天山公路k982+800～k983+200段邊坡穩(wěn)定性分析

徐海洋，張曉光

（1.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610059；2.河北省保定地質(zhì)工程勘查院，河北保定071051；3.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司，四川成都610041）

天山公路k982+800～k983+200段邊坡穩(wěn)定性分析

徐海洋*1，2，張曉光3

（1.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610059；2.河北省保定地質(zhì)工程勘查院，河北保定071051；3.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司，四川成都610041）

根據(jù)天山公路k982+800～k983+200段邊坡特殊的地質(zhì)條件、氣候條件、水文條件，從工程地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)的角度，利用DDA數(shù)值分析，研究該段邊坡發(fā)育特征、破壞機(jī)制，建立評價(jià)預(yù)測模型。最大限度地減少天山公路建設(shè)對公路環(huán)境產(chǎn)生的危害，并提出簡單的防治措施。

邊坡；結(jié)構(gòu)面；模型；破壞機(jī)制

1 概述

國道217線（獨(dú)山子—庫車段）亦稱天山公路，是橫貫天山，連接新疆自治區(qū)南、北疆的一條重要交通干線，全長約537km。此坡段位于天山里程k982+ 800～k983+200段，邊坡走向總體近東西，公路設(shè)計(jì)高程從+1905～+1930m，路面東高西低。該邊坡為一順向陡傾坡，坡向與巖層傾向基本平行，坡向與巖層傾角也相似，易形成滑移式崩塌[1]，造成邊坡失穩(wěn)。

2 邊坡的工程地質(zhì)條件

（1）地形地貌。該段屬中山河谷地貌，該區(qū)海拔在+1890～+2100m之間。邊坡坡腳處高程+1905m，坡頂高程在+2040m以上。坡高40m左右，坡度80°左右，呈陡崖狀，為順向邊坡。坡面地表植被稀少。

（2）地層巖性。該段地層較簡單，主要出露第四系（Q）和上志留統(tǒng)科克鐵克達(dá)坂組（S3），從新到老具體介紹如下：

上志留統(tǒng)科克鐵克達(dá)坂組（S3）：巖性為厚層灰?guī)r，巖層產(chǎn)狀196°∠84°。

（3）地質(zhì)構(gòu)造及地震。此區(qū)屬南天山逆沖斷裂系統(tǒng)北段，構(gòu)造樣式為南傾的緊閉倒轉(zhuǎn)褶皺和韌脆性沖斷構(gòu)造，顯示了多組逆沖斷裂組成的斷裂構(gòu)造帶和由北向南的構(gòu)造倒向。根據(jù)《中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖》（GB18306-2000），研究區(qū)為地殼不穩(wěn)定～次穩(wěn)定區(qū)，在一般場地條件下50年期限內(nèi)超越概率為10%的地震動峰值加速度a＝0.15～0.20g，地震動反應(yīng)譜特征周期0.40～0.45s，相當(dāng)于原地震烈度區(qū)劃的Ⅶ-Ⅷ度。

（4）氣候、水文條件。此地區(qū)氣候?qū)佗襞瘻貛Ц珊祬^(qū)，區(qū)內(nèi)以5～8月降水量最集中，占年降水量60%～70%,該區(qū)暴雨特點(diǎn)是歷時(shí)短，雨量大。年平均氣溫為8.5℃～10.0℃之間,全年以冬季(1月)氣溫最低，平均氣溫為-9.2℃～10.0℃之間，夏季(7月)氣溫最高,氣溫為24.3℃以上。該路段地下水類型以裂隙水為主，含水層主要為變質(zhì)砂板巖、千枚巖，富水性為貧乏—中等，地下水通過富水層及構(gòu)造帶或裂隙帶排泄。

3 邊坡變形破壞機(jī)制分析

由于天山地區(qū)的特殊氣候條件、地質(zhì)條件等，該邊坡變形破壞的成因機(jī)制主要結(jié)合以下幾個(gè)方面分析。

（1）邊坡巖體結(jié)構(gòu)特征。該邊坡巖層為上志留統(tǒng)科克鐵克達(dá)坂組（S3），主要為中厚層狀灰?guī)r[2]。巖層產(chǎn)狀196°∠84°,邊坡坡面產(chǎn)狀200°∠80°，層面與坡面(臨空面)基本平行，為塊狀—次塊狀結(jié)構(gòu)陡坡，受風(fēng)化及卸荷作用，有層面分離現(xiàn)象發(fā)生。由于歷史上經(jīng)受過多次構(gòu)造及地震作用，而且長期遭受風(fēng)化剝蝕，同時(shí)受邊坡開挖的影響，地形陡峻，卸荷裂隙十分發(fā)育。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查統(tǒng)計(jì),該段主要發(fā)育有2組節(jié)理：①235°∠37°組陡傾節(jié)理發(fā)育強(qiáng)烈，裂隙貫通性強(qiáng)，產(chǎn)生明顯的拉張變形，并切割坡體與層面，嚴(yán)重破壞了斜坡的完整性；②12°∠65°節(jié)理裂隙發(fā)育較弱，主要表現(xiàn)為裂隙面的輕微張開，貫通性不好，基本沒有充填物。以上各組裂隙在長期內(nèi)外營力作用下，內(nèi)聚力逐漸降低，由于卸荷作用坡面裂隙進(jìn)一步發(fā)展，經(jīng)常出現(xiàn)失穩(wěn)，產(chǎn)生小規(guī)模崩塌。整個(gè)邊坡危巖體分割塊度大致為1m×0.5m×0.5m。

