某隧道边坡稳定性分析评价

茹杉杉 俞尚宇

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

边坡稳定性问题是铁路工程、管道工程及水利水电工程经常遇到的，直接关系到附近人员的生命安全及工程建筑物的安全、经济和正常使用。在某隧道施工过程中，由于连续暴雨，隧道进口右侧山体出现地表变形开裂，并分布有明显裂缝，存在滑坡迹象，对当地村民的生命和财产有一定的安全隐患。发现问题后，有关单位立即组织专业技术人员进行现场踏勘，并开展相关工作。

1 自然地理概况

场地位于贵州省普安县境内，隧道距普安县城约10 km，有乡间土路和施工便道相通。

场地属亚热带高原季风气候区，垂直方向差异较大，立体气候明显，降雨具有连续集中的特点，雨季多暴雨。降雨受地势及季风气候影响，在空间上分布不均匀。据普安县气象局资料，普安县年平均降水量1 439 mm，最大年降雨量1 675 mm，最小年降雨量1 332 mm，多集中于五至十月份。灾害性气候主要为春旱、冰雹和暴雨。

2 滑坡区综合勘察结果

2.1 滑坡范围

评价范围内的滑坡体位于隧道进口右侧山体斜坡上，与隧道线位不相交，高程分布范围为1 500～1 580 m。地貌属剥蚀低中山—中山区，斜坡地形起伏较大，自然坡度一般为35°～40°，局部稍陡，坡向229°。根据野外调查访问和勘探结果，该滑坡体滑坡周界以岩土体是否产生变形破坏为界，滑坡后缘位于施工便道上方，房子2的后右上方，滑坡前缘剪出口为施工便道边缘;两侧以微地貌中自然形成的冲沟及陡坎为边界。

滑坡体前缘横宽45～50 m，纵长95 m，坡体平均坡度35°，主滑方向 229°，平均厚度约15 m，总体积约55 000 m3，属于中型滑坡。据钻探揭示，滑坡物质主要为堆积、坡积碎石土、角砾土，堆积厚度不均，属于松散堆积体滑坡。

2.2 空间形态分布

根据现场调查踏勘，测绘地形，隧道进口右侧滑坡的空间形态分布如图1所示，山体上分布有明显裂缝。滑坡整体呈长舌状，滑坡体边界明显。前缘以施工便道内侧为界，两侧以已滑塌范围为界，后缘以滑塌形成的裂缝为界。

图1 滑坡全貌及裂缝分布

2.3 坡体物质组成及结构特征

通过地表地质调绘及勘探资料分析，滑坡体物质组成主要为松散碎石土及角砾土。

(1)滑体

滑体物质组成主要为第四系松散残坡积层，主要岩性为碎石土、粉质黏土，黄褐色，稍湿，呈松散状。滑坡体物质结构较松散，透水性好，抗剪强度低，厚度不均，分布不均。局部滑坡体为滑塌变形后堆积物，主要为碎石土，夹强风化泥质砂岩和砂质泥岩，平均厚度约15 m，钻探揭示最厚处可达21.4 m。下伏基岩为三叠系下统飞仙关组泥质砂岩和砂质泥岩，灰紫红色，弱风化，节理裂隙发育，岩体较破碎。

(2)滑面

按照钻探揭示情况，该滑坡体滑动面为松散堆积层与下伏基岩的岩性接触面，呈折线形。滑床与滑体的接触关系主要以下部风化基岩面为标志面。在滑体下部主要为含碎石粉质黏土、碎石土与中风化的泥质砂岩、砂质泥岩直接接触。碎石土松散，透水性强，碎石土中的黏性土遇水易软化。下部风化基岩工程性质较好，透水性差。勘察时，滑坡体内未见地下水，地下水主要该基岩面向下流动，在地下水作用下，滑坡体软化，沿风化基岩层面下滑。

