裂隙分布特征对边坡稳定性影响研究

张 勇 陆振裕 李佳舒

（1、江苏省地质矿产局第三地质大队，江苏 镇江212001 2、江苏地质基桩工程公司，江苏 镇江212001）

1 概述

边坡是一种常见的地质体，在我国的中西部地区有广泛的分布。2013 年云南省雄镇发生山体滑坡，造成46 人死亡；2014年贵州福泉山体滑坡造成6 人死亡21 人失联；2016 年贵州省理化乡发生山体滑坡，死亡人数达64 人；2017 年四川茂县的地震导致100 多人死亡；2018 年金沙江山体滑坡使得2 万多人紧急转移[1，2]。由此观之，边坡失稳造成的破坏是巨大的，不仅会造成经济损失，甚至会严重威胁人民的生命安全。经事后调查表明，这些边坡产生的滑坡的主要原因包括两个方面：一方面是因为边坡内部存在一些薄弱带或者初始裂隙，在外力使得作用下使得边坡产生滑坡破坏；另一方面是应为外力的作用，在地震、降雨、人为施工等因素的影响下，边坡初始的薄弱区域得到充分的发展，削弱了边坡的抗滑力，这才导致了边坡的最终破坏。因此，有必要针对边坡稳定性进行深入研究，以减少其对人民生命财产的影响。

边坡主要分为两大类，一种是天然土体堆积逐渐形成的边坡，比如：山体边坡、断裂式边坡等；另一种是人为造就的边坡，比如露天煤矿边坡、垃圾填埋场边坡等。这些边坡在形成的过程中，很难保证坡体内的结构都具有较高的强度。在土体强度非均匀性的作用下，边坡内部往往会存在一些薄弱面，这些薄弱面相较于边坡结构具有更低的强度，同时对于外力（降雨、地震）有更高的敏感性，即边坡的破坏一般是从这些薄弱区域进行扩展的。李鸿鸣等[3]针对顺坡陡- 中倾角裂隙边坡稳定性进行了研究，结果表明，边坡的位移变形受边坡后缘的裂隙及边坡节理的联合控制；邱潇等[4]这对降雨对边坡稳定性的影响进行了研究，结果表明，降雨入渗条件下，水体首先会渗入边坡的裂隙中，使得边坡裂隙发展，这将使得边坡安全系数降低；钱昭宇等[5]后来针对边坡裂隙的形状进行了研究，结果表明，降雨入渗在Y 型裂隙下的深度大于X 型裂隙。因此，有必要在边坡稳定性分析过程中考虑初始裂隙对边坡的影响。

为了分析裂隙对边坡稳定性的影响，学者们提出了多种分析方法[2，6]，主要包括：现场勘查、原位试验、缩尺模型试验、数值模拟四类[2]。现场勘查是针对已经滑坡的坡体进行研究，该方法的成果可行度最高，对影响因素的分析也更加全面，但其具有一定的危险性，容易对工程勘察人员的生命健康造成威胁；原位试验也是一种可靠度较高的试验方法，对科研人员的安全影响较小，但是其考虑的因素并不全面，且成本的投入较高，因此并不适合进行多因素的分析；缩尺模型试验是一种基于缩尺理论的小型模型试验，具有分析因素多，成本投入较少的优势，但是受模型尺寸的限制，缩尺模型试验容易受到颗粒尺寸效应的限制，因此试验结果可能与真实的边坡存在差异，且对操作人员的理论功底要求较高；数值分析模型时近年来才发展的一种分析模型，随着计算理论的发展和计算机技术的进步，其分析结果的可靠性也逐渐提高，具有成本低，可靠性高，分析因素全面的多方面你的优势。综合上述分析，本文主要采用数值分析的方式对边坡稳定性进行研究。

综合上述分析，基于已有的工程案例，本文主要采用数值分析的方式研究裂隙分布对边坡稳定性的影响。

2 工程背景及计算特点

2.1 工程背景

该项目为常州市某露采宕口。项目处于经现场调查，项目区地处低山丘陵地貌单元。坡长约650m，坡顶标高为+44～+75m，坡脚标高为+4～+7m，边坡高差40～60m，整体坡度为27°～70°之间，现场已有三处滑坡崩塌堆积体。第一处滑坡后缘已到山顶路边。岩体地层岩性为中厚层状中、细粒石英砂岩、岩屑石英砂岩，夹薄层泥质砂岩、泥岩。主要地质灾害为滑坡和危岩体崩塌。该坡体未滑坡区段仍处于不稳定至稳定阶段，仍有可能在降雨等外界因素下产生二次滑坡，因此需要对剩余坡体的稳定性进行研究。

2.2 计算模型及参数

该边坡的模型的几何尺寸如图1 所示。边坡的有效高度设置为60m，有效宽度设置为30m。为了消除模型边界条件对分析结果的影响，在原有边坡的基础上进行了扩展，边坡坡顶水平延长20m，坡角向下延伸30m，坡角水平延伸30m，最终的，模型高度90m，宽度50m。为了考虑初始裂隙对边坡稳定性的影响，沿着边坡坡体内侧分别设置了6 条不同的初始裂隙。

