基于Midas-GTS/NX的崖墓邊坡穩定性分析*

2021-01-26 01:41:54劉歲海吳明轅

化工礦物與加工 2021年1期

呂波，劉歲海，崔杰，廖軍，吳明轅

(西南科技大學環境與資源學院，四川綿陽 621000)

0 引言

崖墓邊坡是指自然邊坡經人為開鑿形成的具有墓室結構的邊坡體。崖墓邊坡與自然邊坡不同，自然邊坡主要考慮發生滑坡后對人類生命及個人財產造成的損失，而崖墓邊坡還需要考慮對崖墓的保護。因在崖墓邊坡內部及坡腳處開鑿了大量的墓穴，造成邊坡內部受力發生變化，坡腳不穩定，加之受長期猖獗的盜墓活動影響，崖墓邊坡隨時都有滑動和垮塌的危險。

四川省老池鄉墊子村月亮灣地層巖性為砂巖與紫紅色泥頁巖互層，地貌類型為侵蝕性淺丘斜坡地貌，巖石質地細軟，較易開鑿洞穴，故遺存有大量東漢時期的崖墓[1]。月亮灣崖墓群在自然和人為等因素的影響下，其所依附的地質和環境載體發生了變化。崖墓存在巖體松弛卸荷變形、帶狀風化、層狀剝落等多種地質病害，嚴重威脅著其穩定性和完整性。因此，對月亮灣崖墓群進行全面的危巖體加固及防風化處理，以延長珍貴歷史文物的保存期，已經刻不容緩。

1 工程區概況

1.1 區域地質條件

研究區位于四川盆地中部丘陵低山地區，地質構造較為簡單，海拔為300～600 m。研究區地理位置較為獨特，該地降雨時間及降雨量具有短時強降雨、降雨豐沛等特點。大量降雨是引發滑坡和崩塌等自然災害的重要外部因素。

月亮灣崖墓所在山體海拔高度為260～277 m，邊坡上植被茂密，崖墓群沿丘陵坡體在半山腰呈排狀分布。該崖墓群位于涪江右岸侵蝕性單斜構造中丘地貌岸坡陡崖中部，塊狀砂巖出露形成了大面積裸巖陡崖。陡崖呈反向坡，高度3～15 m，上下均為斜坡地貌。

月亮灣崖墓群開鑿于蓬萊鎮組巨厚層塊狀砂巖陡崖下部，陡壁走向呈北東向，整體南西高、北東底。陡崖頂后緣坡體局部有裸巖出露，第四系殘坡積層較發育，坡頂平臺為磚紅色亞黏土，灌木和草本科植物生長茂盛。崖下斜坡分布有各類崩積與殘坡積，部分出露有磚紅色中厚層夾薄層狀粉砂質泥巖、泥巖地層。崖下斜坡段局部發育有早期滑塌現象，坡腳平緩區域現為居民區。從地形上看，陡崖整體坡度為80°～85°，其前崩積斜坡坡度為25°～35°。崖墓群所在區域地形地貌如圖1所示。

圖1 月亮灣崖墓群所在區域地形地貌

1.2 地層巖性

根據地質測繪與露頭揭露情況，勘查區分布地層主要為第四系全新統坡殘積層、崩坡積層以及侏羅系地層。其中，第四系全新統坡殘積層為棕灰色、棕紅色，含80%的砂質黏土，20%的砂質泥巖碎石、角粒，碎石塊成分主要為中-微風化的砂巖、泥巖。從崖墓上方與下方揭露的地層可以看出，殘坡積層厚約0.5～2.0 m，植被生長較茂盛。崩坡積層為紫紅色、棕灰色，主要成分為碎屑砂巖、泥巖、同生鈣質礫巖碎塊石土夾粉質砂黏土，其物質成分不均，孔隙較發育；碎塊石質量分數為45%～75%，主要為中-微風化的厚層塊狀粉砂巖、泥巖，分布于基巖出露的邊坡下部。侏羅系蓬萊鎮組以中部灰黃色厚層狀砂巖(太和鎮砂巖)底為界分為上、下兩段：上段為灰白、紫紅色泥、鈣質長石細粉砂巖與紫紅色泥巖不等厚互層；下段底部為灰白色厚層塊狀細至中粗長石砂巖，厚約30 m，較穩定。

崖墓區主要出露蓬萊鎮組下段地層，主要為灰白色塊狀長石砂巖，底部見含屑粗粒長石砂巖，交錯層理、斜層理發育。塊狀砂巖下覆巖性為磚紅色中厚層狀泥質粉砂巖、泥巖。各巖土層物理力學參數見表1。

