岢临高速公路沿线黄土滑坡的稳定性分析

宋 飞

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

0 引言

近年来，我国中西部高速公路建设快速发展[1]，而该地区地质条件十分复杂，在山区和丘陵区进行高速公路的施工建设，往往因挖填方而造成边坡的失稳破坏。因此，边坡稳定性问题成为该类区域公路建设的主要工程地质问题之一。在施工过程中，常常因为对地质环境条件和地质灾害的重视程度不足，引起古滑坡复活或者部分复活[2]，形成滑坡灾害，为人类生命财产安全造成损失。

目前，对于高速公路沿线滑坡的研究多重视滑坡本身的稳定性与防治工作[3-4]，往往忽略其工程效应方面的分析。实际上，滑坡的存在与高速公路的建设相互影响，高速公路的建设因挖填方而对滑坡产生卸载、加载、压脚等作用[5]，从而对滑坡产生有利或不利的影响。不同的建设措施或工程效应（例如将公路布设在滑坡的不同位置或者适当调整挖填方的高程）对滑坡的稳定性影响会产生极大的差异，而滑坡的稳定状态又反过来影响公路的建设安全及施工的经济效益。因此在高速公路的建设中，选取合适的建设位置对于滑坡的稳定及工程经济效益有着重要的意义。

本文选取岢临高速段具有代表性的某黄土滑坡作为研究对象，运用Geo-studio软件中的SLOPE/W和SIGMA/W两个模块，针对该黄土滑坡进行了一系列（适当的调整高速公路线路的高程及其所在某滑坡坡体的位置）二维数值模拟，综合分析公路建设对古滑坡稳定性的影响及经济效益，从理论上解决该类工程问题。

1 岢-临高速公路沿线滑坡特征

岢（岚）-临（县）高速公路全长125 km，是山西省高速公路网规划“三纵十二横十二环”中西纵高速公路的一段，也是国家G59呼北高速的重要组成部分。该公路沿线沟谷纵横、山峦起伏、地形复杂，沿途约有滑坡55处，其中滑坡群7处，包括东豹峪沟滑坡群、范家沟滑坡群、土贞滑坡群、台子梁滑坡群、花子村滑坡带、弓家沟滑坡带和张家湾滑坡群，呈现区域分布密集的特征，且同一区域的滑坡在其规模或平面形态上都具有相似性。例如花子村滑坡群，其滑坡后壁普遍高陡、滑坡前缘均受河流冲蚀、两侧冲沟发育等，各滑坡多处于稳定或基本稳定状态，开挖、降雨或者人类工程活动都可能加剧滑坡的变形失稳。此外，沿线的单体滑坡均表现出规模大、稳定性差、岩土结构复杂等特征，易受人类工程活动的影响。

由此可见，本段高速公路的建设与运行难度大大增加，研究其沿线滑坡特征及其工程效应对解决上述工程难题十分必要。

2 某古滑坡

由于研究区的黄土滑坡在地形地貌、岩土组合特征、诱发因素等方面具有相似性，故笔者选取具有代表性的某古滑坡为例进行研究，在调查其工程地质条件的基础上，建立了一系列模型进行数值模拟，以期选出最优的公路布设位置，为公路沿线各黄土滑坡提供理论参考。

2.1 滑坡总体特征

某古滑坡位于兴县康宁镇，总体呈南北向展布，地形起伏不平（图1）。滑坡规模较大，滑面形式为圆弧形（图2），后缘因拉裂下滑而形成高陡边坡，侧缘可见冲沟、落水洞等。

图1 某古滑坡平面图

图2 某古滑坡剖面图

2.2 滑坡工程地质条件

2.2.1 地形地貌及地质概况

花子村2号滑坡所在区域的新构造运动主要表现为差异性升降、第三纪以来的间歇性上升，境内保留有大致等高的山梁或黄土残塬、黄土梁构成的三级夷平面，沿线河谷区发育着I—Ⅲ级阶地。滑坡区所处地貌单元为剥蚀、侵蚀的黄土丘陵沟壑区，地势起伏，地面标高1 133.57～1 241.2 m，相对高差达到107.64 m。滑坡地层主要由第四系坡积或风积成因的黄土状粉土（Q3eol）、第三系红黏土（N2）及三叠系二马营组砂岩（T2er），且岩层产状近于水平。具体见图2。

2.2.2 人类社会经济活动

滑坡区主要的人类活动为农业生产及公路建设。农业生产活动虽然改变了滑坡体表面形态及坡面截排水系统，对其滑坡体的稳定性有一定的影响，但不至于使其产生破坏变形。高速公路建设中人工开挖、爆破振动、局部加载减载使滑坡体的平衡状态受到了破坏,在很大程度上影响着滑坡的稳定。

