川黔铁路K119裁缝岩滑坡形成机制与稳定性分析

赵 彪 瞿拓宇 赵志刚

(1.中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司，重庆 400023；2.中南大学土木工程学院,湖南 长沙 410075； 3.中铁七局集团有限公司，河南 郑州 450016)



川黔铁路K119裁缝岩滑坡形成机制与稳定性分析

赵 彪1瞿拓宇2赵志刚3

(1.中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司，重庆 400023；2.中南大学土木工程学院,湖南 长沙 410075； 3.中铁七局集团有限公司，河南 郑州 450016)

在勘察监测川黔铁路K119裁缝岩滑坡的基础上，阐述了该滑坡的基本特征和形成机制，运用Bishop法，计算了该边坡的稳定性，得到该边坡的稳定性系数，并采用FLAC3D软件，对该边坡的破坏机制进行了数值模拟分析，结果表明，采用Bishop法计算得到的边坡破坏面与FLAC3D计算得到的初始失稳区域的主滑动面是一致的，该滑坡是以推移为主牵引为辅的复杂滑移机制滑坡。

滑坡，稳定性，形成机制，数值模拟

0 引言

滑坡是一种常见的不良地质现象，它的发生往往给国民经济带来巨大的危害。近年来，由于山区铁路、公路及其他工程设施的兴建，需要开山动土，滑坡的危害更加突出，造成的损失不断增大[1，2]。滑坡的稳定性及形成机制研究是滑坡灾害研究的核心难题[3]。本文分析的裁缝岩滑坡位于川黔线綦江区赶水镇K119+120左侧，目前溜坍体已覆盖在铁路路基上，铁路线上方山顶处发生大范围山体滑坡，破坏了线路和附近房屋。此次滑坡主轴长约460 m，宽约90 m～100 m，整体呈长条状；滑坡后缘形成了宽约50 m，深约30 m，长约250 m的弧形张拉裂缝；滑体上4户房屋开裂、倒塌，坡面出现密集的鼓胀开裂，可见鱼塘干涸，塘坎、地坝裂缝，树木、电杆歪斜倾倒，前缘土体发生剪出，在滑坡前缘及左侧边界处发生局部小型滑塌，并挤压滑坡体右侧前部的居民区发生张裂变形。鉴于此，本文在勘察及监测的基础上对滑坡稳定性进行分析，通过地质测绘、钻探、室内试验、无人机航拍等相结合的综合勘察方法，并利用区域资料、以往勘察成果资料，对滑坡的形成机制进行分析，采用Geo_slope内嵌的Bishop法[4]计算得到边坡安全系数，同时采用FLAC3D软件对滑坡形成过程和变形机制进行数值模拟分析。

1 滑坡区地质条件

1.1 地形地貌

裁缝岩滑坡位于四川盆地与黔北山区过渡地带，区内地貌的发育明显受构造和岩性的控制，在构造侵蚀、剥蚀环境下形成了坪状、参差状低山及中、深丘地形。滑坡区附近最高山海拔约805 m，松坎河谷地带海拔约293 m，相对高差约500 m。松坎河谷深切，与周围相对高差达数百米的构造侵蚀山地形成鲜明对照。

1.2 地层岩性

⑨-8砂岩(J2s)。呈灰、灰白色、细～中粒结构，中厚层状～巨厚层状构造，泥质胶结。岩层强风化带厚约0 m～2 m，属Ⅳ级软石，D组填料；弱风化带属Ⅳ级软石，C组填料。

1.3 地质构造

测区位于新华夏系第三隆起带与沉降带间，属四川沉降褶皱东缘，即川东褶带与川鄂湘黔隆起褶带西缘交接部位。裁缝岩滑坡位于该构造区的官田寺背斜西翼，局部可归为单斜构造。岩层走向北东，倾向北西，走向N28°～49°E，倾角18°～21°NW，代表性产状为N45°E/20°NW。普遍发育两组构造节理：第一组走向为近南北向，节理面多呈垂直，代表性产状为S-N/90°，节理间距约1 m～3 m，开度1 mm～5 mm，无充填，延伸长度2 m～10 m；第二组走向N75°～80°E，倾角61°～77°SE，代表性产状为N70°E/77°SE，节理间距约1 m～5 m，开度1 mm～5 mm，无充填，延伸长度2 m～15 m；结构面赤平极射投影见图1。

2 水文地质条件

2.1 地表水

测区范围内地表水体主要为紧邻线路右侧松坎河，该河流的补给来源主要为大气降水，平时流量较小，暴雨时流量骤增，其流量动态受季节影响大。坡面发育季节性流水冲沟，零星分布小型池塘。

