龙滩天湖特大桥桥址古滑坡堆积体安全评价

李世明，陈云生，张国发，孙冠华

(1.广西交通设计集团有限公司，广西 南宁 530029；2.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州 贵阳 550001； 3.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与岩土工程国家重点实验室， 湖北 武汉 430071)

边坡稳定性评价一直是岩土力学与工程中的重要研究课题，而我国又是边(滑)坡灾害频发的国家，史书上早有“地移掩村”和“山崩堵江”的记载。滑坡会造成人员伤亡和摧毁城乡建筑、交通道路、工厂矿山、水利水电工程、农田土地等危害，给社会经济和人民生活带来严重的威胁。因此，边坡稳定性评价与滑坡灾害防治对我国国民经济建设和可持续发展的重要性是不言而喻的。

边坡稳定性分析一般分为两个主要环节：安全系数的求解和临界滑面的定位。经过数十年的发展，边坡稳定性分析在二维评价方面得到了充分的发展。需要注意的是，尽管可以采用不同的方法来分析边坡的稳定性,但应用最为广泛的方法主要包括两类，即数值分析方法和极限平衡法。近几十年来，作为数值分析方法的代表——强度折减有限元法，在国内外得到了较为广泛的应用。如郑颖人等系统分析了强度折减有限元法的发展历程及其在岩土工程中的应用。此外，葛云峰等运用离散元法研究了滑动面力学参数对滑坡稳定性的影响规律。尽管数值分析方法可以引入较为复杂的本构，并且可以得出边坡体内的应力位移场分布规律，但其计算量相对较大，参数值的确定往往非常困难。相较于数值分析方法，极限平衡方法不仅计算量较小，而且原理简单，更加被岩土工程师青睐。

事实上，工程实践中的边坡不管是在几何形态上还是在应力空间上，其均表现为三维特征。如郑宏率先提出了三维严格极限平衡方法，为三维边坡安全系数的求解提供了新的思路；孙冠华等建立了三维边坡稳定性的整体分析方法；林志平针对岩质边坡开展了条间力分布对Sarma 法条间强度参数及安全系数影响分析；Zhou等将拟动力法和严格极限平衡法结合，对地震荷载作用下的三维边坡稳定性开展了分析；Xie等将地理信息系统(GIS)的空间分析功能和水文分析建模工具与基于库伦的三维边坡稳定性分析模型相结合，开发了一种基于GIS网格的三维确定性边坡稳定性分析模型；方宏伟等基于极限曲线法，提出以滑移线场理论计算得到的边坡极限状态下的坡面曲线与原坡面相交于坡脚判断边坡处于极限状态的失稳判据。尽管取得了上述研究成果，但在边坡稳定性分析的三维方面，无论是安全系数的求解还是临界滑面的定位，进展都非常缓慢。

西南地区桥梁一般横跨河谷。龙滩天湖特大桥位于龙滩水库(红水河)库区，特大桥跨越红水河。库区属剥蚀低山丘陵地貌，山间沟谷深切，海拔较高，区内地形起伏较大。红水河河槽呈“U”形，宽度约为450～480 m，切割深度约为50～80 m。龙滩天湖特大桥设计有B10线、K线2个桥位方案。桥区内山体地形较陡，山体面斜坡坡度约为15°～45°，河岸沟谷多基岩裸露，岩性主要为三叠系碎屑岩类，岩石抗风化力较弱；山坡表层以含碎石黏土、黏土、碎石土为主，局部覆盖层较厚。B10线区地表植被较发育，山体主要种植杉木、松树等经济林。K线区地表植被较发育，桥位区山体坡脚有基岩出露，不良地质主要为南丹岸发育有大型古滑坡堆积体。古滑坡堆积体的存在直接影响K线桥位方案的可行性,因此本文拟采用计算量较小、且原理简单的三维严格极限平衡法和二维极限平衡法对该古滑坡堆积体开展稳定性评价。

