某山区公路滑坡分析及治理策略分析

汪军辉,丁 晨,陈进举

( 1.杭州市规划和自然资源局 临安分局，浙江 杭州 311300；2.核工业西南勘察设计研究院有限公司 杭州分院，浙江 杭州 310013;3.成都理工大学，四川 成都 610059)

高速公路作为现代化公路运输通道，对地区社会经济的发展有着重要作用。我国地域辽阔，广泛分布着山地、丘陵地带，特殊的地形地貌极易发生滑坡等地质灾害，对公路的建设和运营造成严重的影响[1-3]。因此开展对山区公路的滑坡分析，并提出有效的防治策略显得尤为重要。国内外相关学者从不同的学科角度针对山区公路滑坡进行了多维度的研究，其中基于土力学和地质学角度的公路滑坡稳定性成为研究的重点和热点[4-6]。目前比较成熟的方法分为两类：一种是从静力学角度出发，以滑坡应力状态、形成条件、滑带土特性作为变量进行山区公路的现场勘测和防治工作[7-8]，但该方式未考虑到滑带土粘聚力、内摩擦角以及工程活动的影响，导致取值存在较大不确定性[9]；另一种是综合运用数值模拟、极限平衡法实现对滑坡的定量分析[10-11]。比较成熟的有限元分析法、边界单元法、不连续变形分析方法等，实现了对滑坡几何不规则和物质组成不均匀的精度分析，但该类方法严格来讲还未实现完全定量分析[12-14]。

本文在相关研究的基础上，以某一工程实例为对象，在对山区高速公路地质状况、结构参数现场采集的基础上，结合传递系数法和FLAC 3D数值模拟进行隧道滑坡的稳定性分析，通过建立山区高速的滑坡有限元模型，计算滑坡稳定系数来确定公路稳定状态，并提出合理的滑坡治理策略。

1 滑坡工程地质概况

1.1 工程背景

平镇高速起于陕西平利县东侧冲河口，终点位于陕渝交界的鸡心岭隧道，由主线和广佛立交连接线组成，途径平利县、广佛镇、曾家镇、钟宝镇等，全长85.29 km，是陕西省高速公路网络的主要组成部分。

高速公路设计带位于长江汉江流域，主要流经水系为汉江的支流。公路处于典型疾风气候区域，冬季平均气温5 ℃，降水量18 mm，夏季平均气温28 ℃，平均降水量200 mm。研究区位于安康秦岭大巴山北麓，海拔在400～3 000 m之间，境内以中、低山为主，整体呈现出南高北低地势特点。受地层岩性和地质构造控制，岭脊多北西走向。线路设计带出露地层以元古界、古生界变质地层为主，在各级水系两侧山体滑坡分布着部分新生界地层。公路设计段附近主要为辉绿岩、辉长岩，存在少量侵入岩。由于地形地貌、岩性的差异，地下水分布不均，在河谷地带及构造裂隙发育段，存在较为丰富的地下水，在裂隙较少层状基岩区，地下水贫乏。

1.2 滑坡基本特征

根据资料记载，结合工程现状，在K10+400～K10+900西侧存在一个典型的古滑坡。滑坡带位于秋河东侧，属中低山地貌，两侧岩石耸立，中间低洼，构成“U”型沟槽状地貌。滑坡整体呈现一扇形，前缘高程为555～560 m，宽280 m，高程差约87～90 m，主缘长320 m。后缘高程为642～650 m，整体坡度约20°，存在局部滑体薄弱，岩石出露现象，如图1所示为滑坡断面几何结构图。

图1 滑坡断面几何结构图

表1 断面条分参数表Table 1 Parameters for broken noodles上断面条块编号滑面倾角/(°)滑面长度/m下断面条块编号滑面倾角/(°)滑面长度/m147.28.8131.28.6228.611.7230.922.5316.824.8326.52.648.67.6426.55.258.617.4526.523.268.617.4624.29.878.812.5716.22.5810.85.8816.220.4910.89.5916.28.21015.86.61111.412.21211.410.8