图1 边坡的几何尺寸

为了消除土体强度非均匀性对分析结果的影响，边坡中的土体属性定义为均质土体，其粘聚力为20kPa，内摩擦角为48.8°，容重为25.1kg/m3。裂隙的土体参数：粘聚力10kPa，内摩擦角10°。

该模型中采用了3000 个网格单元，基于剪切耗散能理论对模型的网格尺寸进行加密。模型的底部设置了固定端约束，即约束了水平和竖直方向的位移；模型的左右两侧设置了水平约束，即约束了水平方向的位移。在不考虑初始裂隙的情况下，边坡的极限分析结果如图2 所示，对应的安全系数为1.07，这与真实边坡接近破坏时的情况相匹配。

图2 无裂隙边坡剪切耗散图

3 裂隙分布模型

3.1 不同裂隙分布位置

以坡顶为基本参照，考虑裂隙的高度分别为-10m，-20m，-30m，-40m，-50m，-60m。边坡的极限分析结果如图3 所示。

图3 考虑裂隙位置的边坡稳定性计算结果

如图3 所示，可以发现：随着边坡中初始裂隙位置的边坡，边坡的安全系数及对应的剪切带发展位置发生了显著的变化。结合图3 中无裂隙边坡中剪切带的发展位置可以发现. 当边坡的裂隙位于-10m 时，边坡剪切带在坡顶与初始裂隙相连，边坡的安全系数为0.8692，s 相较于无裂隙边坡降低了0.2008；当边坡裂隙位置位于-20m 时，边坡安全系数为0.6469，相较于-10m 裂隙的边坡降低了0.2223；当裂隙位于边坡-30m 时，边坡的安全系数为0.5249m，相较于-20m 裂隙的边坡下降了0.122,；当列些位于边坡-40m 时，边坡的安全系数为0.501m，相较于-30m 裂隙边坡的下降了0.0239；当裂隙位移边坡-50m时，边坡的安全系数为0.8114，相较于-40m 边坡提高了0.3104；当裂隙位于边坡-60m 时，边坡的安全系数为1.07，与原始无裂隙的边坡相同。

通过对比不同裂隙位置下的边坡安全系数，可以发现，当裂隙位于-40m 深度时，即边坡的中下段，裂隙分布对边坡稳定性的削弱效果最强。因此，在工程中应注意对边坡裂隙位置的判断，便于合理的评估边坡的稳定性。

3.2 不同裂隙倾角

受地质构造的影响，边坡裂隙的发展方向各不相同，基于工程背景和上述分析，本文以-30m 深度的裂隙为背景，研究了裂隙倾角对边坡稳定性的影响。裂隙倾角对边坡稳定性的分析结果如下图所示：

如图4 所示，可以发现：随着边坡中裂隙倾角的变化，边坡的安全系数及对应的剪切带发展方向发生了显著的变化。如图4a 所示，边坡裂隙倾角0°时，边坡安全系数为1.069，裂隙的存在对边坡稳定向的影响较小，并不会对边坡剪切带的发展路径产生影响；如图4b 所示，当裂隙倾角30°时，边坡的安全系数为1.070，裂隙的存在对边坡稳定性的影响较小；当裂隙倾角60°，边坡的安全系数下降至0.9393，裂隙的存在对边坡剪切带发展方向产生了一定的影响；当裂隙倾角90°，边坡的安全系数又恢复至1.070,；当裂隙倾角120°时，裂隙的反正对边坡稳定性存在影响，边坡的安全系数下降至1.005；当裂隙倾角150°时，边坡的安全系数下降幅度最大，为0.524，边坡剪切带的发展方向受裂隙的影响较为严重。

图4 考虑裂隙倾角的边坡稳定性计算结果

为了分析裂隙倾角对边坡稳定性的影响，结合分析获得的边坡安全系数和边坡剪切带发展方向，可以的出结论：当边坡裂隙平行于边坡坡面时，裂隙的存在对边坡稳定性的影响较大；当边坡裂隙垂直于边坡坡面时，裂隙的存在对边坡稳定性的影响较小。因此，在工程勘察过程中要注意裂隙倾角，这对于边坡稳定性的评估具有重要意义。

4 结论

常州市某露采宕口项目，研究了裂隙位置对边坡稳定性的影响，分别考虑裂隙分布深度及裂隙倾角对边坡稳定性的影响，具体结论如下：

4.1 基于极限分析下限法研究了裂隙分布深度对边坡稳定性的影响，结果表明，当裂隙深度为-40m，即边坡中下部时，对边坡稳定性的削弱作用最大。

4.2 研究了裂隙倾角对边坡稳定性的影响，结果表明，当边坡裂隙平行于边坡坡面时，裂隙的存在对边坡稳定性的影响较大；当边坡裂隙垂直于边坡坡面时，裂隙的存在对边坡稳定性的影响较小。

4.3 在工程勘察过程中，应格外重视裂隙分布位置和裂隙倾角对边坡稳定性的影响，尤其是当边坡裂隙可能位于边坡中下部，且平行于坡面时，这对于合理的评估边坡稳定性具有重要意义。