镇江市某岩质边坡稳定性评价及其治理措施研究_周俊雄.pdf

引 用 格 式：，.，（）：周俊雄，魏继红，刘刚，等镇江市某岩质边坡稳定性评价及其治理措施研究 甘肃科学学报，（）：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（河海大学地球科学与工程学院，江苏 南京 ；江苏南京地质工程勘察院，江苏 南京 ）摘要以镇江市某岩质边坡为研究对象，在现场勘查资料的基础上，利用极限平衡法及数值模拟法对其进行稳定性评价。结果表明，在天然工况下，边坡处于欠稳定状态；在降水和地震等因素影响下，位移增大，稳定性系数降低，其中在暴雨工况下，由于雨水下渗至岩体的节理裂隙中，增加了滑坡体的下滑力并导致岩体强度参数降低，最大位移量达到了 ，存在发生滑坡的隐患。根据该边坡的滑坡特征及破坏形式，采用削坡降坡、锚杆加固及布置截排水沟等治理措施对该边坡进行治理，种工况下的稳定性系数分别达到 、和 ，坡体水平向最大位移大幅降低，表明该边坡在加固治理后处于稳定状态，治理措施合理可行。关键词岩质边坡；边坡稳定性；锚杆加固；数值分析中图分类号：文献标志码：文章编号：（）岩质边坡往往结构组成复杂，破坏模式多样，造成很大危害。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。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。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。年 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；戚国庆等利用 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 运用 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 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 等在块体理论的基础上，运用 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 在弹性波动理论和概化地质分析模型的基础上，研究了 波作用下的岩质边坡地震稳定性，提出了更为第 卷第期 年月 甘 肃 科 学 学 报 收稿日期：；修回日期：作者简介：周俊雄（），男，贵州贵阳人，硕士研究生，研究方向为岩土体稳定性。：合理有效的时频分析方法，并考虑幅值、频率及持时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 运用 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 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、王智德等、徐 树焕等 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。工程概况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。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 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。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。治理前边坡稳定性评价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 ，局部超过 近直立，故选取东侧二区一典型坡面作为分析对象（见图、图），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度，设计基本地震加速度值为 。根据 滑坡防治工程勘查规范 及 滑坡防治设计规范，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。图研究区分区示意图 图研究区 剖面图 研究分别对该边坡进行了天然、暴雨及地震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，如表所列。甘 肃 科 学 学 报 年第期表岩土体物理力学参数 岩土体类别天然容重（）饱和容重（）天然粘聚力 饱和粘聚力 天然摩擦角（）饱和摩擦角（）杂填土 煤层、炭质页岩 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 法、修正 法和普通条分法（法）进行计算和校核。治理前极限平衡法计算结果如表所列。由表可知，天然状况下该边坡的平均稳定性系数为，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 和，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。表治理前极限平衡法计算结果 工况计算方法稳定性系数平均值稳定状态天然简化 法 欠稳定修正 法 法 暴雨简化 法 不稳定修正 法 法 地震简化 法 不稳定修正 法 法 边坡强度折减法计算分析建立计算模型（见图），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。图治理前边坡数值模拟模型 研究分别展开天然、暴雨及地震种工况下的稳定性分析，边坡计算方向位移云图如图所示，塑性区分布如图所示，种工况下的稳定性系数分别为 、和 。其中降水因素对边坡稳定性影响最大，其稳定性系数小于，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。图治理前边坡水平位移云图 从图可以看出，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 ；地震工况下坡体水平向最大位移为 ，位于坡底处，该处以黑色第 卷周俊雄等：镇江市某岩质边坡稳定性评价及其治理措施研究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。图治理前边坡塑性区分布云图 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，平台削坡比例为。在坡面布置预应力锚杆，锚杆孔直径 ，水平向下倾斜 ，锚杆长度，材料为 钢筋，锚杆竖向间距为，水平间距为。治理后边坡设计剖面图如图所示。图治理后边坡设计剖面图 治理后边坡稳定性分析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所列。由表可知天然、暴雨和地震工况下边坡平均稳定性系数分别为、和，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，增加楔形体的下滑表治理后极限平衡法计算结果 工况计算方法稳定性系数平均值稳定状态天然简化 法 稳定修正 法 法 暴雨简化 法 稳定修正 法 法 地震简化 法 稳定修正 法 法 甘 肃 科 学 学 报 年第期力，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。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，所得坡体向位移云图如图所示，治理前后稳定性系数对比如表所列。图治理后水平位移云图 表治理前后稳定性系数对比 工况治理前极限平衡法有限元法治理后极限平衡法有限元法天然 暴雨 地震 由图可见，支护后的坡体沿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。图中天然工况、暴雨及地震工况下的稳定性系数分别为 、及 ，均大于设计稳定性系数，边坡处于稳定状态。种工况下的最大位移量分别为 、及 ，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。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：（）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。（）治理前用极限平衡法计算出种工况下的稳定性系数分别为、和，数值分析得出的稳定性系数分别为 、和 ；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 ，在降水的影响下，最大位移量增加到了 ，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。（）加固后用极限平衡法计算出种工况下的稳定性系数分别为、和，数值分析得出的稳定性系数分别为 、及 ，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。（）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。第 卷周俊雄等：镇江市某岩质边坡稳定性评价及其治理措施研究参考文献：龚匡周，王浩，方雪晶，等 复杂岩质边坡的破坏类型及稳定性分析中国地质灾害与防治学报，（）：贺志刚 某楔形体滑坡的稳定性分析和治理实践 科技创新与生产力，（）：袁金荣，高国强岩质边坡稳定性综合评价方法及其在工程中的应用 岩土工程技术，（）：何晶公路岩质边坡常见破坏模式及防治措施四川建材，（）：孙玉科，李建国岩质边坡稳定性的工程地质研究地质科学，（）：，（）：刘楚乔，梁开水 岩质高边坡稳定性监测与评价方法研究综述工业安全与环保，（）：邵龙潭，唐洪祥，韩国城 有限元边坡稳定分析方法及其应用计算力学学报，（）：戚国庆，黄润秋，速宝玉，等 岩质边坡降雨入渗过程的数值模拟 岩石力学与工程学报，（）：林杭，曹平，李江腾，等 层状岩质边坡破坏模式及稳定性的数值分析 岩土力学，（）：刘运思，牟天光，肖洪波，等岩溶地区陡峭岩质高边坡动力稳定性分析湖南文理学院学报（自然科学版），（）：谭鑫，傅鹤林，郭明香，等块体理论与数值模拟结合应用于块裂岩质边坡稳定性分析金属矿山，（）：，杨长卫，张建经，周德培 波作用下岩质边坡地震稳定性的时频分析方法研究 岩石力学与工程学报，（）：梁边库水位变化对岩质边坡稳定性影响的数值分析人民黄河，（）：张登项，唐川，唐秋元顺层岩质边坡溃屈型破坏探讨重庆交通大学学报（自然科学版），（）：唐旭，方正峰，邹飞 基于 （）的岩质边坡爆破动力响应规律研究人民长江，（）：王智德，江俐敏，祝文化，等 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