周立 張園園 何欣 劉洋 張彬

摘 要：通過(guò)對(duì)滑坡體進(jìn)行工程地質(zhì)調(diào)查測(cè)繪以及鉆探等手段，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境因素，分析研究滑坡發(fā)生機(jī)制;采用FLAC3D建立計(jì)算模型，對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行定量分析，同時(shí)反演最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)值。經(jīng)分析，門(mén)頭溝二斜井發(fā)生滑坡的直接原因?yàn)樵陧槍踊鶐r邊坡進(jìn)行切坡及削坡角作業(yè)，形成坡腳臨空面，同時(shí)未及時(shí)做支護(hù)，致使巖體抗剪強(qiáng)度降低，加之基巖層中存在的順層軟弱結(jié)構(gòu)面在地表水的作用下，致使上覆巖體沿軟弱面滑動(dòng)，形成滑坡。通過(guò)FLAC3D分析計(jì)算得出，在天然工況下，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為0.96，暴雨工況下，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為0.68，邊坡均處于不穩(wěn)定狀態(tài)。邊坡的最大位移位于邊坡中下部，表現(xiàn)為明顯的順層滑動(dòng)，坡體出現(xiàn)明顯的塑性貫通區(qū)。

關(guān)鍵詞：滑坡機(jī)制;FLAC3D模型;穩(wěn)定性分析;邊坡防治

Abstract： We study the formation mechanism of landslide mass by means of engineering geological surveying， mapping and drilling， and the site operation environmental factors. The quantitative analysis of the slope stability by FLAC3D is used to invert optimum design parameter values. The analysis results show that the Mentougou Erxiejing landslide is caused by the empty face of slope that is formed by cutting bedding rock， so the slope toe has no timely support to result in the reduction of shear strength. Additionally， with the influence of surface water the weak structural surface of bedding rock moves with the covered mass and cause the landslide. By analyzing and calculating by FLAC3D， we found no matter in natural condition with the stability coefficient of the slope 0.96 or in the rainstorm condition with the stability coefficient of the slope 0.68， i.e.， the slope is in instability state. The maximal displacement is located in the central and lower part of slope， and landslide is appeared as the strong bedding slipping and the formation of plastic penetration area on the surface of slope.

Keywords： Formation mechanism of landslide; FLAC3D model; Stability analysis， Slope prevention

0 引言

隨著人類(lèi)工程活動(dòng)的發(fā)展，邊坡失穩(wěn)問(wèn)題越來(lái)越突出。目前現(xiàn)階段滑坡調(diào)查最常見(jiàn)的方法是變形跡象調(diào)查，并結(jié)合鉆探、物探等勘探手段;在邊坡變形破壞機(jī)制研究及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法方面，前人做了大量的科研工作及理論分析，也獲得非常寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)（李忠等，2004;張倬元等，1994;鄭穎人等，2003;張社榮，2007;伊麗娟等，2008;中國(guó)科學(xué)院武漢巖體土力研究所，1981）。對(duì)于穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，多以建設(shè)適宜的模型，將復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化、形象化，從而得出合理的參數(shù)取值。模型的建立大多采用極限平衡理論的條分法以及數(shù)值分析方法（張建永，1999）。前者以極限平衡理論為基礎(chǔ)，力學(xué)模型簡(jiǎn)單;后者數(shù)值分析法作為有限單元法，可直觀的模擬出滑坡體的運(yùn)動(dòng)形態(tài)及潛在的滑動(dòng)面，推算出坡體的穩(wěn)定性系數(shù)（連金芳，2009）。本次選用目前我國(guó)巖土力學(xué)與工程界發(fā)展最快、最具有影響的數(shù)值分析軟件FLAC3D進(jìn)行計(jì)算，該軟件采用了混合離散方法來(lái)模擬材料的塑形流動(dòng)特性，利用動(dòng)態(tài)的運(yùn)動(dòng)方程以及顯示方法進(jìn)行求解，使計(jì)算過(guò)程更為合理，同時(shí)也提高了邊坡防治設(shè)計(jì)計(jì)算的精度，為邊坡的防治提供了理論基礎(chǔ)（李朝暉等，2011）。

