白泥沟大桥滑坡变形机理与稳定性分析.pdf

第32卷 第4期 湖 南 城 市 学 院 学 报（自然科学版）Vol.32 No.4 2023年7月 Journal of Hunan City University（Natural Science）Jul.2023 白泥沟大桥滑坡变形机理与稳定性分析 丁 龙(中铁十九局集团 第三工程有限公司，沈阳 110136)摘要：降雨和地震作用是诱发滑坡失稳破坏的主要因素，其不仅会对滑坡体本身稳定性造成极大的影响，同时也会造成滑坡体上部的重点线性工程变形甚至破坏，因此，有必要分析在不同影响因子作用下的滑坡失稳规律本文以巧家县白鹤滩镇白泥沟大桥滑坡为例，首先，分析了其变形特征及其对上部桥墩的影响规律；然后，利用GeoStudio软件对其在不同工况下的稳定性和位移进行数值模拟，并将模拟结果与实际监测数据进行了对比分析结果表明：桥墩各监测点桩顶位移累计增加，且各条曲线主要呈现“阶跃式震荡增加”特征，并在第330 d发生了一次较大的突变，这说明滑坡变形主要发生在滑坡体的中部；影响白泥沟大桥滑坡稳定性的最主要工况为地震工况，其次为连续降雨工况 关键词：降雨；地震；桥台滑坡；稳定性 中图分类号：U213.1+3 文献标识码：A doi:10.3969/j.issn.1672-7304.2023.04.0003 文章编号：16727304(2023)04001306 Deformation mechanism and stability analysis of landslide of Bainigou Bridge DING Long(China Railway 19th Bureau Group Third Engineering Co.,Ltd,Shenyang,Liaoning 110136,China)Abstract:Rainfall and earthquake are the main factors that induce the instability and failure of the landslide,which will not only have a great impact on the stability of the landslide itself,but also cause the deformation or even destruction of the key linear engineering in the upper part of the landslide,therefore,it is necessary to analyze the law of landslide instability under the action of different influence factors.Taking the landslide of Bainigou Bridge in Baihetan Town,Qiaojia County as an example,this paper firstly analyzes its deformation characteristics and its influence rule on the upper pier.Then the stability and displacement under different working conditions are numerically simulated by using Geo-Studio software,and the simulation results are compared with the actual monitoring data.The results show that the displacement of pile top at each point increases cumulatively,and each curve mainly presents the feature of“step oscillation increase”,and a large mutation occurs at the 330d,which also indicates that the landslide deformation mainly occurs in the middle of the landslide space.The most important condition