滑移式崩塌穩(wěn)定性分析

陳 莉

（廣東省水利水電第三工程局有限公司，廣東 東莞 523710）

0 引言

工程建設(shè)施工和完工運(yùn)行的過程中都經(jīng)常遇到崩塌，崩塌一般多發(fā)生于高陡斜坡，一旦墜落將造成不可估量的損失。目前，許多的專家學(xué)者對(duì)崩塌進(jìn)行了相應(yīng)的研究。賀凱等[1]認(rèn)為崩塌一般為突發(fā)產(chǎn)生的，現(xiàn)場難以獲取崩塌的變形破壞過程，因此使用室內(nèi)離心機(jī)試驗(yàn)研究崩塌的啟動(dòng)機(jī)制，模擬實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)崩塌失穩(wěn)破壞的全過程。王林峰等[2]通過應(yīng)力—溫度耦合分析巖塊穩(wěn)定性，研究表明，溫度對(duì)薄層巖塊穩(wěn)定性的影響較大，隨著溫度的升高，巖塊穩(wěn)定性變差，且穩(wěn)定性系數(shù)降低速率逐漸減小。黃達(dá)等[3]對(duì)上硬下軟巖層組合的邊坡進(jìn)行分析，考慮風(fēng)化作用對(duì)下部軟巖的軟化作用，導(dǎo)致崩塌的產(chǎn)生，使用離散元軟件對(duì)崩塌變形破壞進(jìn)行全過程模擬分析。陳洪凱等[4]通過能量原理和突變?cè)韺?duì)望霞危巖進(jìn)行力學(xué)分析，構(gòu)建計(jì)算模型，該崩塌為座滑破壞，破壞時(shí)間為2.3 s。許家美等[5]對(duì)三峽庫區(qū)崩塌進(jìn)行分析總結(jié)基礎(chǔ)上將崩塌分為滑移、墜落、傾倒三類，并提出相應(yīng)的治理方案措施。陳洪凱等[6]基于偏心拉伸模型對(duì)攔石墻的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，并用萬州一處崩塌作為驗(yàn)證，模型適用性較好。同時(shí)數(shù)值模擬也是研究崩塌穩(wěn)定性的一個(gè)重要手段[7～10]。

本文以實(shí)際工程中一處崩塌為例，研究崩塌的穩(wěn)定性情況，并提出相應(yīng)的治理措施。

1 崩塌變形監(jiān)測(cè)

崩塌多發(fā)生在邊坡較高位置，一般人員難以到達(dá)。三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用克服傳統(tǒng)崩塌調(diào)查過程中數(shù)據(jù)調(diào)查不全面的缺點(diǎn)，降低較高較陡的邊坡崩塌調(diào)查的危險(xiǎn)性。對(duì)掃描獲取的大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理可以得到崩塌的變形破壞特征并能進(jìn)行精確的分析，通過對(duì)治理前崩塌的三維激光掃描處理可以發(fā)現(xiàn)，在崩塌體與母巖接觸的位置崩容易產(chǎn)生較大的變形，該處共有三處崩塌，崩塌1、崩塌2為滑移式崩塌；崩塌3為傾倒式崩塌。崩塌體W2三維激光點(diǎn)云見圖1。

圖1 崩塌體W2三維激光點(diǎn)云

2 崩塌穩(wěn)定性分析

2.1 定性分析

W2崩塌形態(tài)及變形特征為危巖立面呈不規(guī)則多邊形，受兩組平行裂隙互相控制，且結(jié)構(gòu)面傾向與邊坡傾向相近，巖性為似斑狀花崗巖，巖石完整性較好。由圖2知，坡面產(chǎn)狀97°∠67°、裂隙L1112°∠83°、裂隙L2208°∠68°、Y1開挖后邊坡坡面產(chǎn)狀83°∠53°，該處崩塌主要受裂隙L1112°∠83°多組平行裂隙垂向應(yīng)力控制。單一裂隙情況下，崩塌處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在多組結(jié)構(gòu)面相互作用的情況下，崩塌體穩(wěn)定性降低。崩塌裂隙較發(fā)育，暴雨?duì)顟B(tài)下，裂隙水充分，故預(yù)測(cè)分析，在暴雨或地震等外部條件影響下，W2崩塌為欠穩(wěn)定或不穩(wěn)定狀態(tài)，易發(fā)生滑移式崩塌。