研究項(xiàng)目位于北京市門(mén)頭溝區(qū)二斜井小區(qū)北東側(cè)，規(guī)劃建設(shè)中的黑山大街北延道路西側(cè)邊坡。工程管線(xiàn)鋪設(shè)施工時(shí)，道路邊坡發(fā)生滑坡，坡長(zhǎng)約80m，寬約60m，造成道路及管線(xiàn)損壞，同時(shí)嚴(yán)重影響附近居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。本文通過(guò)定性分析與FLAC3D建模計(jì)算，對(duì)滑坡機(jī)制及邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提高了邊坡防治設(shè)計(jì)計(jì)算的精度，為邊坡的防治提供了理論基礎(chǔ)。

1 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

1.1 地形地貌條件

滑坡場(chǎng)地位于低山丘陵斜坡地段，原始地形坡度較陡，總體介于20°～35°。因道路建設(shè)，該處邊坡已做削坡處理，但并未采取其他支護(hù)措施，一直處于基巖裸露擱置狀態(tài)。滑坡發(fā)生前，坡腳處正在進(jìn)行電力管線(xiàn)開(kāi)挖施工，沿坡腳形成了高寬為4m×4m明挖管溝，長(zhǎng)約1.5km，且該段未采取任何支護(hù)措施;滑坡發(fā)生后，滑坡體對(duì)坡腳處正在施工中的電力管溝造成了擠壓破壞，部分滑落的破碎巖體滾落堆積于坡腳下道路，坡體上電線(xiàn)桿存在傾倒現(xiàn)象。坡體多處出現(xiàn)裂縫，長(zhǎng)約3～8m不等，寬約1～3m不等，隨著汛期雨季的到來(lái)，雨水的不斷入滲致使滑坡后的巖體持續(xù)變形，裂縫存在持續(xù)增大的趨勢(shì)?；潞缶壨鈧?cè)地表局部覆蓋有殘坡積土，大部分地段植被較好，山體未見(jiàn)開(kāi)裂跡象。

1.2 地層巖性

區(qū)內(nèi)地層由新至老主要有上更新統(tǒng)、侏羅系窯坡組。

上更新統(tǒng)（Qp3）：場(chǎng)地南側(cè)有上更新統(tǒng)地層出露，成因主要為坡洪積及洪積。坡洪積物主要為灰黃色黃土質(zhì)砂質(zhì)黏土、礫石等，分選差，磨圓為次圓狀;礫徑大小不一;洪積物主要為黃土質(zhì)粉砂、夾有礫石層等。

侏羅系窯坡組（Jy）：場(chǎng)地附近基巖主要為窯坡組一段（Jy1）。該地層在場(chǎng)地周邊山區(qū)和第四系覆蓋層下分布。

1.3 結(jié)構(gòu)面情況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)基巖露頭和開(kāi)挖探槽進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查量測(cè)，該段邊坡坡向約為117°，坡角28°～35°，主要存在二組裂隙結(jié)構(gòu)面。第一組裂隙（L1）：產(chǎn)狀（65°～85°）∠（79°～90°），裂隙結(jié)構(gòu)面為軟弱結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面分離，平直光滑，泥質(zhì)充填，張開(kāi)度0.1cm～0.2cm，間距5cm/條～20cm/條，裂隙貫通;第二組裂隙（L2）：產(chǎn)狀（255°～320°）∠（56°～87°），裂隙結(jié)構(gòu)面為軟弱結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面分離，平直光滑，泥質(zhì)充填，張開(kāi)度0.1cm～2.0cm，間距20cm/條～80cm/條。

1.4 巖土參數(shù)的選定

根據(jù)臨近工程勘察和本項(xiàng)目勘查資料，同時(shí)參考附近同類(lèi)工程施工確定巖土工程主要參數(shù)，詳見(jiàn)表1。

該邊坡巖體結(jié)構(gòu)面為軟弱結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面平直光滑、略有起伏，泥質(zhì)充填，結(jié)構(gòu)結(jié)合程度很差。根據(jù)規(guī)范及類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，各結(jié)構(gòu)面之間、層面之間抗剪強(qiáng)度指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值見(jiàn)表2。

