段毅，楊暢，賀鳴，石盼，趙建軍

（1.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，西安 710075；2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059）

2018年以來(lái)，甘肅臨夏地區(qū)因持續(xù)性強(qiáng)降雨，發(fā)生了大面積的淺層山體滑坡，國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司檢修公司運(yùn)行的330kV開(kāi)茨、330kV臨茨、330 kV茨多等多回線路桿塔塔位因淺層山體滑塌，導(dǎo)致塔位局部地表變形、裂縫，線路工程無(wú)法正常安全運(yùn)行。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這些滑坡大部分為黃土－泥巖結(jié)構(gòu)的淺層滑坡。

對(duì)于黃土－泥巖斜坡，學(xué)者們做了大量研究，分析了其變形破壞機(jī)制、穩(wěn)定性等，并取得了大量的成果［1－7］。劉寧寧［8］采用傳遞系數(shù)法隱式解作出黃土－鋁質(zhì)泥巖接觸面滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)；王新剛等［9］指出黃土－泥巖滑坡的破壞模式大多為坡肩先受到侵蝕產(chǎn)生了微裂隙，裂隙不斷地發(fā)展、貫通發(fā)育成大的裂縫，斜坡局部會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)破壞，直至滑動(dòng)面貫通斜坡發(fā)生整體滑動(dòng)破壞；Mu等［10］根據(jù)彈塑性力學(xué)數(shù)值模型，揭示了黃土－泥巖滑坡的觸發(fā)機(jī)制，指出水巖相互作用使得黃土－泥巖接觸帶的剪切強(qiáng)度對(duì)含水量非常敏感，是此類滑坡發(fā)生的主要原因；李松等［11］通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，指出黃土－泥巖結(jié)構(gòu)斜坡變形模式為滑移－拉裂型；樓平等［12］采用數(shù)值模擬研究了土質(zhì)斜坡在降雨條件下的應(yīng)力應(yīng)變分布特征并采用極限平衡理論計(jì)算不同降雨階段的斜坡穩(wěn)定性特征；岑威鈞等［13］采用有限元強(qiáng)度折減法，研究降雨入滲對(duì)膨脹土渠坡的抗滑穩(wěn)定性影響；劉林林等［14］利用Geo-Studio軟件中的SEEP／W模擬了不同降雨強(qiáng)度條件下黃土邊坡穩(wěn)定性，指出隨著降雨強(qiáng)度的增大邊坡穩(wěn)定性系數(shù)逐漸減小，邊坡穩(wěn)定狀態(tài)逐漸下降；韓帥［15］采用Geo-Studio計(jì)算與模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，指出含有先存結(jié)構(gòu)面的黃土－泥巖滑坡的滑動(dòng)機(jī)理為：斜坡在天然狀態(tài)下沿著老滑面、黃土泥巖接觸面、軟弱結(jié)構(gòu)面、最大剪應(yīng)力集中帶發(fā)生長(zhǎng)期緩慢的蠕動(dòng)變形演化，在坡體內(nèi)部產(chǎn)生了貫通性的潛在滑動(dòng)面；降雨作用下，水分滲入土體，一方面增加土體的自重，另一方面，降低了土體抗剪強(qiáng)度，當(dāng)達(dá)到土體抗剪強(qiáng)度極限時(shí)，土體便發(fā)生剪切破壞，滑坡發(fā)生。以上研究可知，黃土－泥巖結(jié)構(gòu)斜坡的穩(wěn)定性受到斜坡上覆黃土含水量及其變形破壞模式的顯著影響，但是缺少對(duì)黃土層厚度及斜坡坡度等關(guān)鍵因素的量化研究。

本文以甘肅臨夏地區(qū)開(kāi)茨94區(qū)段的斜坡為研究對(duì)象，通過(guò)有限元軟件Geo-studio，以斜坡黃土層厚度及斜坡坡度為關(guān)鍵因素，研究斜坡穩(wěn)定性的演化規(guī)律。并提出該地區(qū)黃土－泥巖斜坡變形破壞的防治措施及線路塔基選址的建議。

