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川藏铁路规划区K208滑坡数值模拟分析

2016-02-25苏培东郭长宝陈婉琳

水力发电 2016年11期
关键词:安全系数暴雨滑坡

邱 鹏,苏培东,郭长宝,陈婉琳

(1.西南石油大学地球科学与技术学院,四川成都610500;2.中国地质科学院地质力学研究所,北京100081)

川藏铁路规划区K208滑坡数值模拟分析

邱 鹏1,苏培东1,郭长宝2,陈婉琳1

(1.西南石油大学地球科学与技术学院,四川成都610500;2.中国地质科学院地质力学研究所,北京100081)

由于路基开挖,川藏铁路规划区K208大型古滑坡群局部复活,威胁道路安全。在分析滑坡区工程地质条件的基础上,利用FLAC3D建立滑坡地质模型,模拟滑坡在未开挖、开挖后和治理后,分别在天然工况、暴雨工况以及地震工况下的剪切变形分布特征。安全系数计算结果表明,未开挖时,边坡在3种工况下均处于稳定状态;开挖后,边坡在天然工况和地震工况下处于基本稳定状态,在暴雨工况下处于不稳定状态;治理后,边坡在3种工况下均处于稳定状态。

滑坡;稳定性分析;数值模拟;FLAC3D;川藏铁路规划区

0 引 言

川藏铁路沿线地形地貌复杂,构造发育,气候多变,滑坡地质灾害发育。在铁路施工中,如果对地质环境条件及地质灾害重视程度不够,往往会导致古滑坡完全或局部复活,形成新的滑坡灾害。川藏铁路规划区K208滑坡位于甘孜县城东南,即国道G317线K208里程处。受甘孜-玉树断裂的影响,该处碳质板岩岩体极为破碎,节理裂隙发育,存在大型~巨型滑坡群。由于公路开挖不当,古滑坡局部复活,蠕滑现象明显,严重威胁公路安全和影响川藏铁路规划建设[1-3]。

本文以K208滑坡为例,针对开挖前、开挖后和加固后的滑坡,利用FLAC3D对天然工况、暴雨工况和地震工况下的滑坡剪应变进行了模拟计算[4],得到了各工况下滑坡稳定性安全系数,探讨了滑坡变形规律,以期为川藏铁路规划区滑坡灾害治理提供参考。

1 滑坡区工程地质环境

1.1 地形地貌

滑坡区属构造剥蚀侵蚀高山地貌,位于洛锅梁子高山中深切割区。K208滑坡位于G317线K208+130~K208+250 段,滑坡平面上呈不规则的圈椅状,横向宽约120 m,纵向长约60 m,面积约6 200 m2,滑坡高程介于3 605~3 645 m。滑坡区最危险断面为 K208+200,相对高差46 m,坡面多阶梯状,滑坡总体坡度35°~45°,坡脚由于公路开挖形成2~7 m的陡坎,地形起伏较大。滑坡工程地质平面见图1。

图1 滑坡工程地质平面(高程:m)

1.2 地层岩性

滑坡区地层为中生界三叠系上统两河口组(T3ln)板岩,灰黑色,千枚状泥质结构,薄层状构造,矿物成分以粘土矿物为主,可见少量绢云母、石英等。裂隙发育,裂面起伏粗糙。强风化岩体岩芯多呈1~3 cm碎砾状、薄饼状,岩体完整性差,质软;中风化岩体裂隙不甚发育,岩体完整性较好。岩层产状NW335°∠26°,倾向坡内。滑坡工程地质剖面见图2。根据现场及室内试验,岩体物理力学参数见表1。

图2 滑坡工程地质剖面

表1 岩体物理力学参数

1.3 地质构造

滑坡区隶属青藏滇缅印尼“歹”字形构造区,扬子准地台四川台拗西部。次一级构造属北北西向构造带—罗锅梁子复式向斜,位于罗锅梁子复式向斜南西翼。根据区域资料,滑坡区内未发现有断层直接通过[5-6]。

滑坡区新构造运动强烈,地貌表现主要为山岳抬升、河流下切。新构造运动的构造形迹主要表现为褶皱与断裂[7-8]。滑坡区地震严格受鲜水河断裂控制,从地震历史资料记录来看,鲜水河地震带活动频繁,强度大,1916 年以来发生Ⅴ级以上强震10 次,Ⅵ级以上7 次,Ⅶ级以上3 次。震中区烈度Ⅸ~Ⅹ度,震源深度8~13 km。鲜水河断层是一条活动性导震断层。GB 18306—2015《中国地震动参数区划图》表明,工程区地震动峰值加速度为0.20g,相应地震基本烈度为Ⅷ度。场地属构造欠稳定区。