affecting the stability of Bainigou Bridge landslide is earthquake condition,followed by continuous rainfall condition.Key words:rainfall;earthquake;abutment landslide;stability 降雨和地震作用是诱发地震活动频繁区滑坡失稳破坏的主要因素1-2滑坡失稳不仅会对下方居民区造成极大的影响，同时也会造成滑坡体上部的重点线性工程变形甚至破坏，进而影响交通运输及通行，故展开以重点线性工程为承载体的滑坡体稳定性及变形机理的研究必不可少3降雨作用或者地震液化不仅会引起滑坡体自身变形，导致滑坡体失稳，而且还可能引起上部桥梁等构筑物发生垮塌4针对其变形特征的研究受到了国内外学者的关注，如 Ehteshami5研究了降雨及主要断裂带对滑坡稳定性的影响，得出在断层破坏带富集下，降雨作用更易诱发滑坡失稳；Li 等6在对典型边坡模型进行有限元极限分析的基础上，建立了地震临界加速度的预测方程，经研究后发现该方程有较高的预测精度，可应用于区域地震滑坡危险性评价中；Di 等7分析了边坡在地震作用下的运动规律，提出了一种能预测地震作用下滑裂面位移的公式表达式，并将其应用 收稿日期：2022-09-21 基金项目：中铁十九局集团有限公司科技研究开发计划项目(2021-B03)作者简介：丁龙(1988)，男，辽宁本溪人，工程师，本科，主要从事公路桥梁施工技术管理研究E-mail: 湖 南 城 市 学 院 学 报（自然科学版）2023年第4期 14 于 Nikawa 滑坡中，验证了公式的准确性；李俊等8以新村滑坡为例，建立了滑坡流-固耦合计算模型，发现该模型可以同时分析滑坡在不同降雨条件下的渗流、应力应变和稳定性变化规律，且该分析结果可应用于降雨诱发滑坡的监测预警和防治中；黄晓虎等9以王家坡滑坡为例，设计了当次降雨和前期降雨耦合当次降雨 2 种模式下的5 级递进式降雨分级预警模型，并得出了当次降雨模式下王家坡滑坡的降雨阈值；邱丹丹等10以芦山地震诱发滑坡为研究对象，开展基于Newmark 模型的区域性地震诱发滑坡易发性分析，并利用累积位移分析了该地区的地震滑坡易发性等级大小，还在此基础上完成了地震滑坡易发性等级分区 虽然上述研究对降雨或者地震作用下滑坡稳定性及机理有了较多的分析，但是对于触发因子影响滑坡进而影响上部线性工程的研究仍较少本文以白泥沟大桥滑坡为例，首先，分析了其变形特征及对上部桥墩的影响规律；然后，利用GeoStudio 软件对其在不同工况下的稳定性进行数值模拟，并将模拟结果与实际监测数据进行对比，以得出不同工况下触发因素对滑坡及上部白泥沟大桥的变形影响规律 1 工程地质概况 1.1 滑坡概况 滑坡区主要分布于白泥沟大桥 10#墩附近，属云南省巧家县白鹤滩镇，与白鹤滩镇之间有省道 S303 相连，交通便捷滑坡发育在白泥沟左岸斜坡上的凹面坡上，局部为低缓的沟谷地貌其具体分布于拟建东川格勒至巧家葫芦口高速公路K52+500 沿线的斜坡地带该滑坡区属河流侵蚀斜坡地形 滑坡体平面形态呈箕形，剖面形态呈近似直线形，长(沿滑动方向)约为 96 m，宽(垂直滑动方向)为 3565 m，平均深度约为 7 m(局部厚度较大)，面积约为 4 800 m2，体积约为 33 600 m3滑坡属小型牵引式松散层滑坡，滑动面倾向与坡面倾向基本一致，为 260左右，滑动面倾角为 3037，其平面如图 1 所示，其主剖面(3-3)如图 2 所示 1.2 滑坡物质构成 滑坡研究区共布设勘察钻孔 7 个，实际完成钻孔 6 个，总进尺为 227.7 m根据钻孔揭露地层显示，其主要有 4 种岩土层，由新到老分别如下：图 1 白泥沟大桥滑坡平面图 图 2 白泥沟大桥滑坡剖面图 1)杂填土滑坡区沿线地表分布有人工填土、耕植土等填土，对地质环境条件扰动较大 2)碎石土褐黄、浅灰色碎石土，块石、碎石、角砾间黏性土填充，稍密中密，碎石含量为60%80%(其成分主要为强风化灰岩，次棱角状，黏性土填充，分布厚度为 6.618.4 m，且分布极为不均匀)3)含砾粉质黏土褐红色粉质黏土，间夹碎石，稍湿，可塑-硬塑状(局部软塑状)，土质结构疏松，含植物根系，碎石含量为 10%20%(其成分主要为强风化灰岩，局部碎石富集或夹块石，粒径一般为 13 cm)4)砾状灰岩砾状灰岩呈灰、灰黄、灰白色，钻探岩芯扰动后多呈碎块状、米粒状，少量呈短柱状，岩体基本质量等级为级(强度较低)勘察区内受构造活动影响明显，原岩结构大部分被破坏，节理裂隙、风化裂隙发育，斜坡陡壁面多见掉块迹象该岩层强风化带产状为 27522，主要发育 2 组大角度节理裂隙面(J1：1970，J2：18185)，且滑坡区均有分布部分钻孔岩芯照片见图 3 1.3 滑坡岩土体物理力学特征 前期经过勘查后取得滑坡体岩土样 9 组，并 丁龙：白泥沟大桥滑坡变形机理与稳定性分析 第 32 卷 15 对其进行了相关土工试验，得到各岩土体的试验结果数据如表 1 所示 图 3 钻孔 Z01 岩芯照片 表 1 岩土体力学性质参数 类型 E/MPa?