川黔鐵路K119裁縫巖滑坡形成機(jī)制與穩(wěn)定性分析

趙 彪 瞿拓宇 趙志剛

(1.中鐵二院重慶勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，重慶 400023；2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410075； 3.中鐵七局集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016)

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川黔鐵路K119裁縫巖滑坡形成機(jī)制與穩(wěn)定性分析

趙 彪1瞿拓宇2趙志剛3

(1.中鐵二院重慶勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，重慶 400023；2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410075； 3.中鐵七局集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016)

在勘察監(jiān)測(cè)川黔鐵路K119裁縫巖滑坡的基礎(chǔ)上，闡述了該滑坡的基本特征和形成機(jī)制，運(yùn)用Bishop法，計(jì)算了該邊坡的穩(wěn)定性，得到該邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，并采用FLAC3D軟件，對(duì)該邊坡的破壞機(jī)制進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明，采用Bishop法計(jì)算得到的邊坡破壞面與FLAC3D計(jì)算得到的初始失穩(wěn)區(qū)域的主滑動(dòng)面是一致的，該滑坡是以推移為主牽引為輔的復(fù)雜滑移機(jī)制滑坡。

滑坡，穩(wěn)定性，形成機(jī)制，數(shù)值模擬

0 引言

滑坡是一種常見(jiàn)的不良地質(zhì)現(xiàn)象，它的發(fā)生往往給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)巨大的危害。近年來(lái)，由于山區(qū)鐵路、公路及其他工程設(shè)施的興建，需要開(kāi)山動(dòng)土，滑坡的危害更加突出，造成的損失不斷增大[1，2]。滑坡的穩(wěn)定性及形成機(jī)制研究是滑坡災(zāi)害研究的核心難題[3]。本文分析的裁縫巖滑坡位于川黔線綦江區(qū)趕水鎮(zhèn)K119+120左側(cè)，目前溜坍體已覆蓋在鐵路路基上，鐵路線上方山頂處發(fā)生大范圍山體滑坡，破壞了線路和附近房屋。此次滑坡主軸長(zhǎng)約460 m，寬約90 m～100 m，整體呈長(zhǎng)條狀；滑坡后緣形成了寬約50 m，深約30 m，長(zhǎng)約250 m的弧形張拉裂縫；滑體上4戶房屋開(kāi)裂、倒塌，坡面出現(xiàn)密集的鼓脹開(kāi)裂，可見(jiàn)魚塘干涸，塘坎、地壩裂縫，樹(shù)木、電桿歪斜傾倒，前緣土體發(fā)生剪出，在滑坡前緣及左側(cè)邊界處發(fā)生局部小型滑塌，并擠壓滑坡體右側(cè)前部的居民區(qū)發(fā)生張裂變形。鑒于此，本文在勘察及監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上對(duì)滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，通過(guò)地質(zhì)測(cè)繪、鉆探、室內(nèi)試驗(yàn)、無(wú)人機(jī)航拍等相結(jié)合的綜合勘察方法，并利用區(qū)域資料、以往勘察成果資料，對(duì)滑坡的形成機(jī)制進(jìn)行分析，采用Geo_slope內(nèi)嵌的Bishop法[4]計(jì)算得到邊坡安全系數(shù)，同時(shí)采用FLAC3D軟件對(duì)滑坡形成過(guò)程和變形機(jī)制進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

1 滑坡區(qū)地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

裁縫巖滑坡位于四川盆地與黔北山區(qū)過(guò)渡地帶，區(qū)內(nèi)地貌的發(fā)育明顯受構(gòu)造和巖性的控制，在構(gòu)造侵蝕、剝蝕環(huán)境下形成了坪狀、參差狀低山及中、深丘地形。滑坡區(qū)附近最高山海拔約805 m，松坎河谷地帶海拔約293 m，相對(duì)高差約500 m。松坎河谷深切，與周圍相對(duì)高差達(dá)數(shù)百米的構(gòu)造侵蝕山地形成鮮明對(duì)照。

