堆积层滑坡发生机理及防治措施

王卫

(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京100083)

堆积层滑坡发生机理及防治措施

王卫

(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京100083)

以梁平高速天宝堆积层滑坡为例，在分析工程地质条件和地层岩性的基础上，采用FLAC3D数值模拟方法研究工程开挖和降雨对滑坡稳定性的影响。结果表明:堆积层滑坡与工程开挖和降雨密切相关;开挖较浅时，滑坡整体处于稳定状态，在开挖角附近产生轻微的剪应力集中，滑坡后缘裂缝发生张拉破坏，随着开挖深度的增加，滑坡中部塑性区沿着滑面逐渐向上延伸并与滑坡后缘张拉裂缝带贯通，在滑坡前缘牵引作用下中部和后部滑坡体发生整体失稳;雨水增加滑坡体重度的同时降低了滑坡堆积层与基岩接触面的抗滑能力，上部堆积层在自重作用下发生蠕滑，并从滑坡前缘挤压剪出。为了保障万梁高速的顺利施工，采取综合措施对堆积层滑坡进行了整治，工程治理效果良好。

堆积层滑坡 FLAC3D 稳定性 工程扰动 降雨

堆积层滑坡是指第四系及近代松散堆积层发生失稳的一类典型滑坡，具有分布广泛、爆发频率高、持续危害性大等特点，在我国滑坡类型中占很大比例［1-2］。根据调查统计，重庆市区域性堆积层滑坡普遍发育，仅1998年内发生2 000多处，其中70%的滑坡分布在万州区和涪陵区［3］。堆积层滑坡的频繁发生，不仅造成了大量的人员伤亡和财产损失，还对国家基础建设产生了严重危害。

目前，国内外很多学者对降雨型堆积层滑坡的滑动机制，成因以及滑坡动力学特征等进行了大量的研究。贺可强等［4］根据降雨型堆积层滑坡的岩体物质组成特点与位移构成特征，建立了滑坡黏弹性位移力学模型与位移动力学方程，研究表明滑坡位移动力学特征与滑坡地下水变化规律密切相关。吴火珍等［5］运用非饱和土力学对降雨型堆积层滑坡的滑动机制及滑坡原因进行了总体概括。陈善雄等［6］在总结降雨型堆积层滑坡滑动特征的基础上，采用传递系数法研究了堆积层滑坡的稳定性。J.L.Zezere等［7］对597个侏罗系地层堆积层滑坡的失稳原因进行了统计调查，结果表明降雨是堆积层滑坡主要诱发因素。成国文等［8］详细分析了万州区近水平地层区堆积层滑坡的物质来源、结构成因、形成模式以及滑体变形破坏特征，发现堆积层滑坡主要沿堆积层和基岩接触面或滑体中部软弱夹层滑动。马春驰等［9］采用非饱和土渗流分析软件和岩土应力变形软件对地下水和开挖作用下的堆积层滑坡的滑动机制进行分析，发现地下水的渗流是滑坡失稳的潜在因素。李元彪［10］在分析堆积层老滑坡病害特征和成因基础上，研究了路基设计位置和开挖深度对老滑坡复活和规模的影响。文奎等［11］采用推力传递系数法研究了地下水和边坡开挖作用下滑坡稳定性，发现地下水位是滑坡失稳的主要因素。贺可强等［12］通过对堆积层滑坡的基本物理特征与动力学特征的系统讨论和总结，提出堆积层滑坡治理措施应以排水工程、注浆工程和坡形改造为主。综上所述，前人对降雨型堆积层滑坡发生机制和发生原因进行了大量研究，但对工程开挖和降雨作用下堆积层滑坡发生机理的研究相对较少。

本文以梁平高速公路ZK44+650—ZK45+020段天宝滑坡为例，采用数值模拟方法分析工程开挖和降雨作用下堆积层滑坡的发生机理和失稳模式，以期为梁平高速公路顺利施工和国内外此类滑坡的防治提供参考。