1 龙滩天湖特大桥桥址古滑坡堆积体地质概况

龙滩天湖特大桥桥位区位于龙滩水库库区，特大桥跨越红水河，属剥蚀低山丘陵地貌，山岭高耸峻峭、峰尖坡陡，峰脊狭窄，分水岭明显，山岭连绵，沟谷纵横。岩性主要为三叠系碎屑岩类，岩石抗风化能力较弱；山坡表层以含碎石黏土、黏土、碎石土为主，覆盖层较厚。经过地质测绘、钻探和物探综合分析发现，K68+200～K69+600 段(龙滩红水河南丹岸)山坡体具备古滑坡堆积体的地貌特征。钻探揭露坡体中下部岩性较复杂，与滑坡堆积体特征相似，与基岩接触面有粉质黏土夹砾石状，推测为滑坡堆积体；钻孔在坡体后半段、坡脚陡坡段与堆积体与岩面交界相近高程段处揭露强风化碎裂结构的突变岩体，推测为岩质变形体的潜在破裂带；物探解译表部岩体有异常带，推测为滑坡堆积体或节理密集带。综上分析可以判断，该段山坡体为古滑坡堆积体。

该古滑坡堆积体周界整体形状似圈椅状，顶部以第三级台地后缘陡坡为边界，下部以第三级台地后缘陡坡为界，南北两侧均以冲沟为边界(详见图1)。该古滑坡堆积体地形平面图见图2， 典型剖面图见图3至图5。

图1 龙滩天湖特大桥桥址古滑坡堆积体Fig.1 Ancient landslide accumulation body at the site of Longtan Tianhu Bridge

图2 龙滩天湖特大桥桥址古滑坡堆积体地形平面图Fig.2 Topographic plan of ancient landslide accumulation body at the site of Longtan Tianhu Bridge

图3 南丹岸桥中心线左10.3 m剖面Fig.3 Section at 10.3 m left of the center line of Nandan’an Bridge

图4 南丹岸桥中心线右11.5 m剖面Fig.4 Section at 11.5 m right of the center line of Nandan’an Bridge

图5 D-D′剖面Fig.5 D-D′section

该古滑坡堆积体中部有明显台地状地形，系堆积体边界，台地以上坡面为古滑坡后缘台坎，坡面较平整，中下部地表凸起成二级台地，为滑坡堆积体，滑坡堆积体受后期改造较大。滑坡坡面倾向约为250°，倾角约为10°～35°，坡面上部较为平整，延伸较广，古滑坡中下部凸起成二级台地，坡度较缓。该古滑坡堆积体长轴距约为490 m，水平距离约为340 m,滑坡体中下部厚度达40～50 m，主滑方向为250°，与路线方向近似平行。滑床主要为砂岩，局部夹泥岩、页岩，岩层产状为270°～295°∠30°～57°。岩层倾向与坡面倾向基本一致，为顺层古滑坡。滑带土为粉质黏土夹砾石，灰褐色或灰黄色，硬塑状,砾石粒径为2～4 cm，厚为1.00～5.20 m,分布于古滑坡范围内，土、石工程分级为Ⅲ级硬土。岩质碎裂带包含母岩砂岩，含泥质成分，岩体受挤压形成节理裂隙密集带，风化程度加大，与上、下岩体相比其风化程度较强烈，形成风化突变带，强度较低，敲击易沿节理面开裂破碎，为岩质变形体潜在滑带。滑坡堆积体主要为粉质黏土混碎石、碎石土和强风化砂岩组成，局部发育架空空洞。各组分主要组成如下：①粉质黏土混碎石为灰黄色,硬塑状,以粉质黏土为主,混碎石,碎石粒径为2～6 cm,碎石母岩为强风化泥质砂岩。该层主要分布于滑坡体表层，厚为6.50～20.00 m，滑坡体上所有钻孔均有揭露。土、石工程分级为Ⅲ级硬土。②碎石土为局部夹粉质黏土，主要为灰黄色，稍密—中密，稍湿，碎石含量约为50%～80%，粒径为30～120 mm，块石含量为20%～30%，粒径多大于120 mm，其余为粉质黏土，碎石母岩为强风化泥质砂岩，钻孔CK9 揭露，厚为20.50 m。土、石工程分级为Ⅲ级硬土。③岩质滑坡体属强风化砂岩，灰黄色，砂状结构、碎裂结构，夹泥岩，风化较强烈，岩质较软，节理裂隙很发育，岩体较松散，岩芯多呈碎块状，少量短柱状。钻孔揭露时多与粉质黏土混碎石互层出现，厚为3.20～17.80 m。土、石工程分级属Ⅳ级软石。

2 龙滩天湖特大桥桥址古滑坡堆积体稳定性计算与分析

2.1 岩土物理力学参数

为了确定岩土物理力学指标和岩土设计参数，现场采用原位试验，同时取原状土样做室内试验方法。本次边坡稳定性计算参数参考规范推荐值、并综合考虑现场工程地质情况和工程经验(包括堆积体反分析)，综合确定的边坡稳定性计算参数取值见表1。

