顺层岩质边坡变形机制分析与治理效果模拟

魏云杰 陶连金 王文沛 朱志刚

（1.北京工业大学 城市与工程安全减灾教育部重点实验室，北京100124；2.北京市勘察设计研究院有限公司，北京100038）

近年来，山区高等级公路、村镇公路建设的快速发展，公路建设中高挖深填现象普遍，形成了人工边坡。由于岩体结构复杂、稳定性差，在降雨及工程开挖影响下，出现不同规模的变形破坏现象，严重影响了公路工程建设和运营期间的安全［1］。顺层岩质边坡的变形和破坏，与地层岩性、岩体结构、地质构造、地形地貌、水文地质特征及人类工程活动密切相关［1，2］。黄润秋等［1］通过对汤 屯高速公路顺层边坡现场工程地质条件的系统调查，研究了边坡的岩体结构类型及其成因机制、结构面与坡面组合特征，在此基础上通过FLAC3D数值模拟，结合工程地质条件分析，探讨了变形破坏机制。成永刚等［3］以长晋高速公路K31＋160～K31＋460段顺层滑坡为例，通过Geoslope软件数值模拟了该滑坡在初始设计状况下全断面开挖后无工程防护时的坡体状态，以及变更设计后工程防护对坡体的加固效果；同时运用监测等手段，对变更设计后坡体的适时状态进行监测分析，根据两者相互综合的反馈信息，为滑坡的“动态设计，信息化施工”提供依据。李安洪等［4］在对大量顺层边坡进行详细调查研究基础上，总结提出顺层岩质路堑边坡的分类及8种顺层边坡破坏模式，并对较为常见的滑移－拉裂和滑移－弯曲破坏模式的稳定性分析方法进行讨论。据统计，公路建设工程中顺层型滑坡占滑坡数量的50.7%［4］。因此，研究复杂顺层边坡的成因破坏机制，准确地评价和预测其变形破坏模式，并通过变形监测与数值模拟的相互验证分析，使两者优劣互补，对治理设计具有重要意义［1，3］。

拟建的双大路位于北京门头沟境内，是连接双塘涧与柏峪的主要通道。本文研究的边坡位于门头沟区清水镇燕家台村西，主要为两级台阶状挖方路段，目前已按1∶0.75设计坡度开挖，并形成高15～25m左右的人工边坡雏形，坡向与公路走向基本直交，坡度15°～25°，局部35°～40°，斜坡两侧均发育冲沟，中部两条小冲沟，沿公路走向斜坡地形略有起伏。地面海拔高度810～869 m，为低山侵蚀剥蚀地貌。边坡岩体破碎，节理裂隙和劈理构造发育。在边坡开挖过程中，坡面产生裂缝，变形范围东西方向约220m、南北方向约150m，在降雨和工程开挖的条件下坡体变形迅速，若不及时采取有效的治理措施，边坡有可能发生整体失稳，形成滑坡，造成不可估量的损失。

根据相关研究［1－13］，在查明边坡的岩体结构条件、变形破坏机制的基础上，采取坡体深部位移监测、地表位移监测的立体监测方案，并通过监测与数值模拟的方法综合进行分析，成为指导设计与施工的重要依据。

1 顺层边坡概况

1.1 工程地质环境概况

工程边坡坡体地层主要为中寒武统毛山、馒头组岩层（C－2m）钙质页岩、碳质页岩、泥岩及泥质白云岩，局部发育砂岩透镜体，12.7～29.0m以下发育泥质白云岩，上部覆盖第四系。场区内边坡范围的页岩和泥岩为极软岩，全－强风化，碎裂、散体状结构，工程等级为Ⅴ级。下部的泥质白云岩，一般为强－弱风化，岩体结构主要为破碎－较破碎，碎裂块状－层状结构，工程等级为Ⅳ级。