2 滑坡分析與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

2.1 滑坡變形情況

本次滑坡體坡向約坡向約為117°，坡角28°～35°。滑坡后緣存在近垂直裂縫，錯(cuò)臺(tái)跡象明顯，最大錯(cuò)臺(tái)高差3～4m;滑坡臺(tái)出現(xiàn)數(shù)十條張裂縫，裂縫長(zhǎng)度3～8m，寬約1～3m;滑坡體前緣可見(jiàn)剪出、隆起跡象（圖1、圖2）。

2.2 滑坡特征

（1）平面形態(tài)

從平面上看，該滑坡主滑方向?yàn)檠仄旅娣较?，東南-西北方向長(zhǎng)約70m，西南-東北方向?qū)捈s60m，滑坡體平面投影面積約3000m2。

（2）滑坡面埋深及特征

根據(jù)本次勘查野外調(diào)查及鉆探揭露，該滑坡滑動(dòng)面（117°∠30°）為沿強(qiáng)風(fēng)化砂巖中的順層節(jié)理裂隙面，由于受大氣降水的長(zhǎng)期浸染侵蝕，形成極為破碎的軟弱結(jié)構(gòu)面，鉆探揭露滑動(dòng)面埋深為5.7～9.8m。

（3）滑體物質(zhì)組成

滑坡體主要由砂巖組成，泥質(zhì)充填，其風(fēng)化程度較高，且節(jié)理裂隙發(fā)育，局部表層覆蓋有殘坡積土。滑坡體中砂巖含量占比約為99%，其余為填土及第四系殘坡積土。

（4）滑坡各部位特征

滑坡后壁：由于滑動(dòng)變形的影響，后緣形成高約近3m的滑坡壁錯(cuò)落距，滑坡壁出露以強(qiáng)風(fēng)化砂巖為主，傾角一般為80°～90°，傾向以65°為主。在滑坡后壁附近地表形成密集的張拉裂縫帶，張拉裂縫走向大致和滑坡壁平行，裂縫寬約1～3m不等，可見(jiàn)深度一般0.5～3m，呈深 “V”字型。

滑坡側(cè)壁：滑坡體南側(cè)邊緣發(fā)育有一條破碎帶，通過(guò)鉆孔揭露地層顯示，破碎帶埋深約15m，主要由坡積土及強(qiáng)風(fēng)化破碎砂巖組成，結(jié)構(gòu)松散，力學(xué)性質(zhì)差。受此破碎帶的緩沖影響，該滑坡南側(cè)壁變形不明顯。

滑坡腳：滑坡體前緣可見(jiàn)剪出、隆起跡象。

（5）滑坡分類(lèi)

綜合判定滑坡按物質(zhì)組成分類(lèi)為基巖滑坡;按滑動(dòng)體厚度分類(lèi)，滑坡厚度主要為10m以?xún)?nèi)，為淺層滑坡;按結(jié)構(gòu)面特征，該滑坡為順層滑坡。

2.3 滑坡形成機(jī)制分析

（1）自然因素

滑坡坡角為約28°～35°左右，與巖層傾角相近，為順層結(jié)構(gòu)，且?guī)r層橫向及縱向節(jié)理均發(fā)育強(qiáng)烈，長(zhǎng)期受雨水侵蝕影響，抗剪強(qiáng)度降低，極易形成滑動(dòng)面，致使坡體失穩(wěn)，造成巖土沿順層滑動(dòng)。

（2）人為因素

場(chǎng)地位于山地斜坡地段，原始地形斜坡坡度較陡，坡度約25°～30°。原始地形條件下場(chǎng)地地表植被覆蓋較好，構(gòu)成邊坡的主要地層為第四系坡殘積層及下伏強(qiáng)—中風(fēng)化砂巖，巖土體結(jié)構(gòu)一般。但在修建規(guī)劃道路時(shí)，該邊坡被人為削坡，基巖裸露，坡面未作任何保護(hù)。裸露的基巖風(fēng)化程度高，節(jié)理裂隙發(fā)育，有利于大氣降水或其它因素形成的地表水沿節(jié)理裂隙下滲，侵蝕裂隙面，尤其對(duì)砂巖中軟弱的泥質(zhì)夾層造成破壞強(qiáng)烈，使其巖層軟弱面抗剪強(qiáng)度降低，形成不利于邊坡穩(wěn)定的軟弱滑動(dòng)面。同時(shí)在修建電力管溝的施工中，管溝開(kāi)挖對(duì)該邊坡坡角切割，形成了高約4m的臨空面。

