相同，均呈現(xiàn)坡腳位置應(yīng)力集中，陡坡面存在受拉區(qū)的高山峽谷應(yīng)力分布特征，易在邊坡底部出現(xiàn)剪切破壞以及高位陡巖發(fā)生崩塌落石等地質(zhì)災(zāi)害。隧道出口段南側(cè)陡崖的破壞模式為漸進(jìn)式傾倒破壞，上游側(cè)陡崖的破壞模式是錯(cuò)落式破壞。

邊坡; 剖面; 穩(wěn)定性

危巖體是指陡峭邊坡上被多組結(jié)構(gòu)面切割，在重力、風(fēng)化營(yíng)力、地應(yīng)力、地震、水體等作用下與母巖逐漸分離，且穩(wěn)定性較差的巖體[1-3]。這類(lèi)巖體一般處于非穩(wěn)定狀態(tài)，在外界因素作用下，極易誘發(fā)崩塌事故。危巖高邊坡在我國(guó)西南山區(qū)的公路沿線分布廣泛，因其災(zāi)害的發(fā)生具有突發(fā)性，破壞失穩(wěn)具有致災(zāi)性和毀滅性的特點(diǎn)[4,5]，嚴(yán)重威脅公路及沿線的安全與運(yùn)營(yíng)，常造成災(zāi)難性的后果。

目前，對(duì)危巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的方法主要有兩種：定性分析和定量分析。定性方法[6]主要有地質(zhì)歷史分析法、赤平投影法、工程地質(zhì)類(lèi)比法等。定量計(jì)算方法[7,8]主要有數(shù)值分析法、靜力計(jì)算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)識(shí)別法等。以上分析方法中，數(shù)值分析法能夠真實(shí)反映坡體的應(yīng)力應(yīng)變分布，模擬邊坡破壞過(guò)程和失穩(wěn)機(jī)理，還可獲得可視化程度較高的結(jié)果，越來(lái)越多地應(yīng)用到工程實(shí)際中。谷拴成[9]通過(guò)有限元數(shù)值模擬，研究燕子埡邊坡危巖的穩(wěn)定性，獲得較好的模擬效果。Shen JY[10]等采用強(qiáng)度折減法分析巖石邊坡破壞過(guò)程。田林[11]采用FLAC3D軟件對(duì)危巖高邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，并提出治理方案。唐樂(lè)人[12]采用數(shù)值模擬方法對(duì)3類(lèi)危巖體的失穩(wěn)模式進(jìn)行驗(yàn)證，得出貼坡式和懸掛式危巖體穩(wěn)定性較差的結(jié)論。

上述數(shù)值分析方法多通過(guò)對(duì)地形條件簡(jiǎn)化建立分析模型，較少反映研究區(qū)復(fù)雜的地形地貌特征和各種邊界條件。由于巖質(zhì)邊坡地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面裂隙、軟弱夾層等直接影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，關(guān)鍵危巖剖面的分析結(jié)果對(duì)整個(gè)危巖體穩(wěn)定性起到預(yù)警作用。因此，本文以小江口隧道邊坡為例，選取隧道出口位置的兩處關(guān)鍵危巖剖面進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)巖質(zhì)劣化時(shí)的邊坡變形模式和失穩(wěn)范圍，明確最易失穩(wěn)危巖體的變形破壞模式，為支擋加固提供依據(jù)。

1 研究區(qū)工程概況

小江口隧道位于貴州省凱里市灣水鎮(zhèn)境內(nèi)，與兩岔河大橋相鄰，隧道出口距306省道路約100m，有礦區(qū)公路通過(guò)隧道附近。隧道出口周?chē)副诨居苫規(guī)r組成，東面和南面臨空，巖壁近乎垂直，煤層位于坡腳處，陡崖坡腳應(yīng)力集中，如圖1所示。

