岢臨高速公路沿線黃土滑坡的穩定性分析

宋 飛

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

0 引言

近年來，我國中西部高速公路建設快速發展[1]，而該地區地質條件十分復雜，在山區和丘陵區進行高速公路的施工建設，往往因挖填方而造成邊坡的失穩破壞。因此，邊坡穩定性問題成為該類區域公路建設的主要工程地質問題之一。在施工過程中，常常因為對地質環境條件和地質災害的重視程度不足，引起古滑坡復活或者部分復活[2]，形成滑坡災害，為人類生命財產安全造成損失。

目前，對于高速公路沿線滑坡的研究多重視滑坡本身的穩定性與防治工作[3-4]，往往忽略其工程效應方面的分析。實際上，滑坡的存在與高速公路的建設相互影響，高速公路的建設因挖填方而對滑坡產生卸載、加載、壓腳等作用[5]，從而對滑坡產生有利或不利的影響。不同的建設措施或工程效應（例如將公路布設在滑坡的不同位置或者適當調整挖填方的高程）對滑坡的穩定性影響會產生極大的差異，而滑坡的穩定狀態又反過來影響公路的建設安全及施工的經濟效益。因此在高速公路的建設中，選取合適的建設位置對于滑坡的穩定及工程經濟效益有著重要的意義。

本文選取岢臨高速段具有代表性的某黃土滑坡作為研究對象，運用Geo-studio軟件中的SLOPE/W和SIGMA/W兩個模塊，針對該黃土滑坡進行了一系列（適當的調整高速公路線路的高程及其所在某滑坡坡體的位置）二維數值模擬，綜合分析公路建設對古滑坡穩定性的影響及經濟效益，從理論上解決該類工程問題。

1 岢-臨高速公路沿線滑坡特征

岢（嵐）-臨（縣）高速公路全長125 km，是山西省高速公路網規劃“三縱十二橫十二環”中西縱高速公路的一段，也是國家G59呼北高速的重要組成部分。該公路沿線溝谷縱橫、山巒起伏、地形復雜，沿途約有滑坡55處，其中滑坡群7處，包括東豹峪溝滑坡群、范家溝滑坡群、土貞滑坡群、臺子梁滑坡群、花子村滑坡帶、弓家溝滑坡帶和張家灣滑坡群，呈現區域分布密集的特征，且同一區域的滑坡在其規模或平面形態上都具有相似性。例如花子村滑坡群，其滑坡后壁普遍高陡、滑坡前緣均受河流沖蝕、兩側沖溝發育等，各滑坡多處于穩定或基本穩定狀態，開挖、降雨或者人類工程活動都可能加劇滑坡的變形失穩。此外，沿線的單體滑坡均表現出規模大、穩定性差、巖土結構復雜等特征，易受人類工程活動的影響。

由此可見，本段高速公路的建設與運行難度大大增加，研究其沿線滑坡特征及其工程效應對解決上述工程難題十分必要。

2 某古滑坡

由于研究區的黃土滑坡在地形地貌、巖土組合特征、誘發因素等方面具有相似性，故筆者選取具有代表性的某古滑坡為例進行研究，在調查其工程地質條件的基礎上，建立了一系列模型進行數值模擬，以期選出最優的公路布設位置，為公路沿線各黃土滑坡提供理論參考。

2.1 滑坡總體特征

某古滑坡位于興縣康寧鎮，總體呈南北向展布，地形起伏不平（圖1）?；乱幠］^大，滑面形式為圓弧形（圖2），后緣因拉裂下滑而形成高陡邊坡，側緣可見沖溝、落水洞等。

圖1 某古滑坡平面圖

圖2 某古滑坡剖面圖

2.2 滑坡工程地質條件

2.2.1 地形地貌及地質概況

花子村2號滑坡所在區域的新構造運動主要表現為差異性升降、第三紀以來的間歇性上升，境內保留有大致等高的山梁或黃土殘塬、黃土梁構成的三級夷平面，沿線河谷區發育著I—Ⅲ級階地?；聟^所處地貌單元為剝蝕、侵蝕的黃土丘陵溝壑區，地勢起伏，地面標高1 133.57～1 241.2 m，相對高差達到107.64 m?；碌貙又饕傻谒南灯路e或風積成因的黃土狀粉土（Q3eol）、第三系紅黏土（N2）及三疊系二馬營組砂巖（T2er），且巖層產狀近于水平。具體見圖2。

2.2.2 人類社會經濟活動

滑坡區主要的人類活動為農業生產及公路建設。農業生產活動雖然改變了滑坡體表面形態及坡面截排水系統，對其滑坡體的穩定性有一定的影響，但不至于使其產生破壞變形。高速公路建設中人工開挖、爆破振動、局部加載減載使滑坡體的平衡狀態受到了破壞,在很大程度上影響著滑坡的穩定。