1 地質(zhì)條件概述

開(kāi)茨94區(qū)段位于臨夏市路盤鄉(xiāng)趙家山附近，地貌以剝蝕緩低丘陵為主，地形起伏較大、破碎程度高，整體呈現(xiàn)為東高西低，坡體總體為緩－陡－緩斜坡結(jié)構(gòu)類型，斜坡后緣為耕地范圍，坡度較緩，中部為一處近40°陡坡高度在20～25m之間，前緣為農(nóng)田，坡度較緩。斜坡整體坡度在20°～35°之間。斜坡表面多為耕地，植被較少，局部含水量較高。該區(qū)段為典型淺層黃土－泥巖結(jié)構(gòu)類型斜坡，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔資料顯示，開(kāi)茨94塔基附近黃土深度為4.45m。下伏第三系泥巖，厚度較大，風(fēng)化嚴(yán)重；上部為全風(fēng)化狀，呈棕紅色黏性土狀，厚度為3～10m不等；在斜坡中部和底部坡腳處偏厚，在山梁頂部偏薄。

根據(jù)遙感解譯以及實(shí)地勘察，開(kāi)茨94區(qū)域發(fā)育多處不良地質(zhì)體，西側(cè)有多處古滑坡與新近小規(guī)模的滑塌、滑坡體，地質(zhì)條件極其復(fù)雜。工程地質(zhì)平面圖見(jiàn)圖1，工程地質(zhì)剖面圖見(jiàn)圖2。

圖1 開(kāi)茨94區(qū)段工程地質(zhì)平面圖

圖2 開(kāi)茨94區(qū)段工程地質(zhì)剖面圖

2 黃土－泥巖結(jié)構(gòu)斜坡變形機(jī)制分析

2.1 變形破壞機(jī)制數(shù)值模擬分析

為探究典型（淺）黃土－泥巖地區(qū)斜坡變形機(jī)制以及確定斜坡變形臨界條件，本次采用geo-studio中slope模塊進(jìn)行數(shù)值模擬。建立不同坡度以及不同上覆蓋層黃土厚層的數(shù)值計(jì)算模型，本次選取開(kāi)茨94區(qū)段區(qū)域塔基部位斜坡作為計(jì)算原型，該處斜坡坡度值為20°，塔基底部淺層黃土厚度為4.45m。計(jì)算模型坡度及覆蓋層厚度如表1所示。共計(jì)建立計(jì)算模型49個(gè)。

表1 數(shù)值計(jì)算模型

以此49種不同強(qiáng)風(fēng)化層厚度以及斜坡坡度模型進(jìn)行斜坡穩(wěn)定性計(jì)算，以求出在不同狀態(tài)下斜坡的穩(wěn)定性系數(shù)，從而確定塔基斜坡最佳坡度值以及最佳上覆蓋層黃土厚度，為以后塔基選址提供可靠依據(jù)。

計(jì)算均采用天然和暴雨兩種工況；暴雨下設(shè)置上層黃土為全飽和狀態(tài)，數(shù)值模擬參數(shù)見(jiàn)表2。應(yīng)力計(jì)算選geo-studio中sigma模塊采用分析方法為“荷載／變形”計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為3 600s，分為10步進(jìn)行計(jì)算，并保存每一步計(jì)算結(jié)果。

表2 數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)

對(duì)計(jì)算獲得的各個(gè)模型的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析斜坡塔基部位巖土體在降雨工況下的位移的大小。其中合位移變化如圖3所示。

圖3 斜坡塔基部位合位移隨覆蓋層厚度變化

從圖3中可知，塔基部位合位移的大小隨著覆蓋層的厚度增大而增加；在黃土厚度相同條件下，塔基部位合位移隨斜坡坡度越大而增加，且在坡度大于30°后，變化更加明顯；斜坡坡度越大，覆蓋層厚度的變化對(duì)塔基部位合位移的影響越大。

2.2 變形破壞機(jī)制綜合分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)合數(shù)值模擬分析，斜坡穩(wěn)定性受降雨影響顯著。降雨一方面使斜坡上覆巖土體重度增大而增加載荷；另一方面，使巖土體強(qiáng)度指標(biāo)降低并浸潤(rùn)斜坡基覆界線，導(dǎo)致黃土－泥巖接觸面抗滑力降低。降雨將加劇泥巖層的蠕滑變形，并可能導(dǎo)致斜坡后緣發(fā)育坡面至深部的拉裂縫。黃土覆蓋層發(fā)生滑動(dòng)變形，對(duì)斜坡底部巖土體產(chǎn)生推動(dòng)力，使變形不斷增大最終導(dǎo)致大范圍的變形破壞甚至產(chǎn)生滑坡。