（2）高寒地區(qū)凍融作用。由于該區(qū)四季溫差較大，晝夜溫差也較大，降水或融水沿基巖裂隙[3]很容易滲入巖體深部，裂隙內(nèi)充填的碎屑物會吸水飽和，重量增加，降水或雪水結(jié)冰體積膨脹，產(chǎn)生不容忽視的膨脹力，反復(fù)的凍融作用，降低巖體強(qiáng)度指標(biāo)，促進(jìn)巖體臨空面卸荷裂隙的加速發(fā)展，促進(jìn)了危巖的形成。

（3）人類工程活動。由于許多大的工程建設(shè)，對山體進(jìn)行開挖，形成崩塌。天山公路k983+50～k983+ 200段邊坡危巖體的形成，雖與地層巖性、巖體結(jié)構(gòu)特征等因素有關(guān)，但其誘發(fā)崩塌的直接因素是公路開挖。邊坡開挖使坡角變陡，加速了卸荷裂隙的發(fā)展。

綜上所述，該邊坡的破壞機(jī)制為：順向陡傾坡坡向與巖層傾向基本平行，坡角與與巖層傾角也相似，被結(jié)構(gòu)面切割的塊體主要沿層面滑動，脫離母體，形成滑移式崩塌。

4 分析模型計(jì)算剖面的選取

根據(jù)邊坡實(shí)際工程地質(zhì)特征，選取樁號為K983+ 140剖面圖作為本次數(shù)值模擬的計(jì)算剖面。因?yàn)檫x取該剖面較好地揭露了邊坡巖體結(jié)構(gòu)，特別是滑移變形部分的工程地質(zhì)特性，能夠較真實(shí)的反映整個(gè)邊坡的實(shí)際工程地質(zhì)特征。以下各邊坡非連續(xù)變形分析模型均選用該典型剖面，如圖1所示。

圖1 k983+140邊坡工程地質(zhì)剖面圖

5 邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬與穩(wěn)定性分析

根據(jù)邊坡特點(diǎn)與實(shí)際需要，本次數(shù)值模擬以DDA[4-5]塊體系統(tǒng)的非連續(xù)變形分析系統(tǒng)數(shù)值分析軟件為主，分析研究邊坡的破壞模式與塊體運(yùn)動特征，以FALC有限差分?jǐn)?shù)值分析軟件為輔來分析研究邊坡內(nèi)部的應(yīng)變率特征。

(1)模型建立。邊坡為順向坡，巖層產(chǎn)狀為：196°∠84°，主要發(fā)育有2組裂隙，其產(chǎn)狀分別為235°∠37°、12°∠65°。邊坡巖體的變形與破壞主要受以上層面和2組節(jié)理裂隙控制，模型建立主要考慮這3組結(jié)構(gòu)面的組合與坡向的關(guān)系。由于此次模擬采用二維數(shù)值模型計(jì)算，故通過概化與處理，并結(jié)合實(shí)際情況，主要采用2組結(jié)構(gòu)面：層面與12°∠65°節(jié)理（為主控結(jié)構(gòu)面）。

圖2為模型的典型剖面，模型由310個(gè)單元構(gòu)成，模型底部和左側(cè)邊界上的單元均予以固定，整個(gè)計(jì)算過程中不發(fā)生位移。模型中塊體的尺寸和裂隙疏密程度根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研資料確定，地形輪廓由實(shí)測地形剖面確定。

圖2 模型剖面圖

天山公路段地處高寒，強(qiáng)震地段，根據(jù)實(shí)際情況，鑒于研究分析的需要，模型需充分考慮凍融以及地震對邊坡巖體穩(wěn)定的影響，對該邊坡采用劃分了3種工況，即天然狀態(tài)、地震模式、地震＋凍融模式的模擬。每種工況在不同風(fēng)化程度的部位取值也不同，選取的模型參數(shù)如表1所示。

載荷條件：由于邊坡相對高差較低，且公路開挖后已經(jīng)歷多年，構(gòu)造應(yīng)力已基本卸荷完畢，故不考慮構(gòu)造應(yīng)力等荷載條件。

