隧洞开挖渗流场变化对滑坡稳定性的影响数值模拟分析

张 凡，韩爱果，任光明，杜 飞，吴龙科，詹 可

(1.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059;2.四川省地质矿产勘查开发局四〇五地质队 成都 611830)

隧洞开挖渗流场变化对滑坡稳定性的影响数值模拟分析

张 凡1,2，韩爱果1，任光明1，杜 飞1，吴龙科1，詹 可1

(1.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059;2.四川省地质矿产勘查开发局四〇五地质队 成都 611830)

为研究隧洞开挖对滑坡渗流场、坡体变形及稳定性的影响，在对某滑坡滑体物理力学及水理性质进行研究的基础上，采用Modflow有限元差分三维软件对隧洞开挖前后的地下水位进行数值模拟计算，分析隧洞开挖后渗流场的变化，并以此结合Geo-Studio软件对滑坡处于天然及开挖情况下水位变化后的稳定性及变形进行了分析研究。结果表明：隧洞开挖后地下水渗流场发生改变，隧洞开挖处产生明显涌水现象，开挖2 a后地下水位降低约20 m，开挖区形成明显“落水洞”，地下水位变化主要体现在滑坡前缘；隧洞上部2#次级滑体在抗滑力减弱和有效应力增大的双重作用下变形加剧，其下滑带动1#次级滑体变形。隧洞上部2#次级滑体最大变形量12.42 cm，但滑坡的稳定性变化较小。

滑坡；变形；稳定性分析；隧洞开挖；渗流场

1 研究背景

隧洞施工过程中，难免会遇到隧洞处于地下水位之下的情况，而地下水又与边坡的稳定性评价、坡体变形密切相关。在无防渗措施的情况下进行隧洞施工，会造成隧洞周边岩土体中地下水位下降[1]。地下水位的降低使岩土体的应力状态发生改变，导致岩土体中孔隙水压力减小，岩土体骨架承担的有效应力增大，水头差产生的渗流动水压力造成土体固结压密，影响边坡的变形和稳定性[2]。

张宏仁等[3-4]就渗流问题的数值分析方法进行了讨论研究，薛禹群等[5]评价了不同库水位时滑坡失稳概率，刘宝琛等[6]、施成华等[7]就浅埋隧洞施工引起的地面沉降和变形进行了研究，朱冬林等[8]考虑地下水因素对库水位变化下水库滑坡稳定性进行了分析，王春山等[9]对深厚覆盖层在水库蓄水后渗流场变化情况下稳定性进行了分析，Preisig G等[10]对隧洞开挖引起的沉降进行了模拟分析。

为研究隧洞开挖后滑坡变形及稳定性的变化，本文考虑岩土体中隧洞开挖所引起的渗流场对岩土体变形的影响，采用数值模拟分析方法对隧洞开挖后滑坡变形和稳定性进行分析。

2 滑坡区地质条件

滑坡区地处水洛河流域典型的高山峡谷区，两岸谷坡陡峻，地面切割深度1 500～3 000 m。河谷地貌呈槽状，河谷阶地不发育。河流流向总体近SW，与岩层走向呈大角度相交，属横向谷。出露基岩为奥陶系不等厚互层的变质石英砂岩、砂岩与绢云母板岩、千枚岩，岩层产状SW193°∠80°。滑坡位于绿定断层下盘，褶皱构造不发育。滑坡前缘裂隙较发育，滑坡后缘植物干枯，可见明显的滑坡后缘边界(图1)。

3 滑坡基本特征

滑坡位于水洛河左岸，在平面上呈一长条状(图1)，地表坡度总体呈后缓前陡，高程2 000～3 000 m段坡度约20°～30°，高程2 000 m至河床段坡度30°～35°，局部达40°～50°。滑坡体形态较完整，前缘伸入河床，后缘高程约3 000 m，前后高差约1 200 m。滑坡体宽约300～500 m，推测厚度约120～160 m，总体积约4.48×107m3，属特大型滑坡。