3 工程效应分析

3.1 物理模型的建立

Geo-studio的每个模块由DEFINE、SOLVE和CONTOUR三部分组成。对问题的定义即建立模型在DEFINE中进行。主要分为如下几步：

a）设置工作区域、比例尺、坐标轴及绘制模型边界；

b）生成有限元区域、定义材料属性；

c）给有限元区域赋予材料并进行网格剖分；

d）定义边界条件；

e）模型检验。

为了研究某古滑坡的工程效应，结合其工程地质条件建立一系列二维模型（图3），其中开挖部分的位置为不确定部分，按照同一高程但水平位置相隔8 m进行开挖或填方筑路建立4个模型（图3a）；又按同一位置高程相差4 m筑路建立4个模型（图3b）。分别分析其边坡稳定性及工程量。

图3 古滑坡二维模型

3.2 计算参数

根据该滑坡的地质勘察资料，结合室内试验及相关规范得到各层岩土体物理力学参数（表1）。

表1 各岩土体物理力学参数

3.3 数值模拟

首先在SLOPE/W模块中模拟古滑坡的稳定性，发现古滑坡在处理之前最危险滑面的稳定系数为1.276，处于稳定状态。然后导入SIGMA/W模块对其进行应力应变分析（图4），得到结果：整个古滑带部分的最大剪应变区域是贯通的，但其值很小，坡体仍处于基本稳定状态。

图4 开挖筑路前古滑坡剪应变图

将图3一系列模型同样导入SLOPE/W、SIGMA/W模块进行模拟，得到结果：公路经过同一滑坡体时，建设在不同的位置（图6）或者不同的高程（图7）对古滑坡的稳定状态均有不同程度的影响，甚至会改变不稳定地质体的位置；而古滑坡状态的改变又会反过来影响公路线路的选择。

从对古滑坡的稳定性影响方面分析：建设高程确定之后，对坡体不同位置进行开挖（图6），从图5可以看出开挖对古滑坡整体的影响不大，古滑坡滑带稳定系数基本保持不变，但开挖产生新的边坡，可能导致古滑坡局部复活，图6a、6b、6c中开挖部分以上至古滑坡后缘的坡体发生牵引式变形，最危险滑移面从开挖底部向上蔓延至坡顶，其稳定系数也降低，古滑坡局部复活，而图6d因开挖位置较平坦，挖方量小且少量填方对坡体产生压脚作用，稳定系数较高，开挖后坡体仍处于基本稳定状态。改变建设高程后（图5），图7e、7f中因开挖部分距古滑带位置较近，挖方量大，新边坡以上滑坡复活；图7g、7h中开挖部分距滑带位置较远，挖方量小，对古滑坡的影响很小，坡体依然处于稳定或基本稳定状态。

从工程量方面分析，高程确定之后，挖方量越大意味着挖方位置距滑坡后缘越近（图6），则产生的新边坡也就越陡，越容易导致古滑坡的局部复活；若确定了建设位置，则高程的改变引起工程量的改变，挖方量越大意味着开挖部分距古滑带的位置越近，虽有利于古滑坡的整体稳定，但产生的新的陡坡使开挖部分以上坡体复活。因此，需要在保证坡体基本稳定的前提下，选取工程量较少的位置进行筑路。

图5 公路建设前后滑坡稳定系数及工程量与建设位置的关系

综合考虑古滑坡的稳定性及工程量两方面，建议将该高速公路建设在离滑带位置较远且较平坦的位置（图6d或图7g、7h）。

4 公路沿线滑坡的防治措施分析

图6 同一高程不同建设位置古滑坡剪应变对比图

图7 同一位置不同建设高程古滑坡剪应变对比图

a）公路线路布设阶段 应查清沿线滑坡的规模、稳定状态及其发展趋势，并研究其可能对公路建设造成的危害；避免在抗滑段进行挖方，且挖方部分应距古滑带越远越好；避免深大挖方产生新的高陡边坡引起古滑坡的局部复活；适当的调整公路在坡体上的位置可能大大减少对滑坡的扰动；若无法避免诱发滑坡的发生，应采取相应的工程措施。

b）公路建设施工阶段 由于古滑坡的滑带和坡体土质特殊，在施工时应尽量减少施工设施和用料等堆载在坡体上增加下滑力；松散坡体不宜直接作为路基，应先对其进行清除处理，再用灰土等封水材料回填处理至设计标高；开挖过程中应边支挡边开挖，以免因坡体土质松散而使开挖部分以上坡体发生失稳破坏；另外，暴雨极易诱发黄土滑坡，故应将截水沟设置在滑坡周界，滑坡体坡面设置排水沟，最大程度上避免由于地表水下渗而降低坡体的稳定性。

c）公路运行阶段 应进行监测预报工作，做好防护设施的保养与维修工作，避免因防治措施失效而导致灾害的发展。

5 结论

a）调查了岢-临高速段具有代表性的某古滑坡的工程地质条件及滑坡的基本特征，分析了对古滑坡稳定的有利和不利因素。

b）根据模拟结果，为本段公路布设提出建议，并结合对黄土滑坡的工程效应分析，探讨了高速公路沿线黄土滑坡的防治措施。可为类似工程建设及滑坡防治提供参考依据。