2.2 地下水

根据地下水的赋存条件，测区地下水可分为第四系松散层孔隙水和基岩裂隙水。分述如下：

2)基岩裂隙水。该类地下水，主要受大气降水和松散土层孔隙水补给，易沿岩层层间渗透径流。受气候影响变化明显。

2.3 地下水的补给、径流和排泄条件

测区地下水主要由大气降水及地表水补给。补给量的大小不仅取决于补给条件(季节)，还与含水层的吸收能力、汇水面积、植被等密切相关。

测区大气降水多以坡面流的形式直接排泄至斜坡凹槽并向地形低处排泄，仅少量水体通过土层孔隙与基岩孔隙、裂隙向下渗透运移形成地下水，并以点滴状、潮湿状、浸润状及井、泉形式排泄于地表，或沿坡脚的夹层砂岩渗出，形成地表水，并最终汇于綦河，水量受季节性控制明显。

3 滑坡形成机制分析

3.1 水害情况

今年(2016年)入夏以来，綦江区赶水镇6月27日，28日普降大暴雨，诱发了裁缝岩滑坡，滑坡于6月28日晚上7：30发生了明显的滑移变形。滑坡主要分布于既有川黔铁路雷吼洞隧道出口端顶部，K118+880～K119+200左320 m～右60 m范围。

滑坡后缘形成了宽约50 m，深约30 m，长约250 m的弧形张拉裂缝，滑坡壁为砂、泥岩岩壁(见图2)；滑坡北缘靠山侧已形成贯通的剪切裂缝，受滑坡向河谷位移分量影响，滑坡中部靠山侧土体剪切裂缝存在张裂、错台现象，导致4户房屋开裂坍塌，裂缝宽0.2 m～1.5 m，错台高度1 m～3 m(见图3，图4)。滑坡前缘土体出现了坍塌，滑坡前缘靠河谷侧扇形张裂缝发育。

该滑坡前缘及左侧边界临空，为两面临空型滑坡，滑动时滑动方向会受到临空面的影响。滑动时滑坡前缘及左侧临空面土体被挤压，从而有临空面坍塌，导致隧道出口铁路及道路被坍塌土体覆盖(见图5，图6)。

3.2 滑坡规模及危害

该滑坡体整体呈长舌状，纵长460 m，横宽90 m～100 m，面积约4.5×104m2，厚度5.5 m～35.1 m，体积约100×104m3，为纵长型中型滑坡，主滑方向约270°(见图7)。

该滑坡一旦再次失稳出现整体滑移，将直接威胁滑坡区左前缘居民24户93人的生命财产安全。铁路隧道出口滑坡体靠綦江河谷侧滑体边缘临空面，坍塌物一旦顺坡倾泻而下，对隧道出口段铁路运营安全影响极大。同时数十万立方米滑坡体倾泻入松坎河，极易形成堰塞湖，危害难以估量。

3.3 滑坡形成机制

据现场调查及钻探揭示，滑坡体前部主要为崩坡积物质，堆积物主要由粉质粘土及块石构成，厚5 m～20 m；滑坡体中后部主要由脱离母岩的岩体组成，岩性以泥岩为主，夹有砂岩。本次滑动之前，该处已长期多次出现小规模滑动变形，并在后缘形成明显拉张裂缝。

滑坡后缘拉张裂缝是在自然界长期表生改造过程中，崖顶形成拉张应力区，坡体在自重应力长期持续作用下，后缘拉裂向下发展，形成后缘拉裂段，它的形成加速了雨水渗入基岩裂缝，从而加大、加快了裂缝的变形。再由于滑坡前缘及左侧高度临空，连续的强降雨使滑坡前部崩坡积土体饱水，雨水持续通过贯通性极好的裂隙下渗软化下部岩体；在持续的降雨作用下，滑坡前缘的崩坡积物质出现滑移变形，前缘崩坡积物质滑移不但造成了后缘斜坡临空面加大，而且还产生了一定的牵引作用；滑坡后壁附近雨水集中的汇入使得基岩裂隙水压持续增加，足量且持续的地下水对结构面的软化以及自重应力和持续高裂隙水压作用，使得滑坡中后部岩体发生了整体的下错滑移。在滑坡中后缘岩体的整体滑移产生的挤压作用下，中后缘土体出现挤压扩离鼓胀，进一步加剧了土体滑动，导致整体失稳下滑，形成滑坡。总体分析裁缝岩滑坡为土岩混合，以岩为主，推移为主牵引为辅的复杂滑移机制滑坡，从宏观看，裁缝岩滑坡为高位基岩顺层滑坡。

4 滑坡稳定性分析与数值模拟

滑坡稳定性评价是在确定了滑坡地质模型和物理破坏模式以后，给出合理的力学概化模型，通过计算分析评价其稳定状态和可能的发展趋势。当前滑坡稳定性评价的数学模型方法大致可分为两类：一类是基于极限平衡理论的刚体极限平衡法，另一类是数值分析法。本节采用以上两类不同的方法分别对此次滑坡进行计算分析，滑坡的地层概化剖面如图8所示。

为确定该边坡稳定系数取值，本文先采用Geo_slope内嵌的Bishop法对边坡进行稳定性分析，计算结果如图9所示。经过分析得到其稳定性系数为0.997，且边坡仅在上部较为陡峭部分发生失稳滑动，说明该边坡上部首先处于非稳定状态，而边坡下部出现的失稳是上部失稳区域的推挤作用所造成的。