參考本次數(shù)值計(jì)算結(jié)果，本區(qū)段黃土－泥巖結(jié)構(gòu)斜坡變形破壞模式主要表現(xiàn)為蠕滑－拉裂變形，潛在滑動(dòng)面主要沿黃土與泥巖接觸面發(fā)展，地表裂縫的出現(xiàn)位置受于局部地形，特別是發(fā)育陡坎的部位是裂縫集中出現(xiàn)的位置?？赡馨l(fā)生的變形破壞模式為“蠕滑－拉裂”、“滑移－拉裂”。變形破壞模式演示圖見(jiàn)圖4。

圖4 黃土－泥巖結(jié)構(gòu)斜坡變形破壞演化示意圖

3 黃土－泥巖結(jié)構(gòu)斜坡穩(wěn)定性分析

對(duì)不同坡度和不同上覆蓋層黃土厚度模型斜坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算，采用自動(dòng)搜索滑面方式，搜索的滑面如圖5。分別開(kāi)展Morgenstern-Price、Janbu、Bishop以及Ordinary方法穩(wěn)定性計(jì)算，獲得黃土－泥巖結(jié)構(gòu)斜坡穩(wěn)定性系數(shù)。將獲得的穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，在天然、暴雨工況下的結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖5 Geo-studio自動(dòng)搜索滑面

圖6 4種方法下穩(wěn)定性系數(shù)隨坡度變化

圖7 4種方法下穩(wěn)定性系數(shù)隨厚度變化

由圖可知，坡度小于30°時(shí)，不同黃土厚度條件下斜坡穩(wěn)定性均大于1.2；斜坡坡度為35°、黃土厚度8.45m時(shí)，暴雨工況下穩(wěn)定性系數(shù)最低降低至1.054，可能發(fā)生斜坡變形；斜坡坡度40°、黃土厚度1.45m時(shí)穩(wěn)定性最差，暴雨工況穩(wěn)定性系數(shù)0.973；坡度達(dá)45°時(shí)黃土厚度對(duì)斜坡穩(wěn)定性影響較小，各種厚度條件下穩(wěn)定性系數(shù)均小于1.0。

此次模擬的結(jié)果較為可靠，但在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)于非圓弧形滑面，Janbu、Bishop以及Ordinary在條間力和力矩（力）平衡上的簡(jiǎn)化，可能會(huì)造成計(jì)算結(jié)果的偏差，建議讀者在今后的工程應(yīng)用中考慮這一點(diǎn)。

計(jì)算結(jié)果表明，斜坡發(fā)生破壞的臨界坡度以及黃土厚度為斜坡坡度35°、黃土厚度8.45m，此種斜坡在天然工況下穩(wěn)定性系數(shù)為1.164～1.169為穩(wěn)定狀態(tài)，暴雨工況下降低至1.054～1.056，處于欠穩(wěn)定－基本穩(wěn)定狀態(tài)，坡度繼續(xù)增大或是斜坡黃土層厚度繼續(xù)增長(zhǎng)都會(huì)導(dǎo)致斜坡穩(wěn)定性降低。

4 結(jié)論

通過(guò)數(shù)值計(jì)算模擬不同坡度、不同黃土覆蓋層厚度時(shí)開(kāi)茨94區(qū)段區(qū)域塔基部位斜坡穩(wěn)定性。結(jié)果表明，塔基斜坡坡度不宜超過(guò)30°，低于30°為安全坡度，在塔基斜坡選擇時(shí)，應(yīng)盡量避免在泥巖全風(fēng)化層厚度大于4m斜坡位置通過(guò)，選擇黃土覆蓋層小于4m斜坡較為安全。黃土－泥巖斜坡塔基選址時(shí)，由于黃土強(qiáng)度在降雨條件下大幅度降低，所示斜坡監(jiān)測(cè)應(yīng)注意斜坡含水量變化，盡量選擇坡表較為平緩且排水性能較好區(qū)域作為塔基。另一方面，對(duì)黃土－泥巖斜坡中的塔基位置應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控，包括雨量監(jiān)測(cè)、地表位移監(jiān)測(cè)、深部位移監(jiān)測(cè)以及應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)等自動(dòng)化監(jiān)測(cè)手段方法，并定期派遣專業(yè)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)走訪，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)上報(bào)。