基于FLAC3D的边坡稳定性分析及治理模拟

唐勇

(广西建工集团基础建设有限公司，南宁　530001)



基于FLAC3D的边坡稳定性分析及治理模拟

唐勇

(广西建工集团基础建设有限公司，南宁530001)

在现场考察和工程地质勘察的基础上，详细分析了贵匀高速公路百鸟坡隧道左线进口边坡的工程地质条件及其变形特征,认为在暴雨条件下，坡体的覆盖土层与部分强风化层沿强弱风化基岩接触面附近产生滑动而发生坍塌，将隧道左洞掩埋；该边坡破坏机制属牵引式破坏；根据规范及有关经验对边坡力学参数取值，用FLAC3D有限差分技术，建立边坡地质力学模型，计算暴雨条件下边坡的稳定性。结果表明：在暴雨条件下边坡处于不稳定状态，需进行治理。本文通过设计抗滑桩、钢管桩及挡土墙等措施对边坡进行支护并验证该边坡处于稳定状态，为贵匀公路的顺利完成提供了有力保障。

边坡稳定性；数值模拟；隧道边坡；处理措施

随着国民经济的不断发展，城市规模的不断扩大，高速公路的修建也越来越多。高速公路修建开挖时，形成临空面，会导致边坡失稳，对周围居民的人身财产安全产生极大的威胁。因此有必要对拟产生的边坡进行稳定性分析并对不安全边坡及时处理。拟建的贵阳至都匀高速公路是连接我国西部地区和东南沿海地区重要的出海大通道，它的建设对于推进西部大开发战略的实施也将起到十分重要的作用。

本文研究的百鸟坡隧道进口边坡位于都匀市小围寨乡。隧道进口附近有一采石场，有碎石路通往，交通条件相对方便。隧道进洞口位于山坡的中下部，在2009年4月中旬前，隧道进洞边坡稳定性情况良好，由于此处进洞对边坡前缘进行了一定的切坡，使边坡前缘有一个临空面，在雨水等不利因素的作用下，边坡表层覆盖层由下而上牵引式的发生了滑移,发生了边坡体破坏变形，2009年4月19日隧道左线进口上方边坡洞口段发生坍塌，将隧道左洞掩埋。随着时间的推移，边坡体上出现多处裂隙，且有2～3级裂隙是贯穿的。边坡体破坏范围为隧道进洞口至山坡上部近400 m范围内，边坡影响面积约为25 000 m2，坡体的平均厚度为6 m左右，前缘较厚，为6～10 m，中后部较薄，为2～6 m。由于边坡体变形破坏后，隧道左线进洞口被埋，影响了正常施工，并且边坡有继续变形破坏的趋势，存在较大的安全隐患，有必要对其进行更详尽的研究。

1　工程地质条件

1.1地形地貌

该研究区位于构造剥蚀侵蚀低中山地貌区，地面标高883～1 140 m，相对高差257 m，一般地形切割深度120～150 m，隧道进口段所在山体斜坡呈缓‘W’型，左右线进口分别位于‘W’型底部，起伏较小，总体坡向约234°，坡角36°。边坡变形破坏区域在轴向上总体为坡顶和坡身部位较平缓，坡脚较陡，宽120 m，长约230 m，上覆松散层厚一般1～6 m，山上植被较发育。

1.2地层岩性

该研究区岩层属泥盆系中统独山组(D2d)，岩性以石英砂岩夹粉砂质泥岩或页岩为主，表层覆盖有残坡积成因的碎石土。

残坡积层为碎石土、粉质粘土、含碎石粘土，含少量植物根系和强风化石英砂岩、泥灰岩残块。滑坡堆积层为现在洞口已滑动的部分，由块石土、碎石土等组成。

强风化石英砂岩、强风化砂岩夹粉砂质泥岩节理裂隙极发育，岩体极破碎，胶结程度较差，岩芯呈砂和碎石状，夹粉砂质泥岩或页岩等软弱夹层，属较软岩。

弱风化石英砂岩、弱风化砂岩夹粉砂质泥岩节理裂隙极发育-发育，岩体极破碎-破碎，裂隙面多被铁锰质渲染，同时夹有不等厚的软弱夹层，软弱夹层主要为薄层粉砂质泥岩和页岩。

该研究区地层结构、构造相对较简单，属工程地质条件简单场地。无不良地质体和断层破碎带，属抗震有利场地。

1.3气候及水文地质条件

1.3.1气候、气象

都匀市境属亚热带东南季风气候区，温和湿润，四季不甚分明，冬无严寒，夏无酷暑，气候随地势的高低略显垂直变化，山地比河谷洼地气温偏低，雨水充沛。年均降水1 448.1 mm，多集中在4～8月，占全年的55%～60%；年均气温15.9℃。

1.3.2地表水

研究区内地表水主要是大气降水，地表水对边坡的影响体现在地表水下渗增加了地表岩土体的含水量，增大了坡积物孔隙水压力，降低了岩土体(特别是软弱夹层)的抗剪强度，从而影响了边坡的稳定性，对拟建工程造成危害。