1.2 地層巖性

⑨-8砂巖(J2s)。呈灰、灰白色、細(xì)～中粒結(jié)構(gòu)，中厚層狀～巨厚層狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)。巖層強(qiáng)風(fēng)化帶厚約0 m～2 m，屬Ⅳ級(jí)軟石，D組填料；弱風(fēng)化帶屬Ⅳ級(jí)軟石，C組填料。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

測(cè)區(qū)位于新華夏系第三隆起帶與沉降帶間，屬四川沉降褶皺東緣，即川東褶帶與川鄂湘黔隆起褶帶西緣交接部位。裁縫巖滑坡位于該構(gòu)造區(qū)的官田寺背斜西翼，局部可歸為單斜構(gòu)造。巖層走向北東，傾向北西，走向N28°～49°E，傾角18°～21°NW，代表性產(chǎn)狀為N45°E/20°NW。普遍發(fā)育兩組構(gòu)造節(jié)理：第一組走向?yàn)榻媳毕颍?jié)理面多呈垂直，代表性產(chǎn)狀為S-N/90°，節(jié)理間距約1 m～3 m，開(kāi)度1 mm～5 mm，無(wú)充填，延伸長(zhǎng)度2 m～10 m；第二組走向N75°～80°E，傾角61°～77°SE，代表性產(chǎn)狀為N70°E/77°SE，節(jié)理間距約1 m～5 m，開(kāi)度1 mm～5 mm，無(wú)充填，延伸長(zhǎng)度2 m～15 m；結(jié)構(gòu)面赤平極射投影見(jiàn)圖1。

2 水文地質(zhì)條件

2.1 地表水

測(cè)區(qū)范圍內(nèi)地表水體主要為緊鄰線路右側(cè)松坎河，該河流的補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水，平時(shí)流量較小，暴雨時(shí)流量驟增，其流量動(dòng)態(tài)受季節(jié)影響大。坡面發(fā)育季節(jié)性流水沖溝，零星分布小型池塘。

2.2 地下水

根據(jù)地下水的賦存條件，測(cè)區(qū)地下水可分為第四系松散層孔隙水和基巖裂隙水。分述如下：

2)基巖裂隙水。該類地下水，主要受大氣降水和松散土層孔隙水補(bǔ)給，易沿巖層層間滲透徑流。受氣候影響變化明顯。

2.3 地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄條件

測(cè)區(qū)地下水主要由大氣降水及地表水補(bǔ)給。補(bǔ)給量的大小不僅取決于補(bǔ)給條件(季節(jié))，還與含水層的吸收能力、匯水面積、植被等密切相關(guān)。

測(cè)區(qū)大氣降水多以坡面流的形式直接排泄至斜坡凹槽并向地形低處排泄，僅少量水體通過(guò)土層孔隙與基巖孔隙、裂隙向下滲透運(yùn)移形成地下水，并以點(diǎn)滴狀、潮濕狀、浸潤(rùn)狀及井、泉形式排泄于地表，或沿坡腳的夾層砂巖滲出，形成地表水，并最終匯于綦河，水量受季節(jié)性控制明顯。

3 滑坡形成機(jī)制分析

3.1 水害情況

今年(2016年)入夏以來(lái)，綦江區(qū)趕水鎮(zhèn)6月27日，28日普降大暴雨，誘發(fā)了裁縫巖滑坡，滑坡于6月28日晚上7：30發(fā)生了明顯的滑移變形。滑坡主要分布于既有川黔鐵路雷吼洞隧道出口端頂部，K118+880～K119+200左320 m～右60 m范圍。