圖2 W2崩塌穩(wěn)定性赤平投影分析圖

2.2 定量分析

W2崩塌屬于滑移式，基于極限平衡法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算模型見圖3，計(jì)算公式如下。

圖3 滑移面為單一結(jié)構(gòu)面的計(jì)算模型

當(dāng)滑面完全貫通時(shí):F抗滑=（Gcosα-Q-Psinα）tanφ+cH/sinα；

當(dāng)滑面尚未完全貫通時(shí):F抗滑=（Gcosα-Q-Psinα）tanφ1+c1H/sinα。

崩塌分為三個(gè)工況進(jìn)行研究，工況Ⅰ為天然工況，工況Ⅱ?yàn)楸┯旯r，工況Ⅲ為地震工況，各工況參數(shù)取值見表1。極限平衡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果及評(píng)價(jià)見表2。由表2知，天然工況下，崩塌穩(wěn)定性系數(shù)為1.15，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；暴雨工況下崩塌穩(wěn)定性系數(shù)為1.12，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；地震工況下崩塌穩(wěn)定性系數(shù)為1.04，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

表1 W2崩塌三個(gè)工況下參數(shù)及取值一覽表

表2 W2崩塌極限平衡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果及評(píng)價(jià)表

3 數(shù)值模擬分析及治理措施研究

數(shù)值模擬方法可以較好模擬邊坡坡體內(nèi)部的應(yīng)力-應(yīng)變分布及其變形破壞特征，本文應(yīng)用FLAC3D軟件對(duì)其進(jìn)行模擬。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際工程地質(zhì)調(diào)查情況得到的W2崩塌的工程地質(zhì)剖面圖建立模型進(jìn)行數(shù)值模擬，主要模擬崩塌在天然情況下的變形破壞特征，重力加速度取9.8 m/s2。本次數(shù)值模擬的本構(gòu)模型為摩爾-庫倫模型，具體參數(shù)取值見表3。

表3 參數(shù)取值表

由圖 3（a）、圖 3（b）可知，崩塌體塑性變形較為明顯，在崩塌的臨空位置出現(xiàn)剪應(yīng)變速率和剪應(yīng)變?cè)隽康募小１戎車渌麉^(qū)域增大了1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。這說明危巖臨空位置存在潛在破壞結(jié)構(gòu)面。故對(duì)崩塌W2采取治理措施，措施為“清危+錨桿+復(fù)綠+坡頂截水溝”。

對(duì)崩塌W2采取一定的治理措施后，結(jié)果見圖3（c）。結(jié)果顯示崩塌并沒有出現(xiàn)剪應(yīng)變?cè)隽考械默F(xiàn)象，其最大值為治理前最大值的1/2～1/7。剪應(yīng)變?cè)隽康臏p小表明治理措施產(chǎn)生較好的效果，坡表崩塌在開挖之后，邊坡安全性得到提高。

圖3 崩塌W2數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

（1）以一處崩塌為研究對(duì)象，通過三維激光掃描技術(shù)獲取該處的地形地貌特征，經(jīng)過多期數(shù)據(jù)的疊加可獲取危巖變形破壞特征。

（2）以崩塌W2為例，采用赤平投影的方法對(duì)崩塌穩(wěn)定性進(jìn)行定性分析，認(rèn)為在地震或暴雨工況下該崩塌穩(wěn)定性較差，與極限平衡法計(jì)算所得的定量分析結(jié)果較為一致。

（3）通過FLAC3D對(duì)崩塌治理前后的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果表明:采取“清危+錨桿+復(fù)綠+坡頂截水溝”治理措施后，崩塌的變形破壞得到較好地控制，穩(wěn)定性得到明顯提升。