1.3.3地下水

本区内地下水类型主要为基岩裂隙水。根据区域水文地质资料，含水岩组枯季地下径流模数3.19～6.58 l/s·km2，为弱富水岩组。

本区内地下水主要接受大气降水的垂直入渗补给，其径流主要受地形条件控制。边坡下部山体陡峻，有利于地表水体的排泄，岩体节理裂隙发育，有利于地表水沿裂隙下渗[1]。

研究区属非岩溶发育区，地表及深部岩溶现象不发育，水文地质条件相对较为简单，水量一般较为贫乏，地下水不发育。

2　坡体变形原因及形成机制分析

该滑坡的形成主要受控于以下2方面：(1)不良的边坡地质条件；(2)暴雨条件下的触发作用[2]。在该边坡中有两层破坏带(面)。目前已破坏的是表层破坏面，在边坡体前缘约30 m范围内破坏面主要为岩体裂隙面；边坡体中部约30～90 m范围内破坏面主要为岩层间软弱夹层(泥岩、砂质泥岩、页岩)；边坡体上部约90～230 m范围内，破坏面为覆盖层与岩层交界面。滑坡后缘为贯通的深层裂缝，倾角和岩层倾角基本一致。

在暴雨条件下，大气降水垂直入渗到滑坡前缘的上覆松散层和岩体裂隙中，使得前缘坡体自重增大，抗滑力减小，下滑力增加。由该研究区的地形地貌知，边坡的坡脚较陡，其临空面一侧在暴雨条件下发生蠕变变形，洞口近30 m范围内岩体裂隙面与层面贯通产生了垮塌，将隧道洞口掩埋；软弱夹层(粉砂质泥岩、页岩)同节理裂隙面一样，它的存在同样也是造成边坡滑塌的重要原因之一。在暴雨条件下，滑坡体中部的软弱夹层对水及其敏感，在遇水情况下，软弱夹层的饱和抗压强度仅为干抗压强度的二分之一甚至更低，抗剪强度力学指标也会大大地降低，加上其力学强度和变形模量均较低，使得该层坡体的抗滑力大为减小，更加促进了滑坡的产生。因此当边坡前缘坡体失去稳定，发生坍塌后，边坡中部的覆盖土层与部分强风化层沿强弱风化基岩接触面附近滑动，并在边坡中部出现了较宽的裂缝(图1)。

图1中部坡体的裂缝

边坡后部90～230 m范围内由于前面坡体的牵引作用，覆盖层沿基岩面滑动。因此，该边坡破坏形式为牵引式破坏。

该滑坡深层潜在破坏形式是内沿软弱夹层破坏，从岩层露头、目前钻孔揭露和物探揭露等情况来看，岩层在此处是沿左洞进口同坡成顺层，在岩层间离地表12 m深左右处含有软弱夹层，坡体有可能沿该层大面积滑动。

3　FLAC3D有限元技术模拟

对边坡治理方案的定性与定量评判是边坡治理决策的关键之一[3-7]，综合考虑滑坡体的地质环境条件和工期等因素,对滑坡体应采用以抗滑为主、治水与抗滑相结合的治理措施[8]。本文采用钢管桩、抗滑桩及截水沟等措施对滑坡进行支护。

采用刚体极限平衡法无法得到斜坡体内部的变形机制及变形量，本文将利用FLAC3D编程对斜坡的变形破坏机制进行数值模拟，这能够帮助分析和检验治理前后斜坡内部变形的特征及其变形量。

3.1计算模型和材料参数

利用部分详勘阶段的钻孔资料，将边坡共分成3个工程地质剖面，本文选取边坡中部剖面2-2′剖面为研究对象(图2)，利用FLAC3D有限差分软件，建立边坡地质力学模型，并对岩土体分组(图3)[9],剖分网络包含10 582个节点、9 030个单元，计算中对模型左边进行水平方向约束，对底部进行全约束。参照2-2′剖面，将该边坡岩土体拟分为4组：表层碎石土，基岩(石英砂岩)，钢管桩和抗滑桩，软弱夹层作为一个接触面处理，人工材料如抗滑桩、钢管桩为弹性模型。

隧道发生崩塌之前的4月，由于连续降雨，使得大量雨水直接渗入到边坡体中，暴雨是该边坡破坏变形的诱发因素，因此本文选取治理前后暴雨工况下，对滑坡体采用流-固耦合方式进行计算。

首先由弹性模型计算得到治理前斜坡的初始地应力，本阶段抗滑桩和钢管桩选取原始状态下对应的岩土体参数。

利用含初始地应力的模型，将本构模型设置为Mohr-Coulomb，同时对斜坡左侧施加水头，由流-固耦合计算得到治理前斜坡的变形。

再次利用含初始地应力的模型，将抗滑桩和钢管桩对应的单元设置为弹性模型，同时改变相应参数[11]；将碎石土和基岩设置为Mohr-Coulomb，同样对斜坡左侧施加水头，由流-固耦合计算得到治理后斜坡的变形特征。计算参数见表1。

表1　岩土体数值模拟物理力学计算参数

注：标注*的材料采用弹性模型，其余采用Mohr-Coulomb模型。

图2　2-2′剖面工程地质剖面图

图3　数值模拟网格剖分及岩土分组

3.2计算结果分析

由上述计算过程得到斜坡治理前后位移等值线图(图4、图5).