3 工程效應分析

3.1 物理模型的建立

Geo-studio的每個模塊由DEFINE、SOLVE和CONTOUR三部分組成。對問題的定義即建立模型在DEFINE中進行。主要分為如下幾步：

a）設置工作區域、比例尺、坐標軸及繪制模型邊界；

b）生成有限元區域、定義材料屬性；

c）給有限元區域賦予材料并進行網格剖分；

d）定義邊界條件；

e）模型檢驗。

為了研究某古滑坡的工程效應，結合其工程地質條件建立一系列二維模型（圖3），其中開挖部分的位置為不確定部分，按照同一高程但水平位置相隔8 m進行開挖或填方筑路建立4個模型（圖3a）；又按同一位置高程相差4 m筑路建立4個模型（圖3b）。分別分析其邊坡穩定性及工程量。

圖3 古滑坡二維模型

3.2 計算參數

根據該滑坡的地質勘察資料，結合室內試驗及相關規范得到各層巖土體物理力學參數（表1）。

表1 各巖土體物理力學參數

3.3 數值模擬

首先在SLOPE/W模塊中模擬古滑坡的穩定性，發現古滑坡在處理之前最危險滑面的穩定系數為1.276，處于穩定狀態。然后導入SIGMA/W模塊對其進行應力應變分析（圖4），得到結果：整個古滑帶部分的最大剪應變區域是貫通的，但其值很小，坡體仍處于基本穩定狀態。

圖4 開挖筑路前古滑坡剪應變圖

將圖3一系列模型同樣導入SLOPE/W、SIGMA/W模塊進行模擬，得到結果：公路經過同一滑坡體時，建設在不同的位置（圖6）或者不同的高程（圖7）對古滑坡的穩定狀態均有不同程度的影響，甚至會改變不穩定地質體的位置；而古滑坡狀態的改變又會反過來影響公路線路的選擇。

從對古滑坡的穩定性影響方面分析：建設高程確定之后，對坡體不同位置進行開挖（圖6），從圖5可以看出開挖對古滑坡整體的影響不大，古滑坡滑帶穩定系數基本保持不變，但開挖產生新的邊坡，可能導致古滑坡局部復活，圖6a、6b、6c中開挖部分以上至古滑坡后緣的坡體發生牽引式變形，最危險滑移面從開挖底部向上蔓延至坡頂，其穩定系數也降低，古滑坡局部復活，而圖6d因開挖位置較平坦，挖方量小且少量填方對坡體產生壓腳作用，穩定系數較高，開挖后坡體仍處于基本穩定狀態。改變建設高程后（圖5），圖7e、7f中因開挖部分距古滑帶位置較近，挖方量大，新邊坡以上滑坡復活；圖7g、7h中開挖部分距滑帶位置較遠，挖方量小，對古滑坡的影響很小，坡體依然處于穩定或基本穩定狀態。

從工程量方面分析，高程確定之后，挖方量越大意味著挖方位置距滑坡后緣越近（圖6），則產生的新邊坡也就越陡，越容易導致古滑坡的局部復活；若確定了建設位置，則高程的改變引起工程量的改變，挖方量越大意味著開挖部分距古滑帶的位置越近，雖有利于古滑坡的整體穩定，但產生的新的陡坡使開挖部分以上坡體復活。因此，需要在保證坡體基本穩定的前提下，選取工程量較少的位置進行筑路。

圖5 公路建設前后滑坡穩定系數及工程量與建設位置的關系

綜合考慮古滑坡的穩定性及工程量兩方面，建議將該高速公路建設在離滑帶位置較遠且較平坦的位置（圖6d或圖7g、7h）。

4 公路沿線滑坡的防治措施分析

圖6 同一高程不同建設位置古滑坡剪應變對比圖

圖7 同一位置不同建設高程古滑坡剪應變對比圖

a）公路線路布設階段 應查清沿線滑坡的規模、穩定狀態及其發展趨勢，并研究其可能對公路建設造成的危害；避免在抗滑段進行挖方，且挖方部分應距古滑帶越遠越好；避免深大挖方產生新的高陡邊坡引起古滑坡的局部復活；適當的調整公路在坡體上的位置可能大大減少對滑坡的擾動；若無法避免誘發滑坡的發生，應采取相應的工程措施。

b）公路建設施工階段 由于古滑坡的滑帶和坡體土質特殊，在施工時應盡量減少施工設施和用料等堆載在坡體上增加下滑力；松散坡體不宜直接作為路基，應先對其進行清除處理，再用灰土等封水材料回填處理至設計標高；開挖過程中應邊支擋邊開挖，以免因坡體土質松散而使開挖部分以上坡體發生失穩破壞；另外，暴雨極易誘發黃土滑坡，故應將截水溝設置在滑坡周界，滑坡體坡面設置排水溝，最大程度上避免由于地表水下滲而降低坡體的穩定性。

c）公路運行階段 應進行監測預報工作，做好防護設施的保養與維修工作，避免因防治措施失效而導致災害的發展。

5 結論

a）調查了岢-臨高速段具有代表性的某古滑坡的工程地質條件及滑坡的基本特征，分析了對古滑坡穩定的有利和不利因素。

b）根據模擬結果，為本段公路布設提出建議，并結合對黃土滑坡的工程效應分析，探討了高速公路沿線黃土滑坡的防治措施?？蔀轭愃乒こ探ㄔO及滑坡防治提供參考依據。