在隧道出口岸坡及兩岔河大橋右側(cè)岸坡卸荷裂隙均十分發(fā)育，有大量與斜坡走向和傾向一致或平行延伸的卸荷裂隙或軟弱帶。隧道出口岸坡巖體中，發(fā)育的結(jié)構(gòu)面主要有NE55~60°/SE80°、NW65~70°/NE70~78°、NE35°/SE72°、NW54°/SW72°、NW10°/NE75°和NW80°/SW70°。兩岔河大橋右側(cè)高邊坡巖體中節(jié)理比較發(fā)育，發(fā)育的結(jié)構(gòu)面主要有以下三組：NE75°/NW80°、NW20°/SW80°和NW36°/NE81°。從總體上看，下部巖體變形嚴(yán)重。由于長(zhǎng)期卸荷作用，上部節(jié)理裂隙不斷張開(kāi)和貫通?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，第一條卸荷裂隙位于岸坡上部，距坡口的距離約為15~20 m，第二條卸荷裂隙距坡口40~50 m，近期裂隙在逐步發(fā)展變大，特殊工況下發(fā)生崩塌的可能性大，整體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)小江口隧道和兩岔河大橋的施工、運(yùn)營(yíng)均產(chǎn)生較大威脅。

小江口隧道出口岸坡地質(zhì)條件復(fù)雜，且三面臨空，空間效應(yīng)顯著。隧道出口周邊主要分布兩處危巖體，一處為兩岔河大橋右側(cè)灰?guī)r陡壁危巖體，厚約70 m，順陡壁方向長(zhǎng)約60 m；第二處為隧道出口左側(cè)危巖體，順陡壁方向長(zhǎng)約60~80 m，卸荷裂隙已從山頂基本貫通至坡腳，下部為坪地煤礦1221開(kāi)采區(qū)及老采空區(qū)影響范圍內(nèi)，近期有變形加劇的跡象，如圖2所示。

圖1 隧道出口段陡崖邊坡

圖2 上游側(cè)（橋右側(cè)）陡崖邊坡

2 關(guān)鍵危巖剖面穩(wěn)定性分析

2.1 計(jì)算參數(shù)及工況設(shè)計(jì)

選取隧道出口周邊兩處危巖體邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，巖體結(jié)構(gòu)是控制巖質(zhì)邊坡破壞模式和穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。本計(jì)算模型精細(xì)地反映了邊坡研究區(qū)域的巖體結(jié)構(gòu)，充分考慮巖體結(jié)構(gòu)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的控制作用，隧道出口段陡崖邊坡主要包含了兩組節(jié)理，一組緩傾節(jié)理（產(chǎn)狀NE70°∠NW6°），一組陡傾節(jié)理（產(chǎn)狀NE35°/SE72°）。上游側(cè)陡崖邊坡也包含了兩組節(jié)理，一組緩傾節(jié)理（產(chǎn)狀NE70°∠NW6°），一組陡傾節(jié)理（產(chǎn)狀NW20°/SW80°），在平面模型上由于視傾角的關(guān)系，緩傾節(jié)理表現(xiàn)為近水平狀。采用Goodman接觸面單元模擬，服從莫爾—庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則。

坡體材料分為巖塊和節(jié)理兩部分，該區(qū)域地層巖性主要為灰?guī)r、白云巖和炭質(zhì)泥巖，為了便于計(jì)算且滿足當(dāng)前研究階段的工程精度要求，將其概化為一種巖石，采用實(shí)體單元模擬，并視其為莫爾—庫(kù)倫彈塑性材料。各項(xiàng)材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖體計(jì)算參數(shù)表

數(shù)值分析目的是研究邊坡體當(dāng)前的穩(wěn)定狀態(tài)及潛在破壞模式，兩處危巖體均設(shè)置為如下工況。

工況一：自重工況。計(jì)算重力作用下的坡體應(yīng)力場(chǎng)，通過(guò)應(yīng)力場(chǎng)的分析，了解易出現(xiàn)拉裂縫的區(qū)域，對(duì)其當(dāng)前穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行定性分析；

工況二：破壞模式。應(yīng)用強(qiáng)度折減原理，不斷折減邊坡巖體材料的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，直至坡體達(dá)到極限平衡狀態(tài)，以確定邊坡體在各種自然營(yíng)力作用下的失穩(wěn)破壞模式。

2.2 隧道出口段陡崖邊坡穩(wěn)定性分析

選取小江口隧道縱斷面作為計(jì)算斷面，如圖3所示。根據(jù)該地質(zhì)斷面圖，概化出數(shù)值計(jì)算模型，模型尺寸取為長(zhǎng)約600 m、高約350 m，滿足消除邊界條件影響要求。采用六節(jié)點(diǎn)二次單元對(duì)模型進(jìn)行有限元離散，共計(jì)4598個(gè)單元，10235個(gè)節(jié)點(diǎn)，單元離散如圖4所示。