/(kNm3)c/kPa?/()渗透性系数K/(md1)杂填土 18 0.42 18.2 19.8 13.6 3.4e-3 碎石土 25.5 0.33 19.8 26.4 15.2 5.2e-3 含砾粉质黏土 65 0.25 21.9 24.2 25.6 3.4e-5 砾状 灰岩 750 0.22 22.5 45.3 45.0 4.3e-7 1.4 滑坡区域地质及水文地质概况 研究区处于川滇经向构造带划分的东西 2 带的“东带”部位，其主要构造形迹以南北向及北东向断裂为主，具体位于金沙江深切割高中山峡谷地貌区(河谷深切、斜坡陡峻)该区域构造处于小江活动断裂带，区内断层发育，新构造活动强烈，地震活动频繁，是一个应力非常密集、能量易释放的地区，其总体地质环境条件比较脆弱据 中国地震动参数区划图11(GB183062015)规定，巧家县地震动峰值加速度为 0.2g，地震动反应特征周期为 0.40 s，地震基本烈度为度 地下水主要有松散层孔隙水和岩溶裂隙水，同时接受大气降水、地表水流以及远场地下水的补给其中，大气降水和地表水流的补给具有季节性；远场地下水补给稳定，是场区地下水的主要补给源由于区内受地质构造活动堆积影响，地下水总体较复杂(总体地下水比较贫乏)，且受降水侵蚀活动影响较大(雨季局部可能形成富水带，地表局部形成积水)，对斜坡稳定性的影响也较大 2 滑坡变形特征分析 2.1 宏观变形特征 滑坡区地段为白泥沟特大桥桥墩区域，公路位于其右侧滑坡对公路工程影响较大，因其后缘为大面积的崩坡堆积层，且区域内部受区域地质构造活动影响强烈该区域岩土体工程地质条件总体较差，对拟建工程的影响也较大通过实地调查，发现该滑坡区内变形的主要迹象在中前缘，如在滑坡体中部房屋地面开裂，形成宽约0.30.5 m 的地面裂缝，滑坡体中后部发育宽约0.10.2 m 的张拉裂缝，特别是在 2017 年 8 月由于连续降雨导致滑坡区前缘发生了小规模的滑移，致使白泥沟大桥 10#墩外露了 12 m，这就给公路建设及以后的运营造成了安全隐患滑坡体中部房屋地面开裂情况如图 4 所示，滑坡体下部桥墩桩基塌方如图 5 所示 图 4 滑坡体中部房屋地面开裂情况 图 5 滑坡体下部桥墩桩基塌方 2.2 桥墩桩顶监测变形特征 本文研究的滑坡发生在白泥沟大桥桥墩区域，受灾对象主要是白泥沟大桥，若对该滑坡变形特征与稳定性分析不足，将对后期拟建工程的影响较大一方面，为了保证滑坡的安全；另一方面，为白泥沟大桥工程施工提供滑坡稳定状态或变形特征信息，从而指导安全施工，可见二者均需进行滑坡的监测设计，且待工程施工完成后，还需根据滑坡的监测数据进行滑坡的稳定性分析若滑坡处于不稳定状态，应立即采取相关的工程治理措施 湖 南 城 市 学 院 学 报（自然科学版）2023年第4期 16 白泥沟大桥是滑坡的主要承载体，故研究滑坡变形导致桥墩桩基产生的位移变化是重点本研究在该滑坡监测基准网上共设 3 个监测基准桩(点)，将其设置于滑坡体周界外侧不受滑动影响的范围，即距滑坡周界大于 10 m，并利用施工控制点作为桩顶监测基准点在滑坡影响范围内的桩基顶部设置 7 个桩顶位移监测计(分别位于图 1中的 Z01、Z03、Z05、Z07、Z10、Z14 和 Z17 处)，使用 I 级或其以上精度的全站仪和精密水准仪进行监测每次观测完成后，观测人员当天及时对所采集的数据进行分析整理并绘制时程曲线，然后根据分析结果及时做出预报，以达到监测的目的7 个桥墩桩顶累计位移时程曲线见图 6 图 6 桥墩桩顶累计位移时程曲线 由图 6 可知，自监测以来，各桥墩监测点桩顶位移累计增加，且各条曲线主要呈现“阶跃式震荡增加”特征，并在第 330 d，即在 2017 年 8 月中旬发生了一次较大的突变其中，Z07 桩顶累计位移突变约为 1 800 mm；Z10 桩顶累计位移突变约为1 000 mm；Z05桩顶累计位移突变约为500 mm；其余桩顶处累计位移均在此时发生突变根据降雨资料统计，该滑坡区在 