根据滑坡剖面主滑动面形状特征，判定滑坡主要为第四系地层沿下伏基岩的界面滑动。滑坡体主要以粉质粘土、碎石土物质为主。粉质粘土披覆在滑坡表层，厚度约1～3 m，滑坡内分布广泛的碎石土层，结构致密，充填粉质粘土。滑体最大厚度4～6 m，体积约2.6×105m3。滑带以黄褐色粉质粘土为主，夹杂褐色碎石土，软塑-可塑状。滑床部分为中元古界郧西群石英片岩，强-中风化灰色，结晶粒度较纯，可见云母、绿泥石等矿物。

2 滑坡稳定性计算

2.1 稳定性评价

传递系数法主要用于工民建、交通部门的滑坡稳定性计算中，适用于任意形状的滑裂面[15]。根据力的平衡条件，假设条间力与上一块地面平行，逐条计算直到最后条块推力为零。本文中研究的典型滑坡为折线图，取单位宽度的主滑方向断面进行分条处理，在不考虑块体间内部应力和变形条件下，假设条块为刚体，建立块体间稳定系数公式为：

(1)

式中：Fs为安全系数；wi为第i块滑体重力，kN/m；Ri为第i块段的抗滑力，kN/m；Ti为滑动分力，kN/m；Fi为第i块段地震作用力，kN/m；ψi为摩擦角函数。

若计算某条块滑坡推力为负值，则表明条块稳定，计算滑坡推力为：

Ei=kwisinαi+ψiEi-1wicosαi-ciLi

(2)

式中：Ei、Ei-1分别为第i块、第i-1块的剩余下滑力；k为安全系数，计算滑坡推力时常取安全系数k=1.25。

各条块重度根据钻孔实验成果取加权平均值。经过现场试块称重、工程经验确定天然状态下粉质黏土容重γ=18.2～19.9 kN/m3、碎石土容重γ=19.5～20.1 kN/m3；饱和状态下的粉质黏土容重γ=18.7～20.6 kN/m3、碎石土容重γ=19.8～21.2 kN/m3。由条块容重加权后的天然容重19.7 kN/m3，饱和容重20.2 kN/m3。

2.2 稳定系数计算结果

考虑滑坡体处于临界状态，天然状态下的稳定系数按照1.05～1.10选取，饱和状态稳定系数按照0.99～1.02选取。

经过计算，确定该滑坡不同状态下的取值如表2所示。

表2 滑坡断面稳定性计算Table 2 Stability calculation of landslide section位置条块号天然状态饱和状态流体重量/(kN·m-1)下滑力/(kN·m-1)稳定系数滑坡推力/(kN·m-1)流体重量/(kN·m-1)下滑力/(kN·m-1)稳定系数滑坡推力/(kN·m-1)1278.60203.460.745103288.40210.920.70111621 241.21594.280.8583021 286.42616.240.82234033 567.321 030.270.7249053 741.461 066.210.6711 0294891.52131.780.769867922.88136.410.7111 007上断面51 629.81240.900.8548091 687.14249.380.78498761 995.97295.020.9187762 066.18305.400.83999671 777.07268.800.9507821 839.58278.260.8671 0368624.86116.021.016640646.84120.100.9328999288.5553.571.066512298.7055.460.9807781309.54159.891.36118317.24163.871.0992521 304.49669.911.221241 336.94686.570.9692393138.6961.451.23711142.1462.980.9822374257.28113.991.26515263.68116.831.00424751 300.20576.081.0772671 333.20590.701.050319下断面6925.90379.550.992493949.40389.180.9485927240.3466.250.991495246.4467.930.94360582 060.62567.980.9856582 112.92582.400.9098699805.73222.090.984720826.18227.730.90097110626.46170.570.984764642.36174.900.8951 046111 197.76238.791.0147251 228.16244.860.9131 06312462.9592.301.045649474.7094.640.8701 244