圖3 地質(zhì)縱斷面圖

圖4 數(shù)值計(jì)算模型

2.2.1 初始地應(yīng)力條件下穩(wěn)定性分析自重工況下邊坡計(jì)算結(jié)果如圖5~圖7所示。最大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力分布基本與自然坡面平行，受兩組結(jié)構(gòu)面影響，局部出現(xiàn)鋸齒狀分布現(xiàn)象，但總體分布符合斜坡應(yīng)力分布規(guī)律，并呈現(xiàn)出明顯的高山峽谷應(yīng)力分布特征，即在坡腳河谷位置出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，陡坡面存在受拉區(qū)，這些都為邊坡底部出現(xiàn)剪切破壞以及高位陡巖發(fā)生崩塌落石等地質(zhì)災(zāi)害提供了條件。圖7給出了天然狀態(tài)下邊坡巖體的屈服區(qū)分布圖（紅色實(shí)線表示節(jié)理屈服，紅色圓圈表示巖塊受拉屈服，紅色叉表示巖塊剪切屈服），由圖可知，自重作用下，坡腳位置巖體出現(xiàn)了剪切屈服現(xiàn)象，坡頂存在受拉屈服區(qū)，但是屈服區(qū)主要局限在坡體內(nèi)部，并未從坡腳延伸至坡頂，形成貫通面，這與當(dāng)前坡體的穩(wěn)定狀態(tài)相符。

圖5 最大主應(yīng)力云圖

（紅色實(shí)線表示節(jié)理屈服，紅色圓圈表示巖塊受拉屈服，紅色叉表示巖塊剪切屈服）

圖6 最小主應(yīng)力云圖

（紅色實(shí)線表示節(jié)理屈服，紅色圓圈表示巖塊受拉屈服，紅色叉表示巖塊剪切屈服）

圖7 巖體屈服區(qū)分布圖

（紅色實(shí)線表示節(jié)理屈服，紅色圓圈表示巖塊受拉屈服，紅色叉表示巖塊剪切屈服）

2.2.2 破壞模式分析采用強(qiáng)度折減法分析邊坡的破壞模式，強(qiáng)度折減至極限平衡狀態(tài)時(shí)邊坡的計(jì)算結(jié)果如圖8~10所示。由圖可知，該陡崖邊坡的破壞模式為漸進(jìn)式傾倒破壞。坡腳處由于應(yīng)力水平相對(duì)較高，在各種自然營(yíng)力的作用下，該處由陡傾節(jié)理切割形成的陡傾巖板開(kāi)始繞坡腳向外撓曲，陡傾節(jié)理出現(xiàn)剪切屈服和張拉破壞，巖板在根部處的彎曲應(yīng)力持續(xù)增大，當(dāng)該應(yīng)力超過(guò)巖板的承受能力時(shí)，靠近坡面的巖板首先發(fā)生彎折破壞；坡體后部巖板由于失去了前部巖板的支撐，隨著時(shí)間的推移，將繼續(xù)發(fā)生漸進(jìn)性的傾倒破壞，破壞范圍進(jìn)一步增大，最終形成的坡體變形圖如圖9所示。由于該處位置下方為煤層采空區(qū)，施工擾動(dòng)會(huì)加劇變形發(fā)展。

圖8 極限平衡狀態(tài)總位移云圖

圖9 坡體網(wǎng)格變形圖

圖10 強(qiáng)度折減至極限平衡狀態(tài)巖體屈服區(qū)

2.3 上游側(cè)陡崖邊坡穩(wěn)定性分析

選取兩岔河上游側(cè)陡崖斷面作為計(jì)算斷面，如圖11所示。概化出數(shù)值計(jì)算模型，計(jì)算模型尺寸取為長(zhǎng)約500 m，高約250 m，滿足消除邊界條件影響要求。采用六節(jié)點(diǎn)二次單元對(duì)模型進(jìn)行有限元離散，共計(jì)4075個(gè)單元，9211個(gè)節(jié)點(diǎn)，單元離散如圖12所示。