滑坡的组成物质主要为块石土、碎石土，下部基岩为石英砂岩、砂岩、绢云母板岩、千枚岩互层。滑面似弧形，如图2所示。引水隧洞穿越滑坡区洞段长约275 m，隧洞上覆基岩厚约80～90 m，施工过程中发现地下水沿裂隙下渗至隧洞掌子面产生集中涌水现象。

①奥陶系瓦厂组薄层状石英砂岩与千枚岩、绢云母石英片岩不等厚互层；②第四系滑坡堆积体碎块石土；③第四系冲洪积漂卵砾石；④强风化线；⑤弱风化线；⑥水位线；⑦引水隧洞；⑧滑动方向 图2 滑坡地质剖面图

研究区地下水主要来源于降雨，其次是冰雪融水。区内多年平均年降雨量839.9 mm，多年平均蒸发量1 955.7 mm，降雨季节分布不均。岩土层渗透系数如表1。

表1 各层物理力学参数取值

注：以上岩土体材料均取自研究区河床及附近覆盖层。

隧洞开挖前，滑坡区受地表水及人为因素影响，后部、中前部可见一些小滑塌和不规则拉裂缝。隧洞开挖后，滑坡后部、中前部变形量加剧。

4 地下水渗流场模拟分析

4.1 有限元模型的建立

Modflow是一套专门用于孔隙介质中地下水流动数值模拟分析软件[11]，利用该软件对滑坡渗流场的变化进行数值模拟[12]。结合地表出露的水文地质点以及隧洞开挖出现的涌水情况进行模拟，模拟空间范围为x轴方向3 880 m，y轴方向2 360 m，共剖分单元网格195×119个。模型上部为定水头边界，其它边界概化为变水头边界。模型基底面取1 600 m。垂向上研究区地层为奥陶系瓦厂组(O1w)不等厚互层基岩，表层的滑坡堆积物及崩坡积物、冲积物。图3为模拟的三维空间模型。

图3 三维含水系统空间物理模型展布

4.2 三维有限元计算结果分析

三维有限差分的分析主要针对隧洞开挖情况下地下水位的变化。经过渗流计算，隧洞开挖未采取防渗措施，模拟洞段2+380至2+655 m涌水量达2 270.20 m3/d，地下水水位下降，渗流场发生变化。隧洞开挖1 a后地下水渗流场及其等水头线如图4。结果表明，隧洞开挖后，隧洞处发现明显落水洞，地下水位下降约20 m，对岸坡岩土体渗流场产生了较大影响。

5 隧洞开挖后滑坡体变形及稳定性影响

为进一步分析隧洞开挖对滑坡变形及稳定性的影响，借助Geo-Studio软件中Slope/W和Sigma/W 2个子模块对滑坡变形及稳定性影响进行评价。

5.1 计算模型

为使计算模型与实际情况相符，根据前述数值模型范围，利用三角网格进行划分，将块(碎)石土、强风化基岩、弱风化基岩、新鲜基岩、河床砂卵石划分为9个面域，对隧洞上部滑坡体进行局部加密。视岩土体为理想本构弹塑性模型，采用摩尔-库伦破坏准则[13]。

5.2 计算结果

采用强度折减法分析滑坡安全储备[14]。滑坡变形量及稳定性系数分析结果如图5，变形量数据为最大值。

图5 隧洞开挖后滑坡随时间发生的相对变形量和 稳定性系数变化量

从图5中可看出：隧洞开挖在第1年对滑坡的变形影响相对较大，而后变形速率逐年减小。隧洞开挖后，1#次级滑坡的稳定性缓慢降低，2#次级滑坡的稳定性则在开挖初期下降较明显，但最终都趋于稳定。

图6 隧洞开挖6个月后滑坡总变形量及 x和y方向变形量等值线

图7 隧洞开挖2 a后滑坡总变形量等值线

滑坡变形量等值线图见图6、图7。滑坡后缘和隧洞上方发生了进一步的变形。隧洞开挖2 a后，1#,2#次级滑坡最大相对变形量分别为4，12.42 cm。

5.3 滑坡变形机制分析

隧洞开挖前，滑坡已有变形为8 cm(如图5)，滑坡整体处于稳定状态。隧洞开挖后，滑坡发生的最大变形量为12.42 cm，滑坡变形量在地下水渗流场改变的情况下逐年增大，变形速率逐年减小，最终随地下水位的稳定趋于平缓(如图6、图7)。