1 工程概况

天宝滑坡位于重庆市万州区孙家乡天宝村一带，为梁平高速公路的左坡，如图1所示。该路段长为370 m，对应的高速公路里程为ZK44+650—ZK45+ 020，路面设计高程为800.6 m。梁平高速在此处以路堑开挖形式从滑坡前缘通过，路堑最大开挖深度为9 m。

天宝滑坡位于单斜岩层分布地带，岩层产状较稳定，一般为150°～165°∠15°～20°，坡面呈台阶状，倾角15°～25°。滑坡地层岩性主要为第四系残坡积砂质黏性土和侏罗系中统新田沟组泥岩、砂岩组，其中第四系残坡积砂质黏性土中含有少量碎石。

该路段地表水较多，并汇集于沟槽中，滑坡体内地下水主要包括孔隙潜水和基岩裂隙水。孔隙潜水主要赋存于砂质黏性土与泥岩的接触面附近，天宝滑坡上部堆积层在雨季基本处于饱水状态;基岩裂隙水主要赋存于滑坡下部基岩节理面或裂隙面中，并对滑坡体内地下水有补给作用。

图1 工程地质断面

2 滑坡成因分析

天宝滑坡内部节理具有顺倾向特点，天然条件下岩层产状相对稳定，但滑坡前缘的开挖会切断顺倾向的层理，从而成为堆积层滑坡上部堆积层失稳的主要因素，此外开挖时的爆破施工会使岩体产生局部松动，进一步降低坡体前缘稳定性。

堆积层滑坡上部堆积层为砂质黏性土，结构松散，渗透性较好，而下部基岩为泥岩、砂岩，较密实，渗透性较差，在堆积层和基岩层接触面附近易形成隔水层和滑动面，同时雨水在隔水层集聚，长期的弱化作用必然降低滑面岩土体抗滑能力，为堆积层滑坡的滑动变形创造了条件。

3 数值分析

3.1 模型建立

采用FlAC3D数值软件建立滑坡典型地质断面的数值计算模型。模型从上到下分别为堆积层和基岩，堆积层和基岩中存在一组接触面，如图2所示。滑坡模型长109 m，高35 m，宽5 m，为准三维数值计算模型，采用六面体单元对模型进行离散，离散后网格单元数量为4 896个，节点数量为7 012个，堆积层和基岩之间接触面用FLAC3D中Interface单元进行模拟。计算过程中模型四周为滚动边界，底部为固定边界。模型材料参数服从Mohr-Coulomb准则，在工程开挖和降雨过程中将塑性区分布和滑坡变形量相结合作为滑坡失稳判别标准。滑坡前缘工程开挖按照从上往下的先后顺序分为2次开挖。

3.2 参数确定

由于堆积层和基岩接触面下部是很厚的泥岩层，砂岩对滑坡失稳影响很小。为了简化计算，堆积层岩土参数取砂质黏性土参数，基岩岩土参数取泥岩参数。根据室内试验分别得到砂质黏性土和泥岩物理力学参数，如表1所示。接触面初始参数:黏聚力为12 kPa，内摩擦角为10°，抗拉强度为0，接触面的切向刚度Ks和法向刚度Kn与模型单元的几何尺寸有关，可依据FLAC3D手册中推荐的公式进行计算选取，本文均取9×108Pa/m。

表1 岩土力学参数

图2 离散后计算模型

4 计算结果与分析

4.1 工程开挖的影响

由于堆积层滑坡岩土体材料服从张拉剪切组合的Mohr-Coulomb准则，坡体内部塑形破坏区主要分为剪切塑形区和张拉塑形区。第一次开挖后堆积层滑坡塑性区分布如图3所示。可以看出，滑坡中部并未出现明显的塑形变形，堆积层滑坡整体处于稳定状态，滑坡后缘沿着裂缝出现张拉破坏，滑坡前缘在开挖角附近出现轻微剪切破坏。主要是由于第一次开挖的扰动范围较小，滑坡内部应力并未出现明显的重新分布。