1.4 水文地质

滑坡区内的地表水系主要为山间槽谷的沟渠水,水位高程及流量主要受大气降水的控制和影响,补给源主要为大气降水和山坡地表水以及冰雪融水。滑坡区地下水类型主要为基岩裂隙水。基岩裂隙水无统一水位,其流量受季节性变化影响很大,多为季节性山泉,主要接受大气降水补给,向低洼处排泄。

医院中生殖医学中心要设置独立的诊室,诊室独立设置要点如下:①满足患者的二次检查需求,诊室应该与医技部门的检验科、B超室保持良好的联系。②根据妇产科设置情况,合理设置取卵术后病房。③如果医院的建设规模比较大,诊室要与其他科室保持紧密联系,并根据其他科室的位置,科学设置独立诊室[1]。

2 滑坡基本特征及形成机制

2.1 滑体基本特征

滑体物质主要为中生界三叠系上统两河口组(T3ln)炭质板岩,岩体风化强烈,呈强风化状。主要发育2组风化卸荷裂隙:①产状SE158°∠70°,间距0.2~0.4 m,裂面粗糙,充填粉质粘土,延伸长度1~4 m,张开度0.1~0.5 mm;②产状SW240°∠55°,间距大于0.3~0.6 m,裂面粗糙,充填粉质粘土,延伸长度1~3 m。滑体最厚处约20 m,平均约13 m,方量约13×104m3,为中型中层岩质滑坡,主滑方向约90°。滑床为中风化板岩,风化裂隙不发育,岩体结构较完整。滑坡变形特征明显,滑坡沿坡脚剪出,滑坡后缘出现大量拉裂缝和滑坡陡坎,整体表现为前沿牵引,后缘推动的复合式滑坡。

2.2 滑坡体形成机制

滑坡区原为滑坡场地,坡度约 35°~45°,后因公路施工开挖形成4级台阶,最大高差达40 m,坡度40°~45°,过高的临空面和过陡的坡度为滑坡失稳创造了有利的地形条件。板岩强风化层风化裂隙发育,完整性差,岩性软弱,遇水易软化,这是滑坡产生的物质基础。由于板岩强风化层裂隙发育,为地表水下渗提供了有利条件。地下水对滑坡失稳影响明显,一是改变滑体物理力学性质,增加滑体密度,从而增加了下滑力,降低了滑体抗剪强度;二是地下水的冻融循环作用加剧了岩体裂隙扩张,进一步降低了滑体强度,加速了地下水下渗;三是滑床中风化岩体较完整,为相对隔水层,地下水沿中风化层顺坡向下渗流时会产生动水压力和浮托力。由此可见,K208滑坡主要是由于人工不合理开挖、滑体物质裂隙发育,力学性质差,以及地下水的冻融循环作用等因素综合导致了古滑坡局部复活发生失稳。

3 滑坡稳定性分析

3.1 强度折减法

J.M.Duncan[9]认为,滑坡安全系数可以定义为滑坡刚好达到临界破坏状态时,对土的剪切强度进行折减的程度。通过逐渐减小抗剪强度参数,将c、φ值同时除以折减系数k,得到一组新的强度指标c′、φ进行数值计算分析,反复计算直至滑坡达到临界破坏状态,此时岩土体原有的强度指标与采用的强度指标之比即为该滑坡的安全系数Fs。强度折减法应用中存在的关键问题是临界状态的判别准则。

3.2 滑坡体稳定性评价

根据滑坡区地质结构与工程施工情况进行三维建模(见图3)。模型取典型剖面A—A′,对滑坡在未开挖、工程开挖以及工程治理后,分别在天然工况、暴雨工况以及地震工况下的稳定性进行模拟。根据现场实际开挖过程,计算分为以下4步:

(1)确定初始条件。在天然未开挖状态下计算,模型达到平衡状态模拟初始地应力,然后将位移、速度清零。

(2)模拟此次开挖。由于修筑公路对边坡进行切坡,软件中将开挖单元体赋值为NULL模型,求出其剪应变云图,以分析变形情况。

(3)模拟工程治理。由于切坡不当造成滑坡变形,对其进行工程治理。治理措施为削方+抗滑桩。软件中将工程治理需要开挖单元体赋值为NULL模型,抗滑桩按弹性材料考虑,弹性模量取30 GPa,泊松比取0.2,密度取25 kg/m3。桩体后方使用碎石土回填。

