川西高原某铁路岩质边坡稳定性研究

吴宇欣，何治翼，李铭敏，连西妮

（柳州铁道职业技术学院，广西柳州 545616）

0 引言

随着西部铁路交通的逐渐发展，在铁路的建设施工与运行过程中，会遇到各种各样的工程地质问题，在四川西部高原地区，边坡稳定性问题尤为突出。因此，边坡稳定性研究对铁路的安全施工和运行具有重要的意义[1]。

随着岩石力学的迅速发展，为了了解和解决边坡稳定性问题，国内外学者提出了不同岩石的力学应力张量与应变张量的关系、不同力学之间的相互转化，并在边坡的稳定性分析中广泛应用，这使大量的边坡稳定性的分析方法被研究出来，应用到实际情况分析之中[2]。

如今，岩质边坡稳定性的分析方法主要为：定性分析法与定量分析法。定性分析法主要为赤平极射投影法，其通过分析切割岩体的结构面组合得出边坡稳定性，根据地质学的理论，将层面、节理、断层等分为各组，通过对结构面的组合关系与临空面的切割来分析判断边坡的塌方滑移方向[3-4]。定量分析法主要为有限差分法，有限差分法主要考虑材料的非线性，将边坡滑体的岩石间相互作用应力及其应变状态纳入考虑，能定量分析出边坡的位移与内部应力，从而分析边坡稳定性[5-6]。

1 边坡稳定性分析

1.1 现场调查

研究区位于四川省西部，处于青藏高原东缘川滇南北向构造带，地质条件复杂，易发生地震、滑坡、泥石流等地质灾害，导致边坡失稳。

通过对研究区的实地调查，如图1 所示，此边坡自然坡度35°～60°，中下部较缓，上部局部形成陡崖，隧道口位于北边坡岩堆，坡体呈阶梯状，上部崩塌后缘比较陡立，下部为堆积体，整个崩塌体呈扇状，且为块石土。研究点1 岩体被层面和节理切割，发生楔形滑动；研究点2 节理发育，岩体有沿节理面顺层滑动的可能；北坡面为碎石土，岩土体较为破碎，易沿滑面滑动；隧道洞口上方植被茂密，洞口右下方有大量大型落石堆积，堆积体存在潜在滑动的可能。

图1 研究区现场调查图

1.2 稳定性分析

根据现场测量结果，坡体结构面产状分别为：层面产状99°∠15°，节理J1产状41°∠84°，节理J2 产状330°∠80°，根据巴顿模型计算结果，层面以及两组节理面的等效内摩擦角分别为：φ=44.18°、φ=47.32°、φ=47.54°。利用赤平极射投影可直观得出层面、J1、J2 的相对空间分布，岩体结构面下半球赤平极射投影图，如图2 所示。

图2 岩体稳定性分析图（倾角单位：°）

基于赤平极射投影原理分析可知，岩质边坡被三组主控结构面切割后，形成1、2、3 三个主要滑塌体，沿两组结构面滑动的滑塌体12、13、23，以及无结构面支撑的坠落体G，如图2 所示。

根据公式（1）（2）（3）得出：

式（1）～式（3）中：αi表示单滑面倾角（°）；γij表示双滑面交线的倾角（°）；γi、γj表示双滑面交线的法线与所相交的两个滑面法线的夹角（°）。

可以计算出各滑塌体稳定性系数：KG=0，K1=3.63，K2=0.11，K3=0.19，K12=6.85，K13=3.24，K23=11.23，从赤平极射投影图和各滑塌体稳定性系数分析可以得出：单滑面滑塌体1、2 的倾向与边坡的倾向相反，单滑面滑塌体2 稳定系数虽然小于1，但依然处于稳定状态；单滑面滑塌体3 的倾角大于坡面倾角，基本稳定；双滑面滑塌体12、13 倾向与边坡的倾向相反，稳定系数K 均大于1，因此为稳定结构；双滑面滑塌体23 倾角大于坡面，处于稳定状态。分析得出，在自然条件下，单滑面与双滑面滑塌体在坡面方向未形成滑塌体，较为稳定，但坡面岩体因风化、卸荷脱离岩体的部分块体存在滑落的风险。

2 有限差分数值模拟分析

通过无人机地形测绘，简化合并相似地层，结合由等高线截选出的地面线，根据相关地勘资料来划分岩层，可以绘制出该边坡的坡面图。

应用三维有限差分数值模拟软件Flac 3D 对该坡面进行建模，可以用于三维状态下对岩质边坡、岩石等材料进行受力时的特征模拟与流动分析。对三维状态下网络单元的多角度调整，进行现实情况下结构的拟合。单元材料采用应力应变模型（线性或者非线性），当受到外界力的作用时，单元材料达到屈服条件产生破坏，三维网络也会随之产生大变形，得出位移数值。Flac 3D 软件主要应用显示Lagrange 计算法与混合离散区分手段，在材料不需要形成刚度矩阵的情况下，对于材料发生的各种破坏能非常快速且准确地进行模拟，因此Flac 3D 软件不需较大内存就可以对大面积的边坡问题进行三维下的模拟。

该剖面被分为碎石土堆积层、W3 强风化变质砂岩层、W2 弱风化变质砂岩层。坡高约700m，坡向283°39′25″。利用该剖面建立三维数值模拟模型（见图3）。边坡凌空面方向设定为X 方向，边坡走向设定为Y 方向，边坡高度方向设定为Z 方向。模型高度700m，长度800m，宽度70m。

图3 模型示意图

由图4 自然状态整体位移云图可知：边坡整体处于稳定，位移变形最大发生部位在碎石层，最大位移约为2.4cm。边坡的稳定性主要与水平位移有关，边坡最大水平位移处于坡体碎石层，位移值约为1.15cm，具有朝X 方向（临空面）运动的趋势，因为该处坡体岩土体较为破碎，岩体具有向临空面滑移趋势。这与赤平极射投影分析结果基本一致，该碎石层上部为陡立岩体，风化破坏较严重并且有落石滑落。故该处可能出现落石等地质灾害，对该段铁路施工与运行有一定影响。

图4 自然状态下位移云图

由图5 整体位移云图可以得出：地震状态下边坡位移主要发生在碎石层部位及上部陡坎处，最大位移为59cm，比自然状态下增大了56.6cm。地震状态下边坡位移区域和位移量明显增大，尤其是边坡表面碎石层和强风化层，其位移值比自然状态下大一个量级，说明地震状态下，该边坡失稳破坏。

图5 地震状态下位移云图

3 结论

通过对边坡进行赤平极射投影定性分析，以及自然与地震情况下Flac 3D 数值模拟分析，得出以下结论：第一，通过赤平极射投影分析，在自然情况下，边坡整体基本稳定，坡体表面有发生位移的趋势，受到扰动表面岩体可能发生崩塌、滑移。第二，地震状态下地震波一直处于震荡，使坡体整体处于松弛状态，坡面位移量较自然情况明显增大，最大值为59cm，边坡失稳破坏。