表1 边坡稳定计算岩体力学参数采用值Table 1 Adopted values of rock mass mechanical parameters for slope stability calculation

2.2 边坡稳定性计算方法

边坡稳定性评价方法主要有定性和定量两类评价方法。其中，定性分析方法主要是通过工程地质勘察，对影响边坡稳定性的主要因素、可能变形破坏的方式、失稳的力学机制以及已变形的地质体的成因、与周边坡体的关系及其演化史进行分析，从而给出被评价边坡稳定性状况及其发展趋势的定性说明和解释，其方法一般有过程机制分析法、工程类比法、图解法和岩体质量分级法；定量分析方法主要有极限平衡法和数值分析法，其中极限平衡法因其物理力学概念清晰、操作简便而被工程界普遍接受与采用，是传统而经典的定量分析方法之一，并匹配相应的边(滑)坡稳定性系数标准进行边(滑)坡稳定性分析设计。本文针对龙滩天湖特大桥桥址古滑坡堆积体潜在失稳破坏的特点，并考虑边坡沿桥轴线方向潜在的破坏模式，采用二维极限平衡法和三维严格极限平衡法对该古滑坡堆积体稳定性进行分析。

2.3 计算模型与分析工况

本文采用二维极限平衡法计算古滑坡堆积体典型滑面的安全系数时，采用Rocscience公司开发的slide软件对龙滩天湖特大桥桥址古滑坡堆积体典型滑面进行建模，其概化模型见图6。其中，根据南丹岸桥中心线右11.5 m剖面和工程地质平面图建立了二维边坡稳定性分析模型C1[见图6(a)]，边坡模型纵向长为888.870 m，高为473.742 m；根据南丹岸桥中心线左10.3 m剖面和工程地质平面图建立了二维边坡稳定性分析模型C2[见图6(b)]，边坡模型纵向长为795.550 m，高为428.288 m；根据D-D′剖面和工程地质平面图建立了二维边坡稳定性分析模型D[见图6(c)]，边坡模型纵向长为504.020 m，高为272.924 m。由于边坡形态和地层分布比较复杂，为了更加准确地确定最危险滑面，对边坡表面进行分区，并对不同的区域进行组合分别作为滑面的入口和出口。本文设计了3种计算工况：工况1(自然边坡)、工况2(自然边坡+暴雨)和工况3(自然边坡+地震荷载)。

图6 3个计算剖面的概化模型(单位：m)Fig.6 Generalized model of the three computational sections(unit:m)

参照《公路滑坡防治设计规范》(JTG/T 3334—2018)、《公路路基设计规范》(JTGD 30—2015)，高速公路桥梁边坡稳定性控制标准为：工况1下的稳定性系数控制标准为1.30;工况2下稳定性系数控制标准为1.20；工况3下稳定性系数控制标准为1.10。

2.4 计算结果

2.4.1 二维极限平衡法计算结果

采用二维极限平衡法分析时3个计算剖面在不同工况下的临界滑面位置及其对应的稳定性系数计算结果，见图7。

由图7可知：分析模型C1在3种计算工况下，边坡的整体稳定性系数分别为1.78、1.47和1.51，边坡处于稳定状态,满足龙滩天湖特大桥稳定性系数的控制标准，其局部稳定性系数最小值分别为1.32、1.20和1.18，目前处于稳定状态，略高于龙滩天湖特大桥稳定系数的控制标准[见图7(a)];分析模型C2在3种计算工况下，边坡的整体稳定性系数分别为1.78、1.60和1.50，目前处于稳定状态，其局部稳定性系数最小值分别为1.50、1.34和1.28，处于稳定状态，满足龙滩天湖特大桥稳定性系数的控制标准[见图7(b)]；分析模型D在3种计算工况下，边坡的整体稳定性系数分别为1.67、1.55和1.44，处于稳定状态，其局部稳定性系数最小值分别为1.16、1.02和1.01，处于欠稳定状态，不满足龙滩天湖特大桥稳定性稳定系数的控制标准[见图7(c)]。

图7 3个计算剖面在不同工况下的临界滑面位置及其稳定性系数计算结果Fig.7 Critical slip surface and calculation results of stability coefficient of the three sections under different working conditions注：图①～⑥滑面分别对应以区域a～d为入口的最危险滑面。