圖11 計(jì)算斷面圖

圖12 數(shù)值計(jì)算模型

2.3.1 初始地應(yīng)力條件下穩(wěn)定性分析初始地應(yīng)力作用下上游側(cè)陡崖邊坡的坡體應(yīng)力狀態(tài)與隧道出口岸坡相同，均呈現(xiàn)坡腳位置應(yīng)力集中，陡坡面存在受拉區(qū)的高山峽谷應(yīng)力分布特征，如圖13~15所示。為邊坡底部出現(xiàn)剪切破壞引發(fā)錯(cuò)落式滑坡，以及高位陡巖發(fā)生崩塌落石等地質(zhì)災(zāi)害提供了條件。塑性屈服區(qū)主要局限于坡體內(nèi)部，并未形成貫通破裂面，與坡體當(dāng)前應(yīng)力狀態(tài)相符合。

圖13 最大主應(yīng)力云圖

圖14 最小主應(yīng)力云圖

圖15 巖體屈服區(qū)分布圖

2.3.2 破壞模式分析由圖16~圖18可知，上游側(cè)陡崖邊坡的破壞模式主要為錯(cuò)落式破壞。在自重作用下，隨著巖體強(qiáng)度參數(shù)的降低，邊坡底部剪應(yīng)力逐漸增大，待達(dá)到巖體抗剪強(qiáng)度后，邊坡底部巖體首先發(fā)生剪切塑性變形，巖體從坡腳以上約10 m位置處向外剪出，剪切破壞面與一組陡傾節(jié)理（距坡面水平距離約18 m）組合形成貫通的破壞面，如圖18所示。由于滑坡后緣拉裂面較陡（傾角為83度），滑體主要向下發(fā)生錯(cuò)落變形，從而形成錯(cuò)落式滑坡。由于橋梁與陡崖邊坡的水平凈間距不足40 m，上游側(cè)陡崖失穩(wěn)后，破壞巖體將可能撞擊橋梁墩臺(tái)底部，從而導(dǎo)致橋梁垮塌。

圖16 極限平衡狀態(tài)總位移云圖

圖17 最大剪應(yīng)變分布圖

圖18 巖體屈服區(qū)分布圖

3 結(jié)論

以小江口隧道出口危巖邊坡體為例，采用數(shù)值模擬方法，選取穩(wěn)定性程度較差的關(guān)鍵危巖剖面，模擬其潛在破壞模式，并預(yù)測(cè)巖質(zhì)邊坡體的變形特征和發(fā)展規(guī)律，得到如下結(jié)論：

（1）隧道出口段南側(cè)陡崖符合斜坡應(yīng)力分布規(guī)律，并呈現(xiàn)出明顯的高山峽谷應(yīng)力分布特征，即在坡腳河谷位置出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，陡坡面存在受拉區(qū)，這些都為邊坡底部出現(xiàn)剪切破壞以及高位陡巖發(fā)生崩塌落石等地質(zhì)災(zāi)害提供了條件，其破壞模式為漸進(jìn)式傾倒破壞，受煤層采空區(qū)影響明顯；

（2）上游側(cè)陡崖的塑性屈服區(qū)主要局限于坡體內(nèi)部，并未形成貫通破裂面，其破壞模式是錯(cuò)落式破壞。上游側(cè)陡崖失穩(wěn)后，破壞巖體將可能撞擊橋梁墩臺(tái)底部，從而導(dǎo)致橋梁垮塌。

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Stability Analysis on Key Sections of High and Steep Rock Slope

ZHANG Kuan1, CHENG Qi-hang2, DING Xuan-xing1, WANG Shao-jie1

1.730000,2.610031,

Xiaojiangkou tunnel slope is a high and steep rock slope with limestone mixed with marl. There are two dangerous rock masses enclosed by multiple sets of irregular unloading cracks on the steep cliff, which endanger the safety of the proposed tunnel and bridge. In order to ensure the safety of the construction and operation of the tunnel, taking Xiaojiangkou tunnel as a prototype, we select the key section to evaluate the stability of the local dangerous rock mass. The results show that: the stress state of the slope at the exit slope is the same as that of the steep slope at the upper side, all of them show stress concentration at the foot of the slope, and there are stress distribution characteristics of the mountain canyon in the tensile area on steep slope, the geological disasters such as the shear failure and the collapse of the high steep rock are easy to occur at the bottom of the side slope. The failure mode of the steep cliff on the south side of the tunnel exit section is progressive dumping failure, while the upstream side cliff is staggered failure.

Slope; section; stability

U416.1+4

A

1000-2324(2019)05-0821-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.05.017

2018-05-12

2018-05-29

張寬(1983-),男,碩士,工程師,主要從事滑坡與邊坡治理. E-mail:1010144373@qq.com