镇江市某岩质边坡稳定性评价及其治理措施研究

周俊雄,魏继红,刘 刚,施 威

(1.河海大学地球科学与工程学院,江苏 南京 211100; 2.江苏南京地质工程勘察院,江苏 南京 210000)

岩质边坡往往结构组成复杂,破坏模式多样,造成很大危害[1]。影响岩质边坡稳定性的因素有很多,其中以自身结构面发育及组合情况为主要因素。节理裂隙的发育会造成岩块的切割,从而产生不同大小的岩块,节理裂隙不断的发展,贯穿至岩体内部后,岩体结构面的抗剪强度无法抵抗坡面破碎块体的下滑力,随后块体沿着结构面发生滑动。此外,降水亦是影响岩质边坡稳定性的一大因素。当降水不断汇集在坡面后,顺着裂隙下渗至岩体内部,造成结构面强度参数弱化,随之会有泥质等软弱充填物进入,岩体的抗剪强度不断降低,为滑坡的形成提供了有利条件。同时，坡脚开挖、人工爆破等工程活动及地震作用也会对岩质边坡的稳定性造成影响[2]。

边坡稳定性分析是地质灾害防治工作中一项极其重要的工作,其评价结果直接关系到人民群众的生命及财产安全[3-5]。对于边坡稳定性的分析主要采用极限平衡法和数值分析法。1955年Alan[6]提出了极限平衡法,经过不断改进其逐渐成为边坡稳定性评价中一项快捷有效的研究方法。该方法通过静力平衡原理计算出稳定性系数,即以抗滑力与下滑力的比值来评价边坡的稳定性。在数值模拟分析方面,也有众多学者展开了研究，如刘楚乔等[7]总结了目前边坡稳定性监测及评价的主要方法及工程应用,提出了存在的不足并为今后的发展提出了展望；邵龙潭等[8]在有限元应力分析的基础上,更有效地搜寻了岩质边坡的可能滑动面；戚国庆等[9]利用Picard迭代法模拟了岩质边坡降雨入渗的过程并分析了其饱和区、水压力等的变化、分布；林杭等[10]运用FLAC3D模拟了层状岩质边坡的破坏模式,研究了结构面倾角对边坡稳定性的影响程度；刘运思等[11]等分析了岩溶地区岩溶的有无、位置及范围与岩质高陡边坡的稳定性的关联程度；谭鑫等[12]等在块体理论的基础上,运用FLAC3D从结构面影响岩质边坡稳定性方面展开研究,模拟其失稳的破坏方式,分析其失稳机理；杨长卫等[13]在弹性波动理论和概化地质分析模型的基础上,研究了SV波作用下的岩质边坡地震稳定性,提出了更为合理有效的时频分析方法,并考虑幅值、频率及持时3个变量对边坡稳定性的影响程度,预测了滑坡发生的时间及规模大小；梁边[14]运用FLAC3D在强度折减法的基础上,进行了岩质边坡在不同库水位下的稳定性的数值分析,并总结出一定的规律；张登项等[15]对岩质边坡中顺层边坡溃屈破坏模式进行了研究,分析了其破坏特征并总结出崩塌滑坡形成的前提条件； 唐旭等[16]、王智德等[17]、徐树焕等[18]等运用数值模拟法评价了在爆破荷载下岩质边坡的稳定性。

以镇江市某岩质边坡作为研究对象,在地质勘察的基础上利用极限平衡法和数值模拟法,针对不同工况进行模拟,对比分析其治理加固前后的边坡稳定性,从而验证治理措施的有效程度,为类似滑坡地质灾害防治工程提供了借鉴。

1 工程概况

1.1 研究区概况

研究区地貌类型属于低山丘陵区,由数座山峰连绵组成,地形起伏变化较大。由于修建道路时对沿线边坡进行了不同程度的切坡开挖,导致多处形成了陡坡,从而大大降低了坡体的稳定性,为滑坡地质灾害的发生埋下了隐患。

1.2 滑坡特征

根据区域地质资料及勘查报告,坡体以龙潭组的煤层及炭质页岩为主,上部区域存在5～10 m厚的人工填土。坡体上部的泥岩等软质岩在长期的自重作用下,表部岩层因蠕动变形而向临空一侧发生弯曲、折裂,最终形成了挠曲变形。同时该区域存在多处因滑坡体下滑失去侧向支撑而形成的牵引式张裂缝。

坡体下部为出露的龙潭组煤层及炭质页岩,岩质较软,在降水及上部汇水冲刷下,形成较明显的冲沟;同时由于龙潭组与薛家村组呈断层接触,接触处岩石破碎严重,岩体质量较差,也形成了较大冲沟。