邊界條件：左側(cè)邊界約束水平方向位移，底部邊界約束垂直方向位移，模型的上部和坡表為自由邊界。

(2)DDA模擬邊坡危巖體破壞機(jī)理與穩(wěn)定性分析：

①模擬邊坡天然狀態(tài)的變形破壞情況：圖3為模擬天然狀態(tài)下不同時(shí)步（初始計(jì)算模擬時(shí)步為0）坡體的 運(yùn)動解體狀況及特征的典型圖示。

表1 DDA數(shù)值模擬參數(shù)取值

圖3 模擬邊坡天然狀態(tài)的變形破壞過程圖示

可以看出，a圖為邊坡由初始狀態(tài)運(yùn)行至259時(shí)步，看出邊坡比較穩(wěn)定，變化不明顯；b圖顯示1896時(shí)步公路邊坡中部至坡腳局部巖塊已經(jīng)開始突破鎖固狀態(tài)滑動；c圖表明公路邊坡中下部位巖石塊體滑落；d圖為模擬邊坡最終的破壞結(jié)果，部分巖塊在坡腳堆積。

②模擬邊坡地震條件下的變形破壞情況：圖4為模擬地震條件下不同時(shí)步（初始計(jì)算模擬時(shí)步為0）坡體的運(yùn)動解體狀況及特征的典型圖示。

圖4 模擬邊坡地震條件下的變形破壞過程圖示

可以看出，a圖為邊坡初始時(shí)的破壞狀態(tài)，顯示邊坡中下部個(gè)別巖塊已經(jīng)開始突破鎖固狀態(tài)沿層面滑動；b圖顯示邊坡坡腳至中上部表層部大量大穩(wěn)定巖塊已經(jīng)開始突破鎖固狀態(tài)滑動，這與現(xiàn)場實(shí)際觀測到的情況吻合；c圖表明邊坡巖上部個(gè)別塊體開始滑落，部分巖塊滑落到公路上，在坡腳堆積；d圖為模擬邊坡最終的破壞結(jié)果，巖體產(chǎn)生滑移變形，滑落的巖塊堵塞公路。坡體頂部表面部分巖塊與母體分離，從而形成危巖。

③模擬邊坡地震與凍融條件下的變形破壞情況：圖5為地震與凍融條件下不同時(shí)步（初始計(jì)算模擬時(shí)步 為0）坡體的運(yùn)動解體狀況及特征的典型圖示。

圖5 模擬邊坡地震與凍融條件下的變形破壞過程圖示

由圖5可以看出：a圖為邊坡初始時(shí)的破壞狀態(tài)，邊坡中下部個(gè)別巖塊已經(jīng)開始突破鎖固狀態(tài)沿層面滑動；b圖顯示邊坡坡腳至中上部表層部大量大穩(wěn)定巖塊已經(jīng)開始突破鎖固狀態(tài)滑動；c圖表明巖塊的松動范圍繼續(xù)向巖體內(nèi)部擴(kuò)展，部分巖塊滑落到公路上，在坡腳堆積；d圖為模擬邊坡最終的破壞結(jié)果，巖體產(chǎn)生滑移變形，大量滑落的巖塊堵塞公路，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

6 結(jié)束語

對比以上3種不同工況模擬分析結(jié)果可得出以下結(jié)論：邊坡的破壞方式為滑移式崩塌，滑塊主要沿巖層196°∠84°組結(jié)構(gòu)面下滑；地震條件下滑塊位移和運(yùn)動速度較大，且出現(xiàn)波動現(xiàn)象；在邊坡開挖初期，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，易產(chǎn)生崩塌災(zāi)害，但因其滑動面與水平面夾角大于山體邊坡坡角，故應(yīng)盡量減少開挖邊坡的坡腳，以免使邊坡失穩(wěn)。

[1] 胡厚田.崩塌分類的初步探討[J].鐵道學(xué)報(bào)，1985，4（4）：78-81.

[2]張倬元，王士天，王蘭生.工程地質(zhì)分析原理[M].2版.北京：地質(zhì)出版社，1994.

[3] 王大純，張大權(quán).水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：地質(zhì)出版社，1994.

[4] 陳洪凱，王蓉，唐虹梅.危巖研究現(xiàn)狀及趨勢綜述[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，12（4）：135-139.

[5] Priest S.D,J.A.Hudson.Discontinuity of Spacing in Rocks, Int.J.Rock Mech.Sci.And Geomech.Abstracts 1976,Vol.1.

P642.22

A

1004-5716(2015)04-0009-04

2014-04-13

2014-04-15

由西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目基金資助（項(xiàng)目編號：200431800003），所屬課題：新疆天山公路工程地質(zhì)病害研究。

徐海洋（1982-），男（漢族），河北赤城人，工程師，成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在讀博士研究生，研究方向：地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測與評價(jià)。