（3）綜合分析

綜上，在順層基巖邊坡進(jìn)行切坡及削坡角作業(yè)，形成坡腳臨空面，同時(shí)未及時(shí)做支護(hù)，致使巖體抗剪強(qiáng)度降低，加之基巖層中存在的順層軟弱結(jié)構(gòu)面在地表水的作用下，致使上覆巖體沿軟弱面滑動(dòng)，形成滑坡災(zāi)害。

2.4 基于FLAC3D的穩(wěn)定性分析

（1）評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中，治理工程等級(jí)按Ⅱ級(jí)考慮，設(shè)計(jì)工況為自重+現(xiàn)狀地下水位，設(shè)計(jì)安全系數(shù)為1.20;穩(wěn)定計(jì)算工況分別考慮邊坡滑坡后、未治理前在天然工況、暴雨工況的穩(wěn)定性。

（2）模型建立

采用由美國(guó)ITASCA公司開(kāi)發(fā)的仿真計(jì)算軟件FLAC3D，根據(jù)實(shí)際測(cè)繪所得地形圖建立模型。計(jì)算模型的三維尺寸為200.2m×1.0m×91.5m。計(jì)算模型共劃分為10707個(gè)單元和16062個(gè)節(jié)點(diǎn)。場(chǎng)地內(nèi)地層根據(jù)鉆探結(jié)果揭露顯示，坡體地層分別為人工填土層、強(qiáng)風(fēng)化砂巖和中風(fēng)化砂巖（計(jì)算模型如圖3所示）。模型計(jì)算考慮邊坡巖土體的分層，計(jì)算方法采用總應(yīng)力法，計(jì)算參數(shù)采用總應(yīng)力指標(biāo)，本構(gòu)模型采用摩爾庫(kù)倫模型。

（3）計(jì)算分析

通過(guò)本次模擬計(jì)算分析，該滑坡的最大位移多分布于邊坡中下部，表現(xiàn)為明顯的順層滑動(dòng)。天然工況下，邊坡的塑性區(qū)分布如圖4所示，邊坡體表層出現(xiàn)明顯的塑性貫通區(qū)，穩(wěn)定系數(shù)為0.96，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài);暴雨工況下，邊坡的塑性區(qū)分布如圖5所示，邊坡體一定深度范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯的塑性貫通區(qū)，表現(xiàn)為滑坡體的最不利結(jié)構(gòu)面，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為0.68，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在暴雨工況下，滑坡剪應(yīng)變?cè)隽肯啾忍烊粻顟B(tài)下出現(xiàn)更為明顯的貫通，基本沿著邊坡巖體強(qiáng)風(fēng)化界面，由滑坡體后緣向坡腳剪出口處貫通，塑性分布區(qū)較天然工況下分布范圍擴(kuò)大，模擬顯示的剪應(yīng)變?cè)隽控炌▍^(qū)與現(xiàn)場(chǎng)勘探揭露的滑動(dòng)面基本一致。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)滑坡體特征的分析研究，其發(fā)生滑坡的主要原因?yàn)樵陧槍踊鶐r邊坡進(jìn)行切坡及削坡，同時(shí)未及時(shí)做支護(hù)，致使巖體抗剪強(qiáng)度降低，形成了不利的軟弱結(jié)構(gòu)面，加之雨水入滲的影響，造成巖體滑動(dòng)。

通過(guò)FLAC3D分析計(jì)算得出的穩(wěn)定性系數(shù)基本與現(xiàn)場(chǎng)判斷一致，可作為本次反演模擬分析得出的最優(yōu)參數(shù)值。通過(guò)穩(wěn)定性分析計(jì)算，提高了邊坡防治設(shè)計(jì)計(jì)算的精度，為邊坡的防治提供了理論基礎(chǔ)。

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