1.3 边坡稳定性分析与评价

该区域的地下水类型主要为松散岩类孔隙水,主要分布在上部填土,受季节影响明显。以大气降水为重要补给源,以地表泄流、大气蒸发、地下渗流为主要排泄途径。故对于该边坡而言,降水易由坡顶杂填土下渗至岩块节理裂隙中,从而降低岩体抗剪强度,导致边坡失稳并发生滑坡。

该区域影响边坡稳定性的工程活动主要为矿山开采,改变了原始地形地貌。此外,矿山开采产生了大量的矿物堆积,为滑坡体提供了物质资源,增加了滑动的可能性。

通过现场勘查及报告分析发现,该边坡的滑坡类型为楔形滑动,坡面处岩块因多组结构面组合而形成楔形体,楔形体与坡体发生分离,随后存在沿着组合交线方向发生滑动的可能。该边坡在长期的地质作用之下,加上人工开挖和降水等因素,楔形体接近失稳,可能沿着软弱结构面发生滑动[19]。

2 治理前边坡稳定性评价

2.1 稳定性分析方法及计算模型

研究区东侧山体坡度总体较陡,一般为45°～60°,局部超过70°近直立,故选取东侧二区一典型坡面作为分析对象(见图1、图2),通过极限平衡法和有限元法对该边坡进行稳定性分析。该边坡所在区域抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度值为0.10g。根据《滑坡防治工程勘查规范》[20]及《滑坡防治设计规范》[21],确定该项目防治工程等级为一级,并选取设计稳定性系数为1.35。

图1 研究区分区示意图Fig.1 Diagram of research area partition

图2 研究区14-14′剖面图Fig.2 Profile map of 14-14' of research area

研究分别对该边坡进行了天然、暴雨及地震3种工况下的稳定性计算,并根据现场勘察报告、试验数据及经验取值得出所需岩土体基本物理力学参数，如表1所列。

表1 岩土体物理力学参数Table 1 Physical mechanics parameters of rock mass

2.2 边坡极限平衡法计算分析

运用极限平衡法对该边坡进行稳定性分析,其中采用了简化Bishop法、修正Janbu法和普通条分法(Spencer法)进行计算和校核。治理前极限平衡法计算结果如表2所列。由表2可知，天然状况下该边坡的平均稳定性系数为0.92,处于欠稳定状态;在暴雨及地震工况下,平均稳定性系数降到了0.66和0.88,可见降水和地震因素都在一定程度上影响了该边坡的稳定性,使得该边坡处于不稳定状态。

表2 治理前极限平衡法计算结果Table 2 Calculation results of limit equilibrium method before treatment

2.3 边坡强度折减法计算分析

建立计算模型(见图3),将边坡及顶部杂填土视为理想弹塑性材料,并依据摩尔库伦强度屈服准则判别岩土体是否失稳。

图3 治理前边坡数值模拟模型Fig.3 Simulation model of slope value before treatment

研究分别展开天然、暴雨及地震3种工况下的稳定性分析,边坡计算X方向位移云图如图4所示,塑性区分布如图5所示,3种工况下的稳定性系数分别为1.020、0.803和1.012。其中降水因素对边坡稳定性影响最大,其稳定性系数小于1,而地震外动力对于该边坡的稳定性影响较小,与天然工况的稳定性系数相比差别较小。

图4 治理前边坡水平位移云图Fig.4 Nephgram of slope horizontal displacement before treatment

从图4可以看出,暴雨工况在降水的冲刷下,岩质页岩遇水崩解,强度急剧降低,坡体位移明显增大,最大位移量约 43.97 cm;地震工况下坡体水平向最大位移为26.70 cm,位于坡底处,该处以黑色炭质页岩及煤层为主,其质地较软、工程性质较低而形成大型冲沟。

从图5可以看出,该边坡主要呈现从坡顶到坡底的剪切塑性区,贯通整个滑动面。剪出口位于坡底,该处为坡脚出露的煤层及炭质页岩。在暴雨工况下,岩体遇水抗剪强度降低,导致边坡塑性区分布比例增大,且在坡顶出现小区域拉张应力区,这主要是因为上覆杂填土的压实度不够、结构松散、工程地质性质较差,且未布置相应的截排水设施,从而在降水汇水后无法承受荷载产生滑塌,导致该边坡的稳定性大大降低。在地震工况中,在地震外动力的作用下,塑性区面积也小幅扩大,主要集中在坡底受水平力处。

3 边坡加固措施

根据边坡加固前的稳定性分析结果,边坡在暴雨、地震、天然工况下均处于不稳定状态,由此需要对边坡进行加固治理。根据勘察资料并结合该区域地层分布、滑坡特征及场地条件,对该边坡采取削坡、锚杆格构加固的措施,对台阶坡面采用挂网客土喷播绿化,而平台采用普通喷播绿化;同时每级平台设置排水沟等截排水设施,减小降水对边坡稳定性的影响。