表1 巖土層物理力學參數

1.3 地質構造

研究區受區域地質構造與斜坡卸荷作用的影響，崖墓群所在陡壁的各類巖體節理裂隙發育，影響與控制著本區危巖體的發育特征、分布范圍、崩塌破壞模式。對本區地表出露的基巖露頭的地質調查表明，主要有4組主要裂隙，其中2組為構造裂隙并構成陡崖的主要走向，1組為卸荷裂隙，另有1組為層面裂隙，此外還有若干隨機裂隙分布。平行崖面和垂直崖面的2組節理裂隙構成的節理控制了陡崖的走向與展布。垂直崖面的裂隙走向為北西-北西西向，大多數為近直立，部分為南西傾向，傾角為83°～90°；裂隙貫通，延伸性強，張開2～5 cm，局部閉合，為區域剪性結構面，一般切穿整個陡崖，斜交或近垂直崖體，其間以黏土、碎石土或巖屑填充，頂部植物根系發育，該組結構面是崖體崩塌變形的側界控制性結構面。平行崖面的裂隙走向為北東-北東東向，大多為南東傾向，部分為北西傾向，傾角為78°～86°；裂隙貫通，延伸性強，張開1～5 cm，為區域剪性結構面，一般延伸較長，斜交或平行于崖體，其間以黏土、碎石土或巖屑填充，頂部植物根系發育，該組結構面是崖體崩塌變形的后側控制性結構面。以上2組垂向裂隙與巖層面、卸荷裂隙相互組合、切割破碎，在不同的臨空面可能以不同的崩塌方式發生破壞。

1.4 滑坡體特征

勘察資料顯示：滑坡體上部存在較寬敞的平臺，以平臺處作為滑坡體的后緣邊界；滑坡體兩側各形成一較小沖溝，以此作為滑坡體的兩側邊界；坡體前緣以堆積物到達位置作為滑坡體的前緣。坡體垂向結構面發育，相互貫通，其中與坡向近垂直的豎向結構面張開明顯，是危巖體變形破壞的側向邊界。裂隙產狀為NE35°/SE∠70°，張開1～3 cm，延伸約7～10 m，屬于張性卸荷裂隙；層面裂隙發育，產狀為NW70°∠5°，邊坡上的崖墓直接受其威脅。

根據上述資料初步判斷滑動面位于強風化砂巖中，滑坡體后緣高程258 m，前緣高程230 m；縱向長度35 m，橫向寬12 m，平面呈長舌型；主滑方向135°，平均坡度31°，平均面積約525 m2；滑體厚2～6 m，總體積為3 150 m3，屬于小型巖質滑坡，處于欠穩定狀態。

2 邊坡穩定性分析

2.1 Midas-GTS/NX簡介

Midas-GTS/NX是邁達斯技術有限公司在Midas-GTS的基礎上增加了分析功能和計算能力的新一代巖土數值分析軟件，其不僅具備強大的幾何建模、網格劃分、圖形處理等功能，還能同時計算各種工況的變形和內力。

2.2 有限元強度折減法基本原理

有限元強度折減法(SRM)[2]的基本原理可表示為：

C1=C/F，

(1)

φ1= arctanφ/F。

(2)

將得到的C1和φ1用于試算，直至不收斂，此時可認為巖土體發生了破壞，對應的最大強度折減系數便為邊坡的最小穩定系數。強度折減系數F的初始取值應足夠小，以保證初始計算為近似彈性問題。然后根據計算結果，不斷加大F的取值，使得折減后的抗剪強度物理力學參數逐漸減小，直至某折減抗剪強度下邊坡發生剪切失穩。有限元強度折減法無需事先判別滑動的形狀及貫通區域，計算快捷，因此該方法在邊坡穩定性分析中應用廣泛。

2.3 計算模型

因研究區邊坡巖層結構較為簡單，故根據實際的滑坡坡面形態、巖層結構及物理力學特性選擇最危險滑動剖面作為研究對象(見圖2)。應用Midas-GTS/NX中的強度折減法計算滑坡應力、應變和位移量，通過分析應力云圖、位移量云圖、塑性區分布可得到最小穩定系數及潛在滑動面[3-4]。

數值分析方法可以模擬邊坡在失穩過程中的應力和變形，但是在計算過程中選用不同的本構模型結果會有所不同[5]。本次建模采用摩爾-庫倫本構模型，網格劃分采用四邊形，在易滑帶附近對網格進行檢查并適當加密，以保證劃分的網格之間的耦合性；模型共有3 089個節點、2 987個單元、9 267個自由度(見圖3)。模型長(X方向)40 m，高(Y方向)32 m。模型模擬的巖層主要有：殘坡積層、強風化砂巖層、中風化砂巖層、泥質粉砂巖層、崩坡積層。根據各巖土層物理力學參數，對計算模型的各層賦予材料屬性及重力作用。模型的X、Y方向是人為規定的邊界，故對X、Y方向采用法向固定邊界，并向X軸施加地震加速度以模擬地震工況。

圖2 滑坡剖面

圖3 模型網格劃分

2.4 不同工況下計算結果分析

2.4.1 天然工況

將計算模型代入求解器進行計算，僅考慮自重作用，用強度折減法計算得到的邊坡穩定系數為1.162 5，可知邊坡在天然工況下處于穩定狀態。邊坡沿X方向位移量集中在坡腳位置，主要以邊坡覆蓋層的位移量為主，邊坡內部位移量為0(見圖4)；沿Y方向位移量約為0.24 m，最大的位移量仍然出現在覆蓋層處(見圖5)。天然工況下邊坡未出現明顯的剪應變集中區(見圖6)。結合邊坡塑性狀態可知塑性區并未貫通邊坡體，在天然工況下處于穩定狀態(見圖7)。