现场地质调查表明，边坡北侧不远处为沿河城断裂带的分支构造，产状为150°∠60°～70°，场区西侧有北西向次级断裂构造通过并与沿河城断裂带斜交。

调查表明，雨季因降雨入渗可能形成局部基岩裂隙水，主要分布在山体内破碎岩体的裂隙或破碎带中，顺坡向下迅速排泄，水量小。

1.2 施工方案简介

1.2.1 支护方案

K13＋380～K13＋440路段：按分级削坡，坡比1∶1.5，台阶宽度3.0m，坡面不防护，坡脚处设置5m高重力式挡墙。

K13＋300～K13＋380路段：分2级削坡，坡比1∶1.5，台阶宽度3.0m，钢筋混凝土格构＋预应力锚索护坡，浆砌块石护面，坡脚处设置5m高重力式挡墙。

K13＋260～K13＋300路段：分级削坡，坡比1∶1.5，台阶宽度3.0m，坡面不防护。坡脚处设置5m高重力式挡墙。

1.2.2 边坡后缘裂缝处理

对坡面出现裂缝处采用水泥浆进行灌注封堵。

1.2.3 边坡后缘截水沟

滑坡体外围设置浆砌块石和截水沟，内宽500mm×500mm。

1.2.4 监测点布设

K13＋380～K13＋440路段进行深部位移监测，以判断其滑移破坏的深度、边界，确定其破坏的程度和模式，监测点布置见图1。

2 坡体变形破坏特征及机制分析

2.1 坡体变形特征

图1 边坡工程地质剖面及监测点布置图Fig.1 Geological profile of a slope engineering and the arrangements of monitoring points

图2 测斜管1深度－位移曲线Fig.2 Depth－displacement curve for Test tube 1

图3 测斜管3深度－位移曲线Fig.3 Depth－displacement curve for Test tube 3

根据上述布置，边坡各点监测数据曲线见图2、图3，图中曲线为2008年4月份至10月份测斜管深度－位移曲线。从图中可以得出：边坡的变形主要发生在0～25m的范围内，这个深度相当于开挖边坡引起的“强卸荷区”。边坡变形表现出上部变形量比下部变形量大，在某一深度以上坡体的变形基本相同。图2中14.0～16.0m和图3中23.0～25.0m之间的位移有突变，在此深度以上的范围内变形具有很好的同步性和一致性，表明在这个深度上存在特定的软弱结构面并且倾向坡外，控制了结构面以上坡体在开挖卸荷过程中的整体回弹变形，并且对边坡的整体变形起到主要控制作用，若不及时支护，最终将产生滑坡。

2.2 坡体变形机制分析

根据现场调查和监测资料分析，该滑坡体实际上是一顺层蠕滑体，沿弱面蠕滑的发生是以其前缘的小背斜被沟谷切穿和公路施工挖除为前提的。在此之前，由于前缘的背斜呈高耸状，坡体不具备蠕滑条件（图4－A，B），随着河谷下切，阻挡蠕滑发生的背斜部分逐渐侵蚀，局部在公路施工过程中被开挖，发生蠕滑的层间挤压带开始出露于地表（图4－C），此时，坡体在中、后部顺层段推力作用下开始蠕滑。

图4 边坡变形演化过程示意图Fig.4 Evolution of slope deformation

由此可知，目前该边坡处于滑移弯曲变形最后阶段，边坡顺层岩体沿层面发生滑移拉裂变形。变形的前两个阶段，上部边坡附近碎裂岩体在层状岩体弯曲产生的推力作用下产生较大变形，严重挤压褶皱，弯曲部位岩体逐渐破坏并形成贯通的剪切滑动面，弯曲上部岩体被剥蚀或开挖，坡脚阻力减小，弯曲部位岩体中滑移切出面与碎裂岩体内剪切滑动面贯通，导致坡体整体失稳。

