川西高原某鐵路巖質邊坡穩定性研究

吳宇欣，何治翼，李銘敏，連西妮

（柳州鐵道職業技術學院，廣西柳州 545616）

0 引言

隨著西部鐵路交通的逐漸發展，在鐵路的建設施工與運行過程中，會遇到各種各樣的工程地質問題，在四川西部高原地區，邊坡穩定性問題尤為突出。因此，邊坡穩定性研究對鐵路的安全施工和運行具有重要的意義[1]。

隨著巖石力學的迅速發展，為了了解和解決邊坡穩定性問題，國內外學者提出了不同巖石的力學應力張量與應變張量的關系、不同力學之間的相互轉化，并在邊坡的穩定性分析中廣泛應用，這使大量的邊坡穩定性的分析方法被研究出來，應用到實際情況分析之中[2]。

如今，巖質邊坡穩定性的分析方法主要為：定性分析法與定量分析法。定性分析法主要為赤平極射投影法，其通過分析切割巖體的結構面組合得出邊坡穩定性，根據地質學的理論，將層面、節理、斷層等分為各組，通過對結構面的組合關系與臨空面的切割來分析判斷邊坡的塌方滑移方向[3-4]。定量分析法主要為有限差分法，有限差分法主要考慮材料的非線性，將邊坡滑體的巖石間相互作用應力及其應變狀態納入考慮，能定量分析出邊坡的位移與內部應力，從而分析邊坡穩定性[5-6]。

1 邊坡穩定性分析

1.1 現場調查

研究區位于四川省西部，處于青藏高原東緣川滇南北向構造帶，地質條件復雜，易發生地震、滑坡、泥石流等地質災害，導致邊坡失穩。

通過對研究區的實地調查，如圖1 所示，此邊坡自然坡度35°～60°，中下部較緩，上部局部形成陡崖，隧道口位于北邊坡巖堆，坡體呈階梯狀，上部崩塌后緣比較陡立，下部為堆積體，整個崩塌體呈扇狀，且為塊石土。研究點1 巖體被層面和節理切割，發生楔形滑動；研究點2 節理發育，巖體有沿節理面順層滑動的可能；北坡面為碎石土，巖土體較為破碎，易沿滑面滑動；隧道洞口上方植被茂密，洞口右下方有大量大型落石堆積，堆積體存在潛在滑動的可能。

圖1 研究區現場調查圖

1.2 穩定性分析

根據現場測量結果，坡體結構面產狀分別為：層面產狀99°∠15°，節理J1產狀41°∠84°，節理J2 產狀330°∠80°，根據巴頓模型計算結果，層面以及兩組節理面的等效內摩擦角分別為：φ=44.18°、φ=47.32°、φ=47.54°。利用赤平極射投影可直觀得出層面、J1、J2 的相對空間分布，巖體結構面下半球赤平極射投影圖，如圖2 所示。

圖2 巖體穩定性分析圖（傾角單位：°）

基于赤平極射投影原理分析可知，巖質邊坡被三組主控結構面切割后，形成1、2、3 三個主要滑塌體，沿兩組結構面滑動的滑塌體12、13、23，以及無結構面支撐的墜落體G，如圖2 所示。

根據公式（1）（2）（3）得出：

式（1）～式（3）中：αi表示單滑面傾角（°）；γij表示雙滑面交線的傾角（°）；γi、γj表示雙滑面交線的法線與所相交的兩個滑面法線的夾角（°）。

可以計算出各滑塌體穩定性系數：KG=0，K1=3.63，K2=0.11，K3=0.19，K12=6.85，K13=3.24，K23=11.23，從赤平極射投影圖和各滑塌體穩定性系數分析可以得出：單滑面滑塌體1、2 的傾向與邊坡的傾向相反，單滑面滑塌體2 穩定系數雖然小于1，但依然處于穩定狀態；單滑面滑塌體3 的傾角大于坡面傾角，基本穩定；雙滑面滑塌體12、13 傾向與邊坡的傾向相反，穩定系數K 均大于1，因此為穩定結構；雙滑面滑塌體23 傾角大于坡面，處于穩定狀態。分析得出，在自然條件下，單滑面與雙滑面滑塌體在坡面方向未形成滑塌體，較為穩定，但坡面巖體因風化、卸荷脫離巖體的部分塊體存在滑落的風險。

2 有限差分數值模擬分析

通過無人機地形測繪，簡化合并相似地層，結合由等高線截選出的地面線，根據相關地勘資料來劃分巖層，可以繪制出該邊坡的坡面圖。

應用三維有限差分數值模擬軟件Flac 3D 對該坡面進行建模，可以用于三維狀態下對巖質邊坡、巖石等材料進行受力時的特征模擬與流動分析。對三維狀態下網絡單元的多角度調整，進行現實情況下結構的擬合。單元材料采用應力應變模型（線性或者非線性），當受到外界力的作用時，單元材料達到屈服條件產生破壞，三維網絡也會隨之產生大變形，得出位移數值。Flac 3D 軟件主要應用顯示Lagrange 計算法與混合離散區分手段，在材料不需要形成剛度矩陣的情況下，對于材料發生的各種破壞能非常快速且準確地進行模擬，因此Flac 3D 軟件不需較大內存就可以對大面積的邊坡問題進行三維下的模擬。

該剖面被分為碎石土堆積層、W3 強風化變質砂巖層、W2 弱風化變質砂巖層。坡高約700m，坡向283°39′25″。利用該剖面建立三維數值模擬模型（見圖3）。邊坡凌空面方向設定為X 方向，邊坡走向設定為Y 方向，邊坡高度方向設定為Z 方向。模型高度700m，長度800m，寬度70m。

圖3 模型示意圖

由圖4 自然狀態整體位移云圖可知：邊坡整體處于穩定，位移變形最大發生部位在碎石層，最大位移約為2.4cm。邊坡的穩定性主要與水平位移有關，邊坡最大水平位移處于坡體碎石層，位移值約為1.15cm，具有朝X 方向（臨空面）運動的趨勢，因為該處坡體巖土體較為破碎，巖體具有向臨空面滑移趨勢。這與赤平極射投影分析結果基本一致，該碎石層上部為陡立巖體，風化破壞較嚴重并且有落石滑落。故該處可能出現落石等地質災害，對該段鐵路施工與運行有一定影響。

圖4 自然狀態下位移云圖

由圖5 整體位移云圖可以得出：地震狀態下邊坡位移主要發生在碎石層部位及上部陡坎處，最大位移為59cm，比自然狀態下增大了56.6cm。地震狀態下邊坡位移區域和位移量明顯增大，尤其是邊坡表面碎石層和強風化層，其位移值比自然狀態下大一個量級，說明地震狀態下，該邊坡失穩破壞。

圖5 地震狀態下位移云圖

3 結論

通過對邊坡進行赤平極射投影定性分析，以及自然與地震情況下Flac 3D 數值模擬分析，得出以下結論：第一，通過赤平極射投影分析，在自然情況下，邊坡整體基本穩定，坡體表面有發生位移的趨勢，受到擾動表面巖體可能發生崩塌、滑移。第二，地震狀態下地震波一直處于震蕩，使坡體整體處于松弛狀態，坡面位移量較自然情況明顯增大，最大值為59cm，邊坡失穩破壞。