圖4 天然工況下X方向位移量云圖

圖5 天然工況下Y方向位移量云圖

圖7 天然工況下邊坡塑性狀態

2.4.2 暴雨工況

為便于計算分析暴雨工況下的邊坡穩定性，在Midas-GTS/NX中分階段對原始滲流場和施加降雨條件的工況分別進行模擬，模型設定的降雨后邊坡坡面水流動方向要符合水體流動規律。經計算，暴雨工況下邊坡的穩定系數為1.036 3，邊坡已經處于欠穩定狀態。邊坡在暴雨條件下巖體的飽和度在不同的時程呈現相似的規律(見圖8、圖9)，巖體在第四時程達到完全飽和狀態。暴雨條件下邊坡X、Y方向的位移量在第一至第六時程變化較大，第六至第七時程變化較小(見圖10-圖13)。暴雨條件下巖體的塑性狀態在第一時程開始逐漸擴展到全塑性狀態，到第六時程時呈現出全塑性狀態(見圖14)。由最大剪應力云圖(見圖15)可以看出，在崖墓后部存在應力集中現象，與現場勘察的崖墓后部裂隙發育、巖體破碎的情況相吻合。

圖8 第一時程巖體飽和度云圖

圖9 第四時程巖體飽和度云圖

圖10 暴雨工況下X方向第六時程位移量云圖

圖11 暴雨工況下X方向第七時程位移量云圖

圖12 暴雨工況下Y方向第六時程位移量云圖

圖13 暴雨工況下Y方向第七時程位移量云圖

圖14 暴雨工況下第六時程巖土體塑性狀態分布

圖15 暴雨工況下最大剪應力云圖

2.4.3 地震工況

地震工況模擬方法有反應普法和時程分析法，本文采用時程分析法中的非線性時程即步步積分法，以充分揭示邊坡內的受力情況和每一時刻的地震反應[6-8]。為模擬地震波對邊坡影響的全過程，在邊坡底部施加一剛性基座(見圖16)，以防邊坡塌陷而終止計算。經計算，地震工況下邊坡的穩定系數為0.891 0，處于不穩定狀態。隨著地震波的施加，邊坡巖體位移量與剪應力也逐漸增大(見圖17-圖21)。

圖16 施加剛性基座的邊坡模型

圖18 地震工況下X方向最大位移量云圖

圖19 地震工況下Y方向最小位移量云圖

圖20 地震工況下Y方向最大位移量云圖

圖21 地震工況下最大計算時程剪應力云圖

2.4.4 計算結果評價標準

根據DZ/T 0218-2006《滑坡防治工程勘查規范》，滑坡穩定性狀態按穩定系數劃分為四級，見表2(FS為滑坡穩定系數)。

表2 滑坡穩定狀態劃分

3 加固措施分析

3.1 預應力錨索加固及排水措施

邊坡采用預應力錨索加固，錨索采用直徑為28 mm的HRB335螺紋精軋鋼筋制作，其錨固段應穿過邊坡潛在裂面并深入穩定巖層，錨入穩定巖體長度不小于3 m。鉆孔孔徑100 mm，錨固段長3 m，傾角下傾15°，錨索長15 m，單根錨桿錨固力設計值為220 kN。1∶1水泥砂漿，其強度不低于30 MPa，注漿壓力為0.35～0.48 MPa。錨頭部分進行復舊處理，達到自然、和諧、統一的效果。設計錨索間排距為3.0 m，共布設加強錨索8根，裂隙總注漿量1.2 m3。

對邊坡上部覆蓋層掛網防護，邊坡周圍做環形截水溝。邊坡下部沿坡腳5 m外做排水溝，排水溝與截水溝連通。

3.2 預應力錨索加固后的邊坡穩定性分析

3.2.1 暴雨工況

由于天然狀態下邊坡處于穩定狀態，故不再進行驗算。暴雨工況下的邊坡在未施加預應力錨索時的穩定系數為1.036 3，施加預應力錨索后的穩定系數為1.175 0，預應力錨索加固使暴雨工況下的邊坡由欠穩定狀態轉為穩定狀態。

邊坡在預應力錨索加固后96.9%的巖體處于無位移狀態，而加固前僅有53.3%巖體處于無位移狀態(見圖22、圖23)，同時邊坡內剪應力有減小趨勢(見圖24、圖25)。邊坡在預應力錨索加固后，等效應力重新分布，最大等效應力有遠離墓室的趨勢，最大等效應力位置為最危險位置即滑動帶位置(見圖26、圖27)，由此表明預應力錨索自身的變形能力能很好地適應邊坡內部力學環境，不會因為應力的集中或改變而發生脆斷[9-10]。