2017 年 8 月起有连续降雨，且 8 月份总降雨量达到了 134.6 mm，这是造成白泥沟大桥滑坡产生大量变形、整体滑坡速率上升的主要原因，这也说明降雨是造成滑坡失稳破坏的重要触发因子同时，由图 6 还可知，在滑坡体中部的 Z07 桩顶累计变形量最大；其次是Z07 号两边的 Z05、Z10 桩顶累计变形量；接近滑坡周边处的桥墩桩顶累计变形量相对较小这说明滑坡变形主要发生在滑坡体的中部 3 数值模拟分析 3.1 模型的建立 由图 6 可知，滑坡变形主要发生在滑坡体的中部，故选取白泥沟大桥滑坡 3-3剖面为研究对象利用 GeoStudio 有限元软件，以剖面 3-3为基础建立数值模拟模型，如图 7 所示滑坡土层分布情况与图 2 剖面图显示结果一致，其土层参数选取与表 1 显示数据一致为了研究滑坡变形对桩基的影响，故在建模过程中加入白泥沟大桥Z07 号桩基作为承载体进行后期变形分析为计算结果较为准确且方便设置，模拟过程中设置模型单元平均大小为 3 m3 m，有限元模型共有 4 735 个节点，4 615 个单元网格 图 7 有限元模型 3.2 工况介绍 降雨是造成滑坡失稳破坏的重要触发因子该研究区场地属于地震基本烈度度区，根据 公路路基设计规范12(JTGD302015)，对于滑坡整体稳定性，按正常工况(自重)荷载作为设计荷载组合，以非正常工况(自重+连续降雨或暴雨)、非正常工况(地震荷载)作为校核工况具体工况选择为工况 1：正常工况(自重)荷载；工况 2：非正常工况-1(自重+连续降雨)；工况 3：非正常工况-2(自重+暴雨)；工况4：非正常工况(自重+地震荷载)其中，连续降雨选择 2017 年 8 月实际降雨作为输入边界条件；暴雨选择气象局对暴雨的定义(24 h 100 mm)作为输入边界条件并设置降雨时间为第 22 d 发生；地震波选择为峰值加速度为 0.2g 的地震波 在模拟过程中设置模型底部为零流量隔水边界，坡体表面为降雨入渗边界13当考虑地震对滑坡稳定性的影响时，在模型底部施加地震力以模拟地震上传过程；在其左、右 2 个侧面设置为水平约束；在其底面设置为竖向约束14-15 4 结果分析 4.1 降雨作用下的滑坡特征分析 由图 8图 10 可知，白泥沟大桥滑坡在工况 1即自重作用下时，其稳定性系数为 1.283，此时滑坡体处于稳定状态；在工况 2 即连续降雨作用下时，其稳定性系数为 1.084，此时滑坡体处于基本稳定状态，相比于工况 1 而言，其稳定性系数下 丁龙：白泥沟大桥滑坡变形机理与稳定性分析 第 32 卷 17 降了约 15.51%；在工况 3 即突发暴雨作用下时，其稳定性系数为 1.093，此时滑坡体处于基本稳定状态，相比于工况 1 而言，其稳定性系数下降了约 14.81%，相比于工况 2 而言，其稳定性系数上升了约 0.83%图 8 工况 1 滑坡稳定性图 图 9 工况 2 滑坡稳定性图 图 10 工况 3 滑坡稳定性图 图11为在3种降雨工况下的桥墩桩顶累计位移与实际监测数据的对比图 图 11 3 种降雨工况桥墩桩顶累计位移与 实际监测数据的对比 由图 11 可知，对于 3 种模拟工况桥墩桩顶累计位移都是从原点出发，但实际上由于滑坡体受到长期降雨等因素的影响且监测时长较久，故存在一定的差异对工况 1 而言，桩顶累计位移随时间累计增加，并于第 30 d 达到约 500 mm对工况 2 而言，桩顶累计位移随时间累计增加，并于第 25 d 发生突变，突变位移约为 300 mm，与实际监测位移数据较为相似，这在一定程度上反演了连续降雨对滑坡变形的影响对工况 3 而言，在暴雨前期，其变化趋势与工况 1 的较为一致，此时主要受到自重的影响；当在第 22 d 施加暴雨条件时，实际滑坡在第 25 d 发生了较为明显的突变这一方面说明存在降雨滞后期，且降雨滞后期约为 3 d；另一方面，也说明突发降雨对滑坡变形有着较为明显的影响 总体而言，白泥沟大桥滑坡在连续降雨工况下有着和时长变化较为接近的位移变化趋势，但由于实际滑坡体受到多年降雨冲刷、人类工程活动等影响，可认为本次模拟达到了较为接近实际的目的 综上所述，相比于突发暴雨，连续降雨对白泥沟大桥滑坡的稳定性影响更大，故在后期运行阶段除了关注极端降雨天气外，更应该关注梅汛期长期降雨的影响 4.2 地震作用下的滑坡特征分析 由于滑坡区的区域构造处于小江活动断裂带，区内断层发育，新构造活动强烈，地震活动频繁，是一个应力非常密集、能量易释放的地区，其总体地质环境条件比较脆弱2010 年 4 