根据式(1)和式(2)计算两种状态下的滑坡稳定性和滑坡推力。天然状态下滑坡的稳定系数在1.045～1.066时表示滑坡处于基本稳定状态，最终剩余下滑力为512～649 kN/m。饱和状态下的稳定系数取值在0.87～0.98间，表示滑坡处于不稳定状态。在稳定性安全系数为1.25时的滑坡推力为778～1 244 kN/m。

3 FLAC 3D模拟分析

3.1 滑坡几何模型

根据滑坡区域地质条件，地面线形态、滑形态，岩体差异，建立滑面的几何结构模型。首先利用CAD软件建立平面模型，其中模型X轴向长293 m，Y轴向高118 m，坡脚高程15.1 m。将模型导入到ANSYS中进行单元网格划分和分析计算，由岩土特征采用弹塑性模型，根据位移边界条件，在模型X向和Y向施加位移约束，上边界为自由端面，如图2为建立的滑坡有限元模型结构。

图2 滑坡模型网格划分

本研究中选取两种工况对滑坡整体模拟，其中工况1：天然状态下的自重条件；工况2：饱和状态下自重+暴雨。其中对暴雨情况下的模型全部概化为土体饱和状态计算，表3中给出模型计算的详细参数。

3.2 模拟结果分析

采用FISH语言编制强度折线系数，获得滑坡安全系数为1.06。通过FLAC 3D软件得到折线系数为1.06下模型的位移云图和应变如图3所示。天然状态下，位于滑坡表层的粉质黏土对位移的影响作用最大，表层碎石土和粉质黏土出现了明显的滑动。由剪应变增量云图可以看出，滑坡表层处于临界贯通状态，表现出失稳趋势，剪应变率在上下两层出现一个较大应变带，第一层埋深较浅，形成明显的滑动带，而第二层埋深较深，并未观察到露出，未形成贯通，因此第二层作为潜在滑动带。

表3 模型计算参数Table 3 Calculation parameters for model岩性弹性模量/MPa剪切模量/MPa体积模量/MPa泊松比内摩擦角/(°)粘聚力/kPa密度/(kg·m-3)天然饱和天然饱和天然饱和滑坡堆积体5.4×1041.68×1044.5×1040.3027.821.29.88.81.782.04

(a) 合位移云图

根据强度折线系数获得饱和状态下的滑坡安全系数设为0.92。图4为安全系数0.92时，饱和状态下(自重+暴雨)滑坡模型的位移云图和应变云图。饱和状态下，滑坡表层碎石土和粉质黏土的位移水平数量级达到十米级。表层碎石土和粉质黏土出现了明显的滑动。暴雨作用下，滑坡变形更大，稳定性更强。通过剪应变增量云图可以看出，滑坡表层和中下部处于临界贯通区，由于覆土范围原因，云图颜色并不显著，左侧数值范围较大，表明结构出现失稳。

(a) 合位移云图

3.3 算法的结果比较

从上述传递系数法以及基于FLAC法计算获得的滑坡状态可以看出，采用传递系数法计算获得的天然状态下平均稳定系数为1.055，通过FLAC 3D模拟获得的滑坡稳定系数为1.06。饱和状态下，传递系数法获得的滑坡平均稳定系数为0.895，FLAC 3D计算得到的滑坡稳定系数为0.92，如表4所示。比较可以看出，两种算法获得的滑坡稳定系数基本一致，误差较小，因此，可通过两种方法的相互验证来提高计算结果精度。传递系数法更多的是手动计算，操作简单，但计算量较大，而FLAC 3D摆脱了几何形状、边界条件的限制，算法较准确地表征出滑坡失稳的状态，直观地找到最易出现屈服破坏的位置，能较好地指导实际施工对失稳滑坡的防治，但算法在进行网格划分时，要保证结果精度，则需要消耗较长的计算时间。

表4 两种算法的滑坡稳定性系数Table 4 Landslide stability coefficients of two algorithms工况两种算法的稳定系数传递系数法数值模拟法天然工况1.0550.895饱和工况1.0600.920