进行削坡处理后,每级平台宽度为4 m,平台削坡比例为1∶1。在坡面布置预应力锚杆,锚杆孔直径130 mm,水平向下倾斜25°,锚杆长度11 m,材料为PSB930Φ25钢筋,锚杆竖向间距为3.0 m,水平间距为3.0 m。治理后边坡设计剖面图如图6所示。

图6 治理后边坡设计剖面图Fig.6 Profile map of slope design after treatment

4 治理后边坡稳定性分析

4.1 边坡极限平衡法计算分析

对治理后的边坡同样进行极限平衡法计算分析,各种工况下的稳定性系数如表3所列。由表3可知天然、暴雨和地震工况下边坡平均稳定性系数分别为1.49、1.40和1.43,均处于稳定状态。由于锚杆穿过潜在滑动面后,使得该边坡成为一个整体,岩土体强度得到较大提高,稳定性也有了显著提升。其中暴雨工况下,由于在坡顶布置截水沟并在每级台阶增设排水沟,使得降水能够及时排出,从而降低了上覆杂填土层发生滑动的可能,同时也不会有大量雨水下渗至岩体的节理裂隙中,增加楔形体的下滑力,楔形体也趋于稳定。分析结果表明,削坡降坡后锚杆格构加固的方式有良好的治理效果。

表3 治理后极限平衡法计算结果Table 3 Calculation results of limit equilibrium method after treatment

4.2 边坡强度折减法计算分析

对治理加固后的边坡进行有限元强度折减法分析计算,所得坡体X向位移云图如图7所示,治理前后稳定性系数对比如表4所列。

图7 治理后水平位移云图Fig.7 Nephogram of horizontal displacement after treatment

表4 治理前后稳定性系数对比Table 4 Comparison of stability coefficient before and after treatment

由图7可见，支护后的坡体沿X方向位移量主要集中于坡底岩体深部,并向坡体后方扩散分布,这是因为在坡面上施加锚杆格构后,对坡脚处的深部岩体产生了挤压作用。此外在上覆杂填土层与下伏岩层接触处存在少量位移量,坡面锚杆处也有小幅度位移的波动,其中暴雨工况下边坡第一级台阶平台也有小范围位移的波动。图7中天然工况、暴雨及地震工况下的稳定性系数分别为1.660、1.580及1.652,均大于设计稳定性系数1.35,边坡处于稳定状态。3种工况下的最大位移量分别为3.394 cm、6.649 cm及3.902 cm,相比支护前坡体的水平位移量均有大幅降低,表明在锚杆支护的作用下,该边坡的稳定性得到较大提升,治理措施达到了预期效果。

5 结论

以镇江市某岩质边坡为研究对象,分别用极限平衡法和数值分析法对该边坡进行稳定性评价,在得出坡体X方向位移量、塑性分布图及稳定性系数后,对两种方法的结果进行了对比分析,得出以下结论:

(1) 该岩质边坡为典型的楔形体滑坡,在道路修建及矿山开挖的影响下,边坡形成高陡边坡,最终在坡脚形成临空面,存在滑坡地质灾害发生的隐患。该岩质边坡的潜在滑动面类似圆弧形,剪出口位于坡底处。

(2) 治理前用极限平衡法计算出3种工况下的稳定性系数分别为0.92、0.66和0.88,数值分析得出的稳定性系数分别为1.020、0.803和1.012;天然工况下该边坡处于欠稳定状态,地震工况下坡体最大水平位移量为26.70 cm,在降水的影响下,最大位移量增加到了43.97 cm,边坡处于不稳定状态,且坡体塑性区贯通,边坡存在滑动的可能,需进行加固治理。

(3) 加固后用极限平衡法计算出3种工况下的稳定性系数分别为1.49、1.40和1.43,数值分析得出的稳定性系数分别为1.660、1.580及1.652,边坡的稳定性都大幅提升,均大于设计稳定性系数。根据计算结果,加固治理后3种工况下该边坡的坡向最大位移量均大幅减小,由此说明削坡降坡、锚杆格构加固及增设截排水沟等治理措施切实有效,很大程度地提高了边坡的稳定性,降低了边坡发生滑坡的可能。

(4) 根据两种计算方法所得结果可以看出,极限平衡法和数值分析所计算出的稳定性系数基本吻合,但有限元强度折减法所得出的稳定性系数比极限平衡法偏大,相比较为保守的极限平衡法,有限元法能够更真实地模拟边坡发生滑坡的过程。