(4)安全系数求解。按照强度参数折减法,计算滑坡在未开挖、工程开挖以及工程治理后在天然、暴雨以及地震工况下的安全系数。

图3 K208滑坡三维模型

图4为滑坡在天然未开挖状态下、开挖后以及治理后在暴雨工况下各执行5 000步后的剪应变增量云图。从图4可知,在未开挖状态下,暴雨使滑坡内沿古滑坡滑动带分布的岩土体发生剪切破坏,该剪切破坏从坡顶开始,但未贯穿到坡脚,即没有发生新的滑坡。在工程开挖后,执行5 000步后,由于坡脚没有足够的抗滑力,使滑坡内沿古滑坡滑动带分布的岩土体发生剪切破坏,且剪切破坏区域贯穿整个滑坡,此时古滑坡复活,产生滑动。治理后,发生剪切破坏的区域与工程开挖条件下相比明显退化,并且退化是从坡脚处往坡顶处进行的。这说明对滑坡进行治理后,由于坡脚处有足够的抗滑力,坡脚处的岩土体不再发生剪切破坏,有效地阻止了滑坡的发育。

图4 K208滑坡在暴雨工况下的剪分布

不同工况下的安全系数见表2。从表2可以看出,滑坡在未开挖条件下处于稳定状态,在工程开挖条件下处于不稳定~基本稳定状态,在工程治理条件下处于稳定状态。

表2 不同工况下的安全系数

在天然工况下,滑坡在未开挖时安全系数为2.24,开挖后降为1.13,安全系数下降约50%,滑坡由稳定变为基本稳定;暴雨工况下,滑坡在未开挖时安全系数为2.00,开挖后降为0.98,安全系数下降51%,滑坡由稳定变为不稳定;地震工况下,滑坡未开挖时安全系数为1.98,开挖后变为1.06,安全系数下降约46%。不合理工程开挖使滑坡安全系数在3种工况下降低46%~51%,说明不合理的工程开挖是导致滑坡发生的最直接因素。工程开挖形成的高陡边坡是滑坡形成的基础条件,开挖形成临空面降低坡脚抗滑力,是导致滑坡形成的重要因素。

在未开挖时,天然工况下安全系数为2.24,暴雨工况下为2.00,暴雨使安全系数降低约11%;地震工况下为1.98,地震使安全系数降低约12%。工程开挖后,天然工况下安全系数为1.13,暴雨工况下降为0.98,安全系数降低约13%;地震工况下安全系数为1.06,安全系数降低约6%。工程治理后,天然工况下安全系数为1.66,暴雨工况下为1.48,安全系数下降约11%;地震工况下安全系数为1.59,安全系数下降约4%。暴雨使安全系数降低11%~13%,地震使安全系数降低2%~12%,说明暴雨和地震也对滑坡稳定性有影响,暴雨对滑坡稳定性的影响更为显著。水能软化岩体,使岩体强度降低;其次,岩体裂隙中的水产生的动水压力及静水压力都不利于滑坡稳定。需要特别指出的是,K208滑坡区域处于高寒地区,地下水的反复冻融会使岩体裂隙扩张,导致地表水下渗加强,加剧了水对滑坡稳定的不利影响。

4 结 语

K208滑坡是修建公路时切坡不当,加上地下水的作用而导致的古滑坡复活。不合理的工程开挖对滑坡稳定性影响很大,暴雨和地震对滑坡稳定性影响明显,暴雨影响尤为明显。川藏铁路规划区滑坡和高边坡众多,工程施工时,应注意边坡开挖的合理性以及支护加固的及时性。同时,应设置良好的排水系统以减小水的危害,保障边坡的稳定。

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(责任编辑 杨 健)

Numerical Analysis of K208 Landslide in Planning Area of Sichuan-Tibet Railway

QIU Peng1, SU Peidong1, GUO Changbao2, CHEN Wanlin1

(1.School of Geosciences and Technology, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, Sichuan, China;2.Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Science, Beijing 100081, China)

The big landslide group at K208 of planning area of Sichuan Tibet Railway has locally revived as a result of road excavation. As thus, the road is in danger. On the basis of engineering geological condition analysis of landslide area, a geological model is constructed by using FLAC3D to analyze the deformation of landslide. The distribution characteristics of shearing deformation of slope in nature, rain and earthquake conditions before excavation, in excavating and after engineering treatment are simulated respectively. The safety factors for each condition have been calculated. It shows that:(a) the slope is stable before excavation; (b) the slope is basically stable in nature and earthquake condition after excavation, but instable in rain condition; and (c) the slope is stable in three conditions after engineering treatment.

landslide; stability analysis; numerical simulation; FLAC3D; planning area of Sichuan Tibet Railway

2016-07-08

中国地质调查局项目(12120113038000);中国中铁二院工程集团有限责任公司科研计划(二院科字201303)

邱鹏(1991—),男,四川南充人,硕士研究生,研究方向为岩土工程勘察与地质灾害评估;苏培东(通讯作者).

TU457(271)

A

0559-9342(2016)11-0042-05

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