考虑到本依托工点滑坡岩土体的变形、破坏及运动过程，具有典型的渐进性特征，是一个复杂的动态力学过程，为了更直观的了解其变形破坏的整个过程,本节进一步采用FLAC3D软件对其破坏过程进行数值模拟分析。

按照工作机理，FLAC3D中包含3种类型的接触面，即粘性接触面、滑动性粘结接触面和库仑滑移接触面。按照实际中土石接触情况，本节选取库仑滑移接触面，库仑滑动接触面是一种只有完好和破坏两种状态的粘性接触面。破坏发生时，接触面单元的行为由内摩擦角和粘聚力决定(也包含刚度参数)，粘结强度在没有设定时其值为0，破坏的粘结单元不能承受有效拉应力。库仑剪切强度的表达式如下：

Fsmax=cA+tanφ(Fn-pA)。

其中，Fsmax为接触面发生相对滑动所需要的切向力；c为沿接触面的粘聚力；φ为接触面表面内摩擦角；A为接触面节点代表面积；Fn为当前时刻法向力矢量；当命令“effective=off”时，p为0，否则p取孔隙水压力值。本文暂不考虑水的作用，即p为0；本文采用的界面参数如表1所示。

表1 土石混合体界面强度参数

本文计算模型网格划分采用四节点四面体单元，网格划分生成的节点总数为14 874，单元总数为7 035。计算模型左、右侧面边界采用水平约束；模型底面边界采用水平、垂直全约束。因为边坡体为土石混合体松散边坡，计算过程中不考虑构造应力作用。

材料采用FLAC3D中内嵌的应变软化模型[5]。滑坡岩土体的变形破坏过程中塑性区的渐变发展过程如图10所示。

由图10可知，在计算到第5 000步时，滑坡后缘岩体形成主滑动面，出现滑移失稳；当计算到10 000步时，在主滑动面的挤压作用下，滑坡中前部岩体形成次级滑动面。从以上分析可知，该滑坡的主要破坏模式为推移式，中前部岩体滑坡破坏模式为松脱式；滑坡后缘岩体由于天然节理的存在，优先出现滑移失稳，且后缘岩体滑坡是沿着天然节理面发生的，而滑坡中前部岩体由于自身稳定性差，在受后缘岩质部分滑移挤压后无法提供足够的抗滑力，进而发生滑移失稳。由图9和图10对比可知，在边坡上部区域，采用Bishop法计算得到的边坡破坏面与FLAC3D计算得到的初始失稳区域的主滑动面是一致的，该分析结果与此次滑坡成因相吻合。

5 结语

本文在勘察及监测的基础上对滑坡形成机制及稳定性进行分析，采用Bishop法对边坡安全系数进行计算，进一步采用FLAC3D软件对滑坡形成过程进行数值模拟，针对滑动面形成过程中塑性区的渐变发展过程进行数值分析，得到了以下主要结论：

1)水害是导致裁缝岩滑坡形成的主要原因，足量且持续的地下水导致结构面软化、自重应力和裂隙水压增大，加之天然节理的影响，使得滑坡中后部岩体发生整体下错滑移，引起滑坡发生。

2)裁缝岩滑坡为土岩混合，以岩为主，推移为主牵引为辅的复杂滑移机制滑坡，从宏观看，裁缝岩滑坡为高位基岩顺层滑坡。

3)采用Bishop法和FLAC3D数值模拟得到的分析结果是一致的，该滑坡后缘岩体滑移失稳后形成主滑动面，挤压中前部岩体，导致次级滑动面的形成。

[1] 黄润秋.20世纪以来中国的大型滑坡及其发生机制[J].岩石力学与工程学报，2007，26(3)：433-454.

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[4] 张海云,陈义民,巩立亮.基于geo-slope软件对某边坡的稳定性分析评价[J].山西建筑,2007,33(13):99-100.

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Formation mechanism and stability analysis of the Caifengyan landslide in Chuan-Qian railway K119

Zhao Biao1Qu Tuoyu2Zhao Zhigang3

(1.CREEC(Chongqing)Survey, Design Research Co., Ltd, Chongqing 400023, China; 2.School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 3.China Railway Seven Engineering Group Co.， Ltd， Zhengzhou 450016， China)

Base on the investigation and detection for the tailor rock landslide in Chuan-Qian railway K119, the basic characteristics and formation mechanism of the landslide are described. The stability of the slope is evaluated by Bishop method and the safety factor is analyzed. The failure process of the slope is simulated and analyzed by using FLAC3Dsoftware. The results show that the sliding surface obtained by two different methods is the same. Furthermore, the mechanism of the landslide is complex and the pushing effect is main with the tractive action.

landslide, stability, formation mechanism, numerical simulation

1009-6825(2016)34-0067-03

2016-09-22

赵 彪(1981- )，男，硕士，工程师

TU457

A