滑坡后緣形成了寬約50 m，深約30 m，長(zhǎng)約250 m的弧形張拉裂縫，滑坡壁為砂、泥巖巖壁(見(jiàn)圖2)；滑坡北緣靠山側(cè)已形成貫通的剪切裂縫，受滑坡向河谷位移分量影響，滑坡中部靠山側(cè)土體剪切裂縫存在張裂、錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象，導(dǎo)致4戶房屋開(kāi)裂坍塌，裂縫寬0.2 m～1.5 m，錯(cuò)臺(tái)高度1 m～3 m(見(jiàn)圖3，圖4)。滑坡前緣土體出現(xiàn)了坍塌，滑坡前緣靠河谷側(cè)扇形張裂縫發(fā)育。

該滑坡前緣及左側(cè)邊界臨空，為兩面臨空型滑坡，滑動(dòng)時(shí)滑動(dòng)方向會(huì)受到臨空面的影響。滑動(dòng)時(shí)滑坡前緣及左側(cè)臨空面土體被擠壓，從而有臨空面坍塌，導(dǎo)致隧道出口鐵路及道路被坍塌土體覆蓋(見(jiàn)圖5，圖6)。

3.2 滑坡規(guī)模及危害

該滑坡體整體呈長(zhǎng)舌狀，縱長(zhǎng)460 m，橫寬90 m～100 m，面積約4.5×104m2，厚度5.5 m～35.1 m，體積約100×104m3，為縱長(zhǎng)型中型滑坡，主滑方向約270°(見(jiàn)圖7)。

該滑坡一旦再次失穩(wěn)出現(xiàn)整體滑移，將直接威脅滑坡區(qū)左前緣居民24戶93人的生命財(cái)產(chǎn)安全。鐵路隧道出口滑坡體靠綦江河谷側(cè)滑體邊緣臨空面，坍塌物一旦順坡傾瀉而下，對(duì)隧道出口段鐵路運(yùn)營(yíng)安全影響極大。同時(shí)數(shù)十萬(wàn)立方米滑坡體傾瀉入松坎河，極易形成堰塞湖，危害難以估量。

3.3 滑坡形成機(jī)制

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及鉆探揭示，滑坡體前部主要為崩坡積物質(zhì)，堆積物主要由粉質(zhì)粘土及塊石構(gòu)成，厚5 m～20 m；滑坡體中后部主要由脫離母巖的巖體組成，巖性以泥巖為主，夾有砂巖。本次滑動(dòng)之前，該處已長(zhǎng)期多次出現(xiàn)小規(guī)模滑動(dòng)變形，并在后緣形成明顯拉張裂縫。

滑坡后緣拉張裂縫是在自然界長(zhǎng)期表生改造過(guò)程中，崖頂形成拉張應(yīng)力區(qū)，坡體在自重應(yīng)力長(zhǎng)期持續(xù)作用下，后緣拉裂向下發(fā)展，形成后緣拉裂段，它的形成加速了雨水滲入基巖裂縫，從而加大、加快了裂縫的變形。再由于滑坡前緣及左側(cè)高度臨空，連續(xù)的強(qiáng)降雨使滑坡前部崩坡積土體飽水，雨水持續(xù)通過(guò)貫通性極好的裂隙下滲軟化下部巖體；在持續(xù)的降雨作用下，滑坡前緣的崩坡積物質(zhì)出現(xiàn)滑移變形，前緣崩坡積物質(zhì)滑移不但造成了后緣斜坡臨空面加大，而且還產(chǎn)生了一定的牽引作用；滑坡后壁附近雨水集中的匯入使得基巖裂隙水壓持續(xù)增加，足量且持續(xù)的地下水對(duì)結(jié)構(gòu)面的軟化以及自重應(yīng)力和持續(xù)高裂隙水壓作用，使得滑坡中后部巖體發(fā)生了整體的下錯(cuò)滑移。在滑坡中后緣巖體的整體滑移產(chǎn)生的擠壓作用下，中后緣土體出現(xiàn)擠壓擴(kuò)離鼓脹，進(jìn)一步加劇了土體滑動(dòng)，導(dǎo)致整體失穩(wěn)下滑，形成滑坡。總體分析裁縫巖滑坡為土巖混合，以巖為主，推移為主牽引為輔的復(fù)雜滑移機(jī)制滑坡，從宏觀看，裁縫巖滑坡為高位基巖順層滑坡。