图4　治理前暴雨工况位移等值线图

由图4分析，治理前暴雨工况下最大位移为91.6 cm，位于斜坡中下部，该部位临空面坡度较大，形成了一个次级变形体。由图4看出，其位移等值线呈现出由下部向上部发散，表现出牵引式滑坡的特征，在本工况下因发生严重变形而失稳，对下方的公路隧道口直接造成威胁。斜坡上部虽然也形成了一个不稳定部位，最大位移71.2 cm，但斜坡中部临空面坡度较缓，在一定程度上不会对斜坡下方的公路隧道口造成直接威胁。据以上分析，该工况下斜坡中部一个次级变形体的失稳将对其下部的公路隧道口造成威胁。这与治理前暴雨过后的隧道洞口上方边坡坍塌，将其掩埋的实际情况吻合。

由图5分析，按照设计要求在斜坡中部施加了两排钢管桩和一排抗滑桩后，斜坡中下部最大变形量不到20 cm，注意到临空面坡度较大的一段恰位于钢管桩和挡土墙之间，同时根据治理前该段斜坡失稳的机制为牵引式滑坡的结论，抗滑桩布置的位置恰为该失稳斜坡的前部，这极大的加强了不稳定坡体前部抗滑力，所施加的钢管桩、抗滑桩等支护结构很好的遏制了变形的蔓延，对下方的公路隧道口起到了很好的保护作用。斜坡上方虽然还是形成了一个不稳定坡体，最大变形量55.7 cm，但由于斜坡中部临空面坡度较缓，同时中部的支护结构也在一定程度上遏制了上部变形体的发展，不会对下部的公路隧道口造成威胁。

图5治理后暴雨工况位移等值线图

4　结论

基于FLAC3D的抗滑桩辅助设计方法，比之以前的基于刚体极限平衡理论的方法有很多优越之处。主要体现在以下几个方面：①计算理论要比传统方法先进；②计算的维数更高；③桩位的选择更加合理；④计算桩体受力更准确。本文运用FLAC3D数值模拟方法对贵匀高速公路百鸟坡隧道左线进口边坡暴雨工况下，治理前后的稳定性进行分析，得出下列结论：

(1) 通过分析贵匀高速公路百鸟坡隧道左线进口边坡的工程地质条件及其变形特征，得到如下结论：该边坡破坏机制为牵引式破坏，边坡前缘由于松散堆积物及岩体裂隙面的存在，在暴雨情况下，产生崩塌，将前缘隧道口掩埋；边坡中部由于软弱夹层的存在，土层力学性质差，使得覆盖土层与部分强风化层沿强弱风化基岩接触面附近滑动，边坡后部则由于坡体前部的牵引作用，上部覆盖层与岩层交界面产生滑动。

(2) FLAC3D数值模拟结果证实了上一分析，并验证了暴雨工况下治理后的边坡变形量满足工程需要，对公路隧道口不造成威胁。

(3) 隧道洞口存在地质灾害的情况目前普遍存在，建议勘探、设计单位今后在勘探和线路设计方案的比选中重视地质危害，尽可能将洞口设置在地质构造简单、汇水面积较小、不易发生地质灾害的地段[10]。

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STABILITY ANALYSIS AND TREATMENT SIMULATION OF LEFT IMPORT SLOPE OF BAINIAOPO TUNNEL IN GUIYANG-DUYUN HIGHWAY

TANG Yong

(Guangxi construction group Infrastructure co., LTD, Nanning Guangxi530001,China)

Based on the engineering geological exploration and site investigation, detailed analyze the engineering geological conditions and deformation characteristics of the left import slope of bainiaopo tunnel in Guiyang-Duyun Highway. In this paper, the author concludes that the cover soil and portal strong weathering layer of the slope mass slides along the interlayer between strong and weak weathering layer under condition of rainstorm, and it buries the left hole of tunnel. The deformation mechanism of the landslide is tractor-destruction. According to some regulations and experince, the slope’s mechanical parameters is confirmed.The geomechanical model is estabilshed by using FLAC3Dof FED technology to calculate the slope stability under condition of rainstorm. The results indicate that the slope isn’t stable and needs to be treatmented. Some measures such as anti-slide pile，steel pipe pile, earth-retaining wall,and so on,are designed to support the slope and then make sure the slope is stable which provides an effective guarantee for the successful performance of Guiyang-Duyun Highway.

slope stability; numerical simulation ；tunnel slope；control measures

1006-4362(2016)03-0081-05

2016-05-09改回日期：2016-06-24

TU457

A

唐勇(1988-)，男，壮族，广西壮族自治区河池市人，助理工程师，就职于广西建工集团基础建设有限公司，研究方向为岩土工程。E-mail:1372271585@qq.com