2.3 坡体变形机制的数值模拟

图5 边坡UDEC模型Fig.5 UDEC simulation of slope

图6 坡体变形的离散元模拟Fig.6 Discrete element simulation of slope deformation

在上述分析的基础上，建立了边坡离散元（UDEC）计算模型来分析边坡变形破坏产生的力学机制（图5），边坡开挖后应力及变形特征及演化过程见图6。模拟结果表明，上部坡体的变形表现为沿着坡底主滑动面和坡体内部多个层面的剪切滑动，且沿着主滑动面的蠕滑变形量要远大于沿坡体内部的层面滑蠕量，是坡体变形的控制性蠕滑面。随着坡体变形的加剧，下部坡体开始产生复杂的变形破裂：首先，是近坡体表面的岩块产生松动，小规模掉块，内部局部架空；然后，在底滑面上，由于上部坡体的挤推作用，开始产生层间扩容，并顶托上覆岩体产生弯曲变形。随着时间的延长，这种扩容与弯曲现象愈加剧烈，扩容区开始累进性向坡体下部延伸，至35时间单位，这一扩容区累进性贯穿坡面，坡体开始大规模滑出。伴随坡体下部滑动面的累进性贯穿过程，上部坡体的变形也表现出局部沿陡倾角结构面的拉开，形成张裂带以及坡体结构的强烈松动，表层块体下滑等变形破坏现象。模拟结果清晰地显示了坡体下部滑动面的累进性贯穿过程，以及扩展的位置和路径。

可以根据模拟结果，将坡体变形破坏过程与变形历时大致对应划分如下：

a.轻微变形阶段 0～17时间单位

b.滑动面贯穿阶段 17～35时间单位

c.坡体滑出阶段 ＞35时间单位

3 按设计方案施工后数值模拟分析

3.1 模型建立及物理力学参数选取

数值模拟是获得边坡演化、开挖及支护防护后直观整体应力、应变的依据，有助于边坡长期稳定性的判断［3，4］。本次计算选用代表性地质剖面，综合考虑边坡岩性组合及岩体结构特征等因素，对地质条件进行概化，建立的模型见图7。由于坡体的变形和破坏主要发生在浅部，构造应力在长期的地质过程中已基本释放完毕，因此模型边界未考虑水平应力作用，仅考虑自重应力的作用。模型两侧边界作x方向约束，底部边界作y方向约束，开挖面为自由面，块体采用 mohrcoulomb本构模型，接触面采用库仑滑动模型，考虑一组节理，一组与X轴正方向呈60°角，间距3 m。

根据室内试验，结合工程经验，边坡计算选取的各岩土力学参数见表1。

图7 支护后边坡计算模型Fig.7 Calculation model after the slope is supported

表1 岩土体物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of calculation model

3.2 设计支护后的数值模拟分析

设计支护后边坡位移见图8。由图8可看出，边坡整体位移较小，最大值为1.72cm，集中在坡脚。边坡开挖完成后坡面水平位移为2～8 mm，坡脚水平位移为1.6cm，坡面垂直位移为1.0mm，坡脚垂直位移为3.0mm。支护后边坡变形得到了较好的控制，边坡处于稳定状态。

图8 支护后边坡位移云图Fig.8 Displacement after the slope is supported

4 施工时的监测信息反馈

图9 测斜管1深度点位移－时程图Fig.9 Displacement－time graph for test tube one

图9为测斜管1深度点位移－时程曲线，根据深部位移监测及地表监测数据反馈，位移－时程曲线划分为5个阶段：第一阶段，边坡开挖后78d内呈等速蠕变，变形缓慢平缓；第二阶段，78～84 d呈加速蠕变，这是因为雨季降雨入渗形成基岩裂隙水，加速了岩体的变形；第三阶段，84～99d内，通过削去第一台阶变形体后变形减小；第四阶段，99～183d内，由于第二台阶的开挖边坡又呈等速蠕变；第五阶段，183d以后，通过再削去第二台阶，并用挡土墙、锚索支护后，位移开始逐渐收敛并趋于稳定。

5 结论

a.边坡为顺层极软岩边坡，岩体破碎，节理裂隙发育，岩体结构受构造作用控制，空间上差异较大，为边坡的失稳提供了边界条件。

b.边坡处于滑移弯曲变形最后阶段，边坡顺层岩体沿层面发生滑移拉裂变形。变形的前2个阶段，边坡在层状岩体弯曲产生的推力作用下产生较大变形，严重挤压褶皱，弯曲部位岩体逐渐破坏并形成贯通的剪切滑动面，弯曲部位岩体被剥蚀或开挖，坡脚阻力减小，弯曲部位岩体中滑移切出面与碎裂岩体内剪切滑动面贯通，坡体整体失稳。

c.对同类边坡的设计施工过程中，边坡监测与数值模拟相结合的“动态设计，信息化施工”方式，有利于确保边坡的稳定。

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