2.4.2 三维严格极限平衡法计算结果

依据二维稳定性计算剖面，基于钻孔揭露岩土层， 建立二、三级平台上土石堆积体的三维计算模型，见图8。该模型采用三维严格极限平衡法，只剖分滑坡体表面网格，网格数为2 103个。土石堆积体下部为一、二级台阶之间的第四系和强风化岩体分界线，上部为三级台阶上部陡峭处，整体为第四系粉质黏土混碎石堆积体(Q)覆盖，下伏基岩为砂岩(T、P)、泥质灰岩(T)。采用文献[11]中的三维严格极限平衡方法，计算得到3种计算工况下边坡整体稳定性系数分别为1.36、1.17和1.22。

图8 三维严格极限平衡法计算模型Fig.8 Calculation model of three-dimensional rigorous limit balance method

2.5 稳定性分析与讨论

该古滑坡堆积体中、上部三级台地后壁坡面平整，根据钻孔揭露下部堆积体内块碎石有似原岩结构，推测为原上部滑坡体往下推移滑动；中、下部岩土体在上部推移下，发生变形滑动；中、下部坡体主要由粉质黏土混碎石、碎石土和松散状强风化砂岩组成，推测为上部滑体多次推移所致。滑坡面积约为1.0×10m，滑坡堆积体均厚约为40 m，滑坡方量约为4.0×10m，为巨型滑坡，滑坡为推移式岩质顺层滑坡(局部地段土质夹岩质为主)。

该古滑坡堆积体原边坡为顺层边坡，坡面风化裂隙较发育，在降雨入渗情况下，水会沿结构面及风化裂隙渗流，使得结构面抗剪强度降低；再者水沿节理裂隙下渗，在岩体内会形成水压力，从而导致边坡发生位移，进而发展成滑坡。古滑坡上部岩土体在重力及水的作用下，沿软弱岩层面向下滑移，古滑坡中部凸起段岩土体在后半段岩质滑坡体的推移下，也产生滑动位移，推测滑坡中部凸起(二级平台)岩土体以整体式滑动为主，滑动变形较缓慢，钻孔揭露该处堆积体内似岩体，风化相变化大，但仍保持似原岩状构造，但岩体破碎松散，钻进过程易垮孔或卡钻。滑坡体松散的强风化砂岩与粉质黏土混碎石夹层状分布，表明古滑坡体曾发生多期次复活滑动。

钻孔揭示一级平台及以下，第四系揭示厚度较薄，分布强风化和中风化为主，且岩土参数较高，因此一级平台及以下失稳可能性较低。而二、三级平台揭示较厚的第四系，以土石混合体为主，且高程较高，地势较陡，岩土参数相对较低，存在失稳可能性。若失稳，一级平台和二级平台之间的土石界面，即堆积体的下部，将是古滑坡堆积体的滑动剪出口。

从定量计算结果来看，在工况1(自然边坡)和工况3(自然边坡+地震荷载)下，边坡处于稳定状态。南丹岸桥中心线两侧剖面，中上部的堆积体分界面及坡面较陡，是该坡面稳定性的控制性因素。基于整体的土石混合堆积体，三维严格极限平衡法的计算结果为1.36和1.17，勉强满足龙滩天湖特大桥稳定性的控制要求，但三维计算结果与二维计算结果存在差异，规范也只是对二维计算结果做了规定。

在暴雨季节地表水下渗等不利因素的影响下，表层结构松散的覆盖层及强风化岩体可能发生浅层滑塌的现象，易产生局部失稳破坏，应注意防护。

3 结 论

为探究龙滩天湖特大桥K线桥位方案的可行性，本文基于三维严格极限平衡法和二维极限平衡法对桥位区古滑坡堆积体开展了稳定性评价，得到如下结论:

(1) 在工况1(自然边坡)和工况3(自然边坡+地震荷载)条件下，边坡均处于稳定状态。

(2) 在工况2(自然边坡+暴雨)条件下，尽管边坡处于稳定状态，但表层结构松散的覆盖层及强风化岩体可能发生浅层滑塌的现象，易产生局部失稳破坏，应注意防护。

(3) 对古滑坡堆积体须采取工程措施进行预加固，使其稳定性满足规范要求，方可进行桥梁、隧道工程建设。施工中建议加强监测，监测内容包括地表变形、裂缝、深部位移、地下水位和孔隙水压力变化的立体监测。