4 滑坡穩(wěn)定性分析與數(shù)值模擬

滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)是在確定了滑坡地質(zhì)模型和物理破壞模式以后，給出合理的力學(xué)概化模型，通過(guò)計(jì)算分析評(píng)價(jià)其穩(wěn)定狀態(tài)和可能的發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)前滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型方法大致可分為兩類：一類是基于極限平衡理論的剛體極限平衡法，另一類是數(shù)值分析法。本節(jié)采用以上兩類不同的方法分別對(duì)此次滑坡進(jìn)行計(jì)算分析，滑坡的地層概化剖面如圖8所示。

為確定該邊坡穩(wěn)定系數(shù)取值，本文先采用Geo_slope內(nèi)嵌的Bishop法對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，計(jì)算結(jié)果如圖9所示。經(jīng)過(guò)分析得到其穩(wěn)定性系數(shù)為0.997，且邊坡僅在上部較為陡峭部分發(fā)生失穩(wěn)滑動(dòng)，說(shuō)明該邊坡上部首先處于非穩(wěn)定狀態(tài)，而邊坡下部出現(xiàn)的失穩(wěn)是上部失穩(wěn)區(qū)域的推擠作用所造成的。

考慮到本依托工點(diǎn)滑坡巖土體的變形、破壞及運(yùn)動(dòng)過(guò)程，具有典型的漸進(jìn)性特征，是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)力學(xué)過(guò)程，為了更直觀的了解其變形破壞的整個(gè)過(guò)程,本節(jié)進(jìn)一步采用FLAC3D軟件對(duì)其破壞過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

按照工作機(jī)理，F(xiàn)LAC3D中包含3種類型的接觸面，即粘性接觸面、滑動(dòng)性粘結(jié)接觸面和庫(kù)侖滑移接觸面。按照實(shí)際中土石接觸情況，本節(jié)選取庫(kù)侖滑移接觸面，庫(kù)侖滑動(dòng)接觸面是一種只有完好和破壞兩種狀態(tài)的粘性接觸面。破壞發(fā)生時(shí)，接觸面單元的行為由內(nèi)摩擦角和粘聚力決定(也包含剛度參數(shù))，粘結(jié)強(qiáng)度在沒(méi)有設(shè)定時(shí)其值為0，破壞的粘結(jié)單元不能承受有效拉應(yīng)力。庫(kù)侖剪切強(qiáng)度的表達(dá)式如下：

Fsmax=cA+tanφ(Fn-pA)。

其中，F(xiàn)smax為接觸面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)所需要的切向力；c為沿接觸面的粘聚力；φ為接觸面表面內(nèi)摩擦角；A為接觸面節(jié)點(diǎn)代表面積；Fn為當(dāng)前時(shí)刻法向力矢量；當(dāng)命令“effective=off”時(shí)，p為0，否則p取孔隙水壓力值。本文暫不考慮水的作用，即p為0；本文采用的界面參數(shù)如表1所示。

表1 土石混合體界面強(qiáng)度參數(shù)

本文計(jì)算模型網(wǎng)格劃分采用四節(jié)點(diǎn)四面體單元，網(wǎng)格劃分生成的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為14 874，單元總數(shù)為7 035。計(jì)算模型左、右側(cè)面邊界采用水平約束；模型底面邊界采用水平、垂直全約束。因?yàn)檫吰麦w為土石混合體松散邊坡，計(jì)算過(guò)程中不考慮構(gòu)造應(yīng)力作用。