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(3)滑床

滑床为基岩，由中风化泥质砂岩、砂质泥岩组成，节理裂隙较发育，为软质岩组。岩层产状20°∠52°，走向与滑向呈交切关系。

2.4 滑坡变形破坏模式

分为牵引式滑坡和推移式滑坡［1］。

牵引式滑坡其变形特征一般表现为土体向临空方向的剪切蠕动，坡体上产生自地表向深部的拉裂，进一步明显变形产生贯通良好的拉裂缝，然后剪切进一步贯通，地表裂缝增多，伴有局部崩滑、掉块产生，最终滑动面产生坍塌。

重力推移式滑坡其变形特征一般表现为土体向临空方向迅速剪切滑动，剪切面已有软弱结构面控制，其变形是由深部潜在剪切面逐步向地表发展，滑坡体后缘与剪出口位于地形变化转折部位［2］。

综合上述变形特征，结合滑坡发展过程和现场调查资料，该滑坡体形成的主要原因是连续暴雨状况下，滑体内土体重度增加，滑面抗剪强度减小。同时，也受到施工便道开挖后形成临空面以及坡体上部房屋荷载影响。因此，按照滑坡受力状态，滑坡应属于重力推移式滑坡。

3 边坡稳定性分析

3.1 滑坡参数确定

根据勘察及地质调绘分析，该滑坡体的物质组成主要为碎石土，滑面的物质组成主要为含碎石粉质黏土。本次计算，主要考虑对该坡体进行稳定性评价，结合钻探、调绘成果，分析该山体潜在滑动面为折线型。在勘察阶段，根据钻探、地质调绘等资料综合确定，选取了该山体的剖面Ⅰ－Ⅰ'作为本次稳定性计算的典型剖面。

计算参数的选取结合目前的滑坡体稳定状态，以及同类工程经验类比的基础上，对该滑坡体采用综合取值法进行确定。隧道进口右侧滑体主要以第四系残坡积碎石土、角砾土为主，结合勘察试验和同类工程的经验确定滑体的重度参数。计算中，滑体天然重度取21.00 kN/m3、饱和重度取21.50 kN/m3。本次设计采用经验值与参数反演结果综合取值进行验算，选取天然状态和饱和状态的边坡岩土体内聚力(C)和内摩擦角(φ)，如表1所示。

表1 滑带土(岩)抗剪强度参数采用值

3.2 稳定性分析计算

为保证勘察工作的有效性，以及保证治理设计工程的安全可靠行，结合该滑坡的实际情况，采用传递系数法［3］和理正软件模型进行计算。同时，根据《岩土工程勘察规范》(GB50021—2001)2009年版，设计了两种计算工况。

工况一:天然工况(自重);

工况二:暴雨工况(自重+50年一遇暴雨)。

(1)传递系数法

结合勘察、地质调绘的分析，本次滑坡稳定性计算采用传递系数法作为计算方法。勘探过程中，滑坡体内未见地下水，所以计算时不考虑浮托力和动水压力。

式中:Fs—稳定系数;θi—第i块段滑动面与水平面的夹角/(°);Ni—第i块段滑动面的法向分力/(kN/m);Ri—作用于第i块段的抗滑力/(kN/m);Ti—作用于第i块段滑面上的滑动分力/(kN/m);Qi—第i条块自重标准值与相应附加荷载之和/(kN/m);Ci—第i条块滑面粘聚力标准值/kPa;Li—第i条块滑面长度/m;φi—第i条块滑面内摩擦角标准值/(°);ψj—第i块段的剩余下滑力传递至第i+1块时的传递系数(j=i时)。