隧洞开挖后地下水位逐年降低，使滑坡前缘原本处于饱和状态的部分岩土体逐渐向非饱和状态过渡，土体抗剪强度提高，滑坡整体稳定性稍有增大。滑坡区隧洞的开挖引起渗流场的改变，岩体骨架承受的有效应力与围岩压力使岩土体发生变形，2#次级滑坡范围内变形量12.42 cm。滑坡区为半干旱区域，地下水改变主要体现在滑坡前缘部位，基岩上覆土体浅层孔隙水沿缝隙下渗，使得潜在滑移面的抗滑能力减弱。隧洞开挖后地下水位下降和潜在滑移面抗滑能力的降低是引起滑坡局部变形的主要原因。2#次级滑坡处于隧洞上部，其下滑带动滑坡后缘1#次级滑坡产生变形。

6 结 论

据上述滑坡渗流场模拟及变形稳定性研究可得出以下结论：

(1) 三维数值模拟反映隧洞开挖导致地下水渗流场的变化，开挖涌水量达2 270.20 m3/d，隧洞开挖区局部形成“落水洞”。

(2) 隧洞开挖致使地下水位下降，滑坡前缘2#次级滑体部位的地下水位变化相对明显。

(3) 地下水渗流场的变化导致原本处于水下部分的岩土体中孔隙水压力减小，岩土体骨架承受的有效应力增大，隧洞上部滑坡产生变形。

(4) 地下水位下降使土体孔隙水下渗至潜在滑移面，降低其抗滑力学性能。隧洞开挖导致地下水位的下降和潜在滑移面抗滑能力的降低共同诱发了上部滑坡局部变形。

(5) 隧洞开挖2 a后地下水位降低20 m左右，滑坡下部2#次级滑体带动上部1#次级滑体变形，滑坡体最大变形量约12 cm，滑坡整体稳定性变化较小。

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[4] 张宏仁.解渗流问题数值方法对比[J]. 水文地质工程地质, 1984,(4): 23-29. (ZHANG Hong-ren. Numerical Methods Solution to Seepage Problem[J]. Hydrogeology and Engineering Geology, 1984 , (4) : 23-29. (in Chinese))

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(编辑：曾小汉)

Numerical Simulation on Landslide Stability Affected by Seepage FieldVariation Caused by Tunnel Excavation

ZHANG Fan1,2, HAN Ai-guo1, REN Guang-ming1, DU Fei1, WU Long-ke1, ZHAN Ke1

(1.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenviroment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China； 2.Sichuan geology and mineral exploration and development bureau of four O five geological team, Chengdu 611830, China)

The aim of this research is to investigate in landslide’s seepage field, slope deformation and stability affected by tunnel excavation. On the basis of analysing the physical and mechanical and water physical properties of a landslide slope, we simulated the variation of groundwater level and seepage field before and after tunnel excavation using 3D finite difference software Modflow. Furthermore, by employing Geo-Studio, we analyzed the stability and deformation of landslide after water level changed in natural and excavation conditions. Results reveal that the groundwater seepage field changed after tunnel excavation, and obvious water inflow was found at the excavation area. As a result, the groundwater level decreased about 20m and apparent “sinkholes” appeared in the excavation area. The change of groundwater level was mainly reflected in the front edge of landslide. The deformation of 2#secondary sliding body, which caused the deformation of 1#secondary sliding body, exacerbated under the combined actions of weakened sliding resistance and increased effective stress. The maximum slope deformation of secondary landslide above the tunnel reached 12.42 cm, but the stability changed slightly.

landslide; deformation; stability; tunnel excavation; seepage field

2014-04-28；

2014-08-15

张 凡(1990-)，男，四川大竹人，硕士研究生，主要从事地质灾害评价与预测的研究工作，(电话)15208486290(电子信箱)zhangfan520zaizhu@126.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.05.012

2015,32(05):61-65

P64

A

1001-5485(2015)05-0061-05