材料采用FLAC3D中內(nèi)嵌的應(yīng)變軟化模型[5]。滑坡巖土體的變形破壞過(guò)程中塑性區(qū)的漸變發(fā)展過(guò)程如圖10所示。

由圖10可知，在計(jì)算到第5 000步時(shí)，滑坡后緣巖體形成主滑動(dòng)面，出現(xiàn)滑移失穩(wěn)；當(dāng)計(jì)算到10 000步時(shí)，在主滑動(dòng)面的擠壓作用下，滑坡中前部巖體形成次級(jí)滑動(dòng)面。從以上分析可知，該滑坡的主要破壞模式為推移式，中前部巖體滑坡破壞模式為松脫式；滑坡后緣巖體由于天然節(jié)理的存在，優(yōu)先出現(xiàn)滑移失穩(wěn)，且后緣巖體滑坡是沿著天然節(jié)理面發(fā)生的，而滑坡中前部巖體由于自身穩(wěn)定性差，在受后緣巖質(zhì)部分滑移擠壓后無(wú)法提供足夠的抗滑力，進(jìn)而發(fā)生滑移失穩(wěn)。由圖9和圖10對(duì)比可知，在邊坡上部區(qū)域，采用Bishop法計(jì)算得到的邊坡破壞面與FLAC3D計(jì)算得到的初始失穩(wěn)區(qū)域的主滑動(dòng)面是一致的，該分析結(jié)果與此次滑坡成因相吻合。

5 結(jié)語(yǔ)

本文在勘察及監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上對(duì)滑坡形成機(jī)制及穩(wěn)定性進(jìn)行分析，采用Bishop法對(duì)邊坡安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)一步采用FLAC3D軟件對(duì)滑坡形成過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，針對(duì)滑動(dòng)面形成過(guò)程中塑性區(qū)的漸變發(fā)展過(guò)程進(jìn)行數(shù)值分析，得到了以下主要結(jié)論：

1)水害是導(dǎo)致裁縫巖滑坡形成的主要原因，足量且持續(xù)的地下水導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面軟化、自重應(yīng)力和裂隙水壓增大，加之天然節(jié)理的影響，使得滑坡中后部巖體發(fā)生整體下錯(cuò)滑移，引起滑坡發(fā)生。

2)裁縫巖滑坡為土巖混合，以巖為主，推移為主牽引為輔的復(fù)雜滑移機(jī)制滑坡，從宏觀看，裁縫巖滑坡為高位基巖順層滑坡。

3)采用Bishop法和FLAC3D數(shù)值模擬得到的分析結(jié)果是一致的，該滑坡后緣巖體滑移失穩(wěn)后形成主滑動(dòng)面，擠壓中前部巖體，導(dǎo)致次級(jí)滑動(dòng)面的形成。

[1] 黃潤(rùn)秋.20世紀(jì)以來(lái)中國(guó)的大型滑坡及其發(fā)生機(jī)制[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26(3)：433-454.

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Formation mechanism and stability analysis of the Caifengyan landslide in Chuan-Qian railway K119

Zhao Biao1Qu Tuoyu2Zhao Zhigang3

(1.CREEC(Chongqing)Survey, Design Research Co., Ltd, Chongqing 400023, China; 2.School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 3.China Railway Seven Engineering Group Co.， Ltd， Zhengzhou 450016， China)

Base on the investigation and detection for the tailor rock landslide in Chuan-Qian railway K119, the basic characteristics and formation mechanism of the landslide are described. The stability of the slope is evaluated by Bishop method and the safety factor is analyzed. The failure process of the slope is simulated and analyzed by using FLAC3Dsoftware. The results show that the sliding surface obtained by two different methods is the same. Furthermore, the mechanism of the landslide is complex and the pushing effect is main with the tractive action.

landslide, stability, formation mechanism, numerical simulation

1009-6825(2016)34-0067-03

2016-09-22

趙 彪(1981- )，男，碩士，工程師

TU457

A