4 滑坡防治措施

根据对滑坡的稳定性分析，暴雨工况下，滑坡处于不稳定态，为保证高速公路的稳定施工，对工程区分别采取削坡和普通抗滑桩处理。

4.1 削坡处理

针对滑坡表层覆土较浅，出现明显滑动特征，最简单的处理方式即削坡清理表层土。图5为削坡清理表层土的网格化模型。

图5 削坡清理表层模型

图6给出了天然状态下，强度折减系数为1.47时，经过削坡处理的滑坡位移云图和剪应变云图。可以看出，天然状态下的滑坡表层最大位移量仅0.08 m，滑坡表层对位移贡献率较小，基本处于稳定状态，但存在的表层位移可能引起山体滑坡。整个滑坡剪应变率几乎为0，剪应变增量整体较小，滑坡稳定。经治理后的滑坡天然状态安全系数为1.47。

(a) 合位移云图

图7给出饱和状态，强度折减系数为1.35时，经削坡处理的滑坡位移云图和剪应变云图。饱和状态下的滑坡表层最大位移为0.09 m，滑坡基本稳定状态，但可能会造成上一级滑坡。滑坡剪应变率几乎为0，剪应变增量整体较小。削坡治理后，经过强度折减下的安全系数为1.35。可以看出，滑坡处理后的滑坡安全系数远大于规范值，因此，采用削坡方式处理，能够满足安全储备要求。

(a) 合位移云图

4.2 普通抗滑桩

根据地质资料，滑坡采取削坡方式进行维护是可能会诱发上一级滑坡[16]，因此，采用抗滑桩方式在滑坡中前部按梯形展布抗滑桩。共采用27根桩径为3.0×2.0 m，桩长20～25 m的抗滑桩结构。实际施工中，首先平整场地，布设施工放线，锚索桩预留孔道，待桩体浇筑完成后进行锚索施工，加固完成进行截排水作业，最后平整坡面。

加工作业时，应采取必要的临时措施保证坡体稳定性。采取隔一挖一的开挖方式，开挖过程中需分节施工锁口及护臂，开挖深度每增加1 m时，需要做好该节护臂，以焊接的方式连接各节护臂纵向钢筋。浇筑护臂混凝土中，随时校验护臂的垂直度和净空尺寸，避免护臂侵占抗滑桩截面，同时注意监测周边岩土层变化，根据开挖后滑动面来调整桩长。抗滑桩混凝土浇筑前首先要预埋钢管来作为锚索钻孔空岛，混凝土浇筑中边灌浆边振捣。

锚固工程施工中，按照锚索成孔、安装、注浆、外锚固端安装、张拉锚索、封闭锚头的施工顺序。锚索加工长度根据内锚固段长度、张拉工作长度确定。锚索安装后进行注浆，注浆管管口压力大于或等于0.5 MPa，浆体28 d后无侧限抗压强度大于30 MPa，为保证孔内砂浆饱满，待初凝后进行二次补浆。在注浆体强度达到80%设计强度时进行锚索张拉作业，作业过程中应逐根张拉至设计压力110%，并持荷5 min，卸载至设计压力锁定。当基础、坡面开挖完成后，迅速执行治理工程，避免长时间暴露。

5 结论

以西南某一山地高速公路为背景，在现场实测勘察的基础上，采用传递系数法和FLAC 3D方法对滑坡状态进行稳定性分析，并有针对性地提出了滑坡治理方案，研究获得的主要结论有：

a.传递系数法下，天然状态下滑坡的稳定系数为1.045～1.066，饱和状态下的稳定系数为0.87～0.98，处于不稳定状态。FLAC 3D 数值模拟计算获得天然状态滑坡稳定系数为1.06，饱和状态滑坡稳定系数为0.92。两种算法获得的滑坡稳定系数基本一致，表明暴雨工况下滑坡处于不稳定状态，采取有效的治理措施。

b.针对滑坡不稳定性，提出采用削坡法和布设抗滑桩法两种防治方案。通过数值模拟发现，削坡法经济有效，但易引起上级滑坡，造成二次灾害，布设抗滑桩法花费高，工程量大，对滑坡稳定性效果显著，但实际施工中需要对抗滑桩参数进行更深入研究。