图4为第二次开挖后堆积层滑坡塑性区分布。由图可知:堆积层滑坡在第二次开挖过程中发生失稳，滑坡前缘开挖角附近出现明显的剪切破坏。对比图3可知，剪切塑性区沿着滑面逐渐向上发展并与滑坡后缘张拉裂缝带贯通，形成完整的滑体，滑坡堆积层沿着堆积层和基岩接触面发生整体性下滑。表明第二次开挖改变坡体内部原有的应力平衡，且滑坡破坏是从滑坡前缘逐渐向中部和后部发展的。

图3 第一次开挖后堆积层滑坡塑形区分布

图4 第二次开挖后堆积层滑坡塑形区分布

4.2 降雨的影响

由于第二次开挖后，坡体已发生失稳，因此文中仅考虑降雨对第一次开挖后堆积层坡体稳定性的影响。假定一段时间内，滑坡上部堆积层全部充水饱和，计算时堆积层密度取饱和密度2 100 kg/m3，并对堆积层与基岩之间接触面岩土参数进行0.8倍折减。

图5为降雨后堆积层滑坡水平位移等值线图(XDIS表示滑坡的水平位移)。可以看出:降雨对滑坡上部堆积层稳定性有显著影响，对下部基岩影响较小，此时堆积层在自重作用下已经发生滑动;滑坡前缘的水平位移最大为0.2 m，且开挖角附近水平位移等值线分布密集，表明滑坡前缘在中部和上部滑体的推力作用下在开挖角附近发生明显的挤压变形;滑体从开挖角处剪出，坡体后缘裂缝位移量约为0.1 m，表明降雨会导致滑坡后缘裂缝进一步扩张。因此，堆积层滑坡整治工程应做好截水和排水工作，防止降雨情况下堆积层滑坡发生失稳。

综上所述，工程开挖和降雨均对堆积层滑坡的稳定性有显著影响，但两种条件下堆积层滑坡的发生机理不同。对于开挖工程而言，工程开挖切断了顺倾向的层理，中部和后部滑体在滑坡前缘的牵引下发生滑动。对于降雨而言，由于堆积层为砂质黏性土，渗透性较高，而接触面附近的基岩主要是渗透性较差的泥岩，雨水的下渗导致堆积层重度的增加，同时雨水降低了滑面抗滑能力，堆积层滑坡上部坡体在自重作用下沿着堆积层和基岩接触面产生蠕滑，滑坡前缘在中部和上部滑体推力作用下从开挖角附近挤压剪出。

图5 降雨后堆积层滑坡水平位移等值线图

5 工程措施

由上述分析可知，第一次工程开挖对整体滑坡稳定性影响不大，在降雨或第二次工程开挖作用下，天宝滑坡上部堆积层均可能发生整体性失稳。为了保障万梁高速的顺利施工和防止运营期内天宝滑坡发生失稳，须对天宝滑坡上部堆积层进行支挡。根据工点的地质条件，综合考虑工程扰动和降雨等诱发因素，征求专家意见，对该病害工点采取了以下整治措施。

1)布设截水沟

滑坡外侧布设地面截水沟，截水沟与梁平高速ZK45+020—ZK45+200段滑坡排水沟相接，在万州一侧将水排出。截水沟一般距滑坡外侧5 m左右布设，根据地形情况可对截水沟位置和长度进行适当调整。

2)布设抗滑桩

线路左侧滑坡距高速公路左线中心线15 m处布设一排抗滑桩，共计11根，以增加堆积层滑坡上部堆积层的抗滑能力。桩长17 m，截面2.0 m×2.6 m，抗滑桩间距6 m。

3)布设排水孔

抗滑桩之间布设一排仰斜排水孔，共10孔，孔长18 m，仰角4°，孔间距6 m，排水孔开孔标高高于路肩2.0 m，终孔直径为110 mm，内放直径为90 mm的排水软管进行排水，以减小降雨对堆积层滑坡稳定性的影响。