月，在滑坡区不远的玉树县由于发生 7.1 级地震，不仅给人民生命造成了不可挽回的损伤，同时对一些重点线性工程也造成了破坏，故对本滑坡在地震作用下的稳定性分析必不可少 在工况 4 下滑坡稳定性见图 12 图 12 工况 4 下滑坡稳定性图 由图 12 可知，白泥沟大桥滑坡在地震峰值加速度为 0.2g 下的稳定性系数为 1.032，此时滑坡 湖 南 城 市 学 院 学 报（自然科学版）2023年第4期 18 体处于欠稳定状态，相比于工况 1、工况 2 和工况 3，其稳定性系数分别下降了约 19.56%、4.80%和 5.58%，这说明地震作用对白泥沟大桥滑坡的稳定性影响最大这也表明，若发生地震会极大诱发滑坡失稳进而引起工程承载体的变形 5 结论 1)研究区滑坡主要为大面积的崩坡堆积层滑坡，受区域地质构造活动影响强烈，其工程地质条件总体较差，对拟建工程的影响较大降雨也是导致滑坡失稳破坏的重要影响因子相比于突发暴雨，连续降雨对白泥沟大桥滑坡的稳定性影响更大，故在后期运行阶段除了关注极端降雨天气外，更应该关注梅汛期的长期降雨的影响 2)桥墩桩顶监测数据显示，自监测以来，各监测点桩顶位移累计增加，且各条曲线主要呈现“阶跃式震荡增加”特征滑坡变形主要发生在滑坡体的中部 3)相比于降雨不利工况而言，地震作用对白泥沟大桥滑坡的稳定性影响最大，若发生地震会极大诱发滑坡失稳进而引起工程承载体变形 参考文献：1 刘琨.降雨影响下黄土斜坡的地震失稳机制及其稳定性评价D.兰州:兰州大学,2020.2 王海伦.降雨地震耦合作用边坡稳定性研究D.成都:成都理工大学,2015.3 尹小军.降雨与地震耦合作用下黄土边坡稳定性研究D.哈尔滨:中国地震局工程力学研究所,2020.4 王海涛,高大.地震液化区桥台滑坡数值模拟J.地震工程学报,2015,37(2):397-402.5 EHTESHAMI M M.Properties of fault zones and their influences on rainfall-induced landslides,examples from Alborz and Zagros rangesJ.Environmental Earth Sciences,2022,81(5):23-33.6 LI C,WEI S H,XU X Q,et al.Modelling of critical acceleration for regional seismic landslide hazard assessments by finite element limit analysisJ.Frontiers in Earth Science,2022,12(10):5-20.7 STAMATOPOULOS C A,DI B,KATSENIS L,et al.Sliding element simulating the response of slip surfaces and its application for the prediction of earthquake-induced landslide movement using one-dimensional dynamic analysesJ.Landslides,2021(1).DOI:10.1007/s10346-020-01615-z.8 李俊,康馨予.降雨诱发滑坡的流-固耦合特征及稳定性分析J.防灾减灾学报,2020,36(4):37-44.9 黄晓虎,雷德鑫,夏俊宝,等.降雨诱发滑坡阶跃型变形的预测分析及应用J.岩土力学,2019,40(9):3585-3592,3602.10 邱丹丹,吴燕玲,宋世杰.基于 Newmark 模型的地震诱发滑坡易发性分析方法的研究J.防灾科技学院学报,2021,23(1):54-58.11 国家市场监督管理总局.中国地震动参数区划图:GB 183062015S.北京:中国建筑工业出版社,2015.12 中华人民共和国交通运输部.公路路基设计规范:JTGD 302015S.北京:人民交通出版社,2015.13 张俞,徐兴华,卢琰萍,等.浙江省玄武岩台地稳定性评价:以嵊州市地雅园滑坡为例J.地质科技通报,2021,40(2):99-110.14 刘渊钊,李宗发.基于 GeoStudio 的边坡稳定性数值模拟研究J.贵州科学,2019,37(6):84-87.15 倪晓辉.基于 GeoStudio 软件分析浅层滑坡不同工况下失稳概率J.江西建材,2022(2):77-78.(责任编校：陈健琼)