根据已确定的滑坡体参数，根据上述公式进行传递系数法计算，得出该山体潜在滑坡典型剖面的安全系数如表2和表3所示，图2为滑坡坡面条分情况，图3为滑坡分段力系分解图。

表2 隧道右侧山体滑坡Ⅰ－Ⅰ'天然状况下稳定性计算

表3 隧道右侧山体滑坡Ⅰ－Ⅰ'暴雨工况下稳定性计算

图2 传递系数法计算坡面条分

(2)理正软件分析结果

图3 滑坡分段力系分解

利用理正边坡分析软件，选择复杂土层土坡稳定计算，选择并输入相关数据后得到分析结果。对于指定折线滑动面问题，软件提供了简化毕肖普、简化简布和摩根斯顿－普赖斯三种极限平衡计算方法［4］。

简化毕肖普法适用于一般土层且滑动面为圆弧情况，该方法考虑了条间的水平力，以整体力矩平衡和各条垂直力平衡条件为基础进行求解。由于没有考虑条间垂直向力，因此存在2%～7%的误差。简化简布适于任意土层任意滑动面情况，考虑条间的水平力的同时指定水平力作用点，以整体力矩平衡、各条力矩平衡、各条垂直力力平衡和各条水平力平衡为基础进行求解，但求解精度较难确定。

摩根斯顿－普赖斯适用于有软弱夹层、薄心墙及任何坝型的坝坡稳定分析，它是一种满足力和力矩平衡的计算方法，其计算滑动面为非圆弧滑动面，适用范围较为广泛。滑坡体条分情况如图4所示，天然工况及暴雨工况下的计算结果如表4所示。图5和6为两种计算工况情况下的摩根斯顿－普赖斯计算曲线［5］。

图4 理正软件计算坡面条分

表4 理正软件边坡稳定性计算结果

图5 天然工况下摩根斯顿－普赖斯计算结果

4 结论

上述计算及分析表明，理论分析结果与理正软件计算结果虽然存在一定偏差，但总体上较为接近。因考虑条件及计算条件的不同，三种方法的软件计算结果存在一定差异，简化简布法得出的计算结果偏于保守。

总体来看，该边坡在天然工况下能处于稳定状态，但安全系数不高，处于较危险状态。在暴雨工况作用下安全系数小于1，表明会发生滑动破坏，而且暴雨工况并没有考虑地下渗流力，计算过程没有考虑隧道爆破施工的影响。因此，与计算结果相比，实际情况下该边坡可能更易产生滑动破坏。对隧道边坡进行综合勘查及稳定性分析后，提出以下治理建议:

①建议在滑坡体范围内及周界外侧，建立完善的排水系统，并做好防渗漏措施，确保降雨、地表水及时畅通排泄;对滑坡体出现的裂缝及时进行回填夯实处理，防止地表水沿裂缝灌入影响坡体稳定;坚决杜绝生活用水、污水、灌溉水等随意排放。

②建议结合实际情况可采用排水法、支挡法与注浆加固法和避让法等方法，设计时应综合考虑以上方法，进行技术经济比较，采用经济合理的方法。

③对滑坡、道路和房屋要定员做好巡视检查(包括经常性检查、定期检查和特别检查)，如发现隐情，及时预警，疏散周边村民，乡村道路禁止通行。

④设计时应慎重考虑边坡设置问题，可适当采取放缓边坡和加强边坡支护的方法处理。

⑤房屋已发生开裂变形，安全隐患大，建议拆迁，对施工便道两侧应设置警示牌，在通过前首先一看二查三注意，快速通过，不应停留在坡体上。

图6 暴雨工况下摩根斯顿－普赖斯计算结果

［1］刘文平，郑颖人，等．边坡稳定性理论及其局限性［J］．后勤工程学院学报，2005(1)

［2］曾斌，余宏明．条分理论及其在下川岛某岩石边坡分析中的应用［D］．武汉:中国地质大学，2005

［3］王新珂．土质边坡的稳定分析研究［D］．合肥:合肥工业大学，2007

［4］夏元友，李海．边坡稳定性研究及发展趋势［J］．岩石力学及工程学报，2002，21(7)

［5］苏利军．基于极限平衡法和有限元法的土质边坡稳定分析研究［D］．成都:西华大学，2012