4)布设挡土墙

线路左侧滑坡布设挡土墙，抵挡滑坡推力并限制开挖临空面土体的塑形变形。挡土墙高10 m，顶宽1 m，胸坡1∶0.35，背坡1∶0.2，与梁平高速ZK45+ 020—ZK45+200段滑坡内侧挡土墙相接，同时墙体每隔2 m上下左右交错布置泄水孔。

5)绿化坡面

由于滑坡倾角在13°左右，具备种草绿化的客观条件，因此在堆积层滑坡坡面种植草皮，既能防止雨水冲刷坡面，又可以美化高速公路沿线景观。

6 结论

本文以梁平高速天宝堆积层滑坡为例，在分析了工程地质条件和地层岩性的基础上，采用FLAC3D数值模拟方法研究工程开挖和降雨对滑坡稳定性的影响。得出结论如下:

1)堆积层滑坡稳定性随着开挖深度增加而逐渐降低。开挖扰动范围较小时，滑坡整体仍能保持自身稳定;随着开挖范围增加，滑坡前缘塑性区沿着接触面向上延伸并与后缘裂缝带贯通，滑坡体在滑坡前缘牵引作用下发生整体失稳。

2)降雨后堆积层砂质黏性土吸水饱和以及接触面抗滑能力的降低，堆积层滑体在自重作用下沿着基岩接触面发生蠕滑，滑坡前缘在中部和上部滑体推力作用下从开挖角附近挤压剪出。

3)采取以抗滑桩、挡土墙为主，截排水工程为辅的措施对天宝滑坡进行综合治理。治理工程结束后，滑坡经历了多个雨季均未发生变形破坏，治理效果较为理想。

［1］贺可强，周敦云，王思敬.降雨型堆积层滑坡的加卸载响应比特征及其预测作用与意义［J］.岩石力学与工程学报，2004，23(16):2665-2670.

［2］李智勇，魏少伟，王天星.云南保龙高速公路潮田滑坡群治理分析［J］.铁道建筑，2014(4):90-93.

［3］林孝松.滑坡与降雨研究［J］.地质灾害与环境保护，2001，12(3):1-7.

［4］贺可强，白建业，王思敬.降雨诱发型堆积层滑坡的位移动力学特征分析［J］.岩土力学，2005，26(5):705-709.

［5］吴火珍，冯美果，焦玉勇，等.降雨条件下堆积层滑坡体滑动机制分析［J］.岩土力学，2010，31(增):324-329.

［6］陈善雄，许锡昌，徐海滨.降雨型堆积层滑坡特征及稳定性分析［J］.岩土力学，2005，26(增):6-10.

［7］ZEZERE J L，FERREIRA A B，RODRIGUES M L.Landslides in the North of Lisbon Region(Portugal):Conditioning and Triggering Factors［J］.Physics and Chemistry of the Earth (A)，1999，24(10):925-934.

［8］成国文，李善涛，李晓，等.万州近水平地层区堆积层滑坡成因与变形破坏特征［J］.工程地质学报，2008，16(3): 304-310.

［9］马春驰，李天斌，陈国庆，等.地下水与开挖作用下堆积层滑坡体滑动机制分析［J］.工程地质学报，2013，21(6): 878-884.

［10］李元彪.堆积层老滑坡病害特征及成因分析［J］.甘肃科技，2010，26(24):139-141.

［11］文奎，王根，晏长根.地下水与边坡开挖对滑坡稳定性影响的分析［J］.铁道建筑，2014(2):80-82.

［12］贺可强，雷建和，陈喜山.堆积层滑坡的基本特征与防治原则［J］.黄金，1998，19(11):28-31.

(责任审编葛全红)

P642.22

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.31

1003-1995(2015)06-0121-04

2014-10-20;

2015-04-20

王卫(1992—)，男，安徽淮南人，硕士研究生。