罗海翔

摘要： 以宝兰客专秦安隧道王家墩滑坡为例，从特殊的地层岩性、地质构造与地震、降雨与地下水等角度综合分析了该滑坡的形成原因。采用三维有限差分软件FLAC3D，对该滑坡模型做一较接近实际的概化，针对该滑坡工程的设计方案的甄选、开挖施工以及滑坡稳定性监测工作，通过建立数值计算模型进行该滑坡稳定性的研究。

Abstract： This paper analyzes the causes of Wangjiadun landslide of Qin'an Tunnel of Baolan Passenger Dedicated Line from the perspective of special lithology， geological structure and earthquake， rainfall and groundwater， and so on. The three-dimensional finite difference software FLAC3D is used to make a general approximation to the landslide model. In order to solve the design scheme of the landslide project， excavation construction and landslide stability monitoring， the landslide stability is established to research the stability of the landslide.

关键词： 隧道；滑坡；稳定性；数值计算

Key words： tunnel；landslide；stability；numerical calculation

中图分类号：P642.22 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）11-0127-04

0 引言

随着“一带一路”战略规划的深入推进，国内中西部地区将逐步加大对高速铁路的研究和建设，但由于地形地貌的限制，有些隧道工程必然无法避绕滑坡地段[1]。宝兰客专秦安隧道长4905.3m[2]，地处西北地区甘肃省天水地区，隧道洞身穿越王家墩滑坡体前缘堆积区，王家墩古滑坡体存在复活的可能性，尤其可能对后期的运营造成不可估量的负面影响。韩磊[3]依托宝兰客专探讨了在黄土地质、浅埋的条件下修建大跨度隧道群施工的方法。吕磊[4]结合宝兰客专黄土隧道台阶法施工实践，分析了七步台阶开挖法施工过程中隧道围岩与结构的变形和受力特点，以及施工参数和相应的辅助技术措施。但这些研究局限于宝兰客专沿线隧道常规施工技术，对于穿越大型滑坡的长大隧道的工程安全性研究较为匮乏。因此以宝兰客专秦安隧道王家墩滑坡为例，分析该滑坡的形成原因，并采用三维有限差分软件研究该滑坡的稳定性，该项研究对于秦安隧道的建设具有重要的指导意义。

1 滑坡概况

王家墩滑坡位于天礼盆地低山丘陵区西北部、秦安县城北侧葫芦河西岸[2，5]。葫芦河在秦安县城形成秦安小盆地，盆地北侧边缘即为山坡高陡的王家墩滑坡地段。该冲沟发育的地段地面高程在1210m到1710m之间，相对高差在200m到500m之间，坡体自西侧山顶附近呈条状发育，宽约1.8km，长2.7km，厚度在60m到90m之间，滑体前端以10°到20°之间的自然坡度将一级阶地覆盖，滑体上已进行了以栽植果树为主的耕地改造。结合地形特点以及秦安站位、客运专线的建设要求来看，隧道工程中必然要面对王家墩滑坡（图1）问题。

2 王家墩滑坡形成原因

2.1 特殊的地层结构

客专沿线地层分布受地质构造单元控制，秦安附近新生代地層极其发育，第三、第四系广布于地表（图2）。王家墩滑坡周围的地层构造：以黏质黄土和砂质黄土为主、垂直节理发育、具有良好透水性和较强湿陷性的第四系松散沉积层；被严重风化但具有良好隔水性、长期受剥蚀而不平整第三系泥岩；以及华力西期花岗岩等。滑动面多见于泥岩风化构造中或黄土与泥岩界面。王家墩滑坡滑带主要分布在第三系泥岩构造带，滑体前端在一、二级阶地形成堆积体（见图3）。

2.2 地质构造与地震

本文将针对祁吕弧形褶皱带与陇西系旋卷构造的复合地段、近东西→北西向发育的构造线展开研究[6]。按照国家地震局的划分标准，强度和频度较高的天水—秦安地震带系青藏高原东北部地震区的天水—兰州地震带。该地段以断裂、褶皱构造为主（晚第四纪以来断裂活动比较活跃），该地段曾经发生过8.2 级地震，这是史料记载的震级最大的地震活动。

分布在天（水）礼（县） 盆地北段的王家墩滑坡 构造较为发育。从晚第三纪开始，该滑坡段 地质活动十分活跃，新构造不断产生，集中体现在频繁的地震活动、河谷两岸高阶地发育、现代河流侵蚀以及显著的下切运动上。黄土和第三系泥岩界面在频发的地质活动中逐渐变得不平整，呈斜坡发育，构造极不稳定。从地貌上看，该段黄土梁峁在侵蚀切割的活动中逐渐呈陡坡深沟发育，山体的平衡性较差，滑坡时有发生。

2.3 地下水及集中降雨

葫芦河是该滑坡地的最大河流，它属于黄河水系中渭河的一级支流，水流常年不断，近些年的史料中有断流的记载。该地段地下水主要是松散层孔隙潜水以及碎屑岩类孔隙裂隙水两种。

该区域滑坡后缘 分布有下降泉的地表泉水点，水量常年在0.5～1m3/d之间，是当地的饮用水的水源点。滑体前缘有呈扇形的连续分布的构造，出露高程在1250m到1320m，地表有8个水量为0.5～2m3/d、可形成积水、主要用来浇灌农田的积水点（见图4）。据钻探资料记载，钻孔中的水主要是呈片状分布不连续的点，受强降雨影响，浅表黄土有可能出现指向冲沟的局部滑动。根据气象数据来看，秦安县每年的降雨量平均值为448. 8 mm，最大降雨量达到了713. 1 mm，一次最大94. 1 mm，持续17 d。但是从《天水市志》中也有“秦州大雨倾盆，山水泛滥，冲入城内，淹没农舍”的气象记录[7]。

3 滑坡体的建模与参数分析

3.1 滑坡体三维模型的构建

从上述地质、气象分析来看，王家墩滑坡体积大，并且分布在地质构造复杂的区域，故本文特选取滑坡体典型工程地质剖面图来构造简化三维计算模型，利用该模型进行深入分析。简化三维计算模型X（剖面垂直方向）方向-2921.59m，Y（线路轴线方向）方向-10m，Z（竖向）方向-526.25m。

各岩层材料均采用莫尔-库仑弹塑性计算模型，结合该滑坡工程地质勘察资料和以往同类型工程的地勘经验最终确定表1所示各地层基本岩体力学参数。

3.2 建模计算结果

一直以来，滑坡稳定性分析作为滑坡治理的前提和依据，在岩土工程领域始终是热门研究课题[8]。鉴于安全系数的原理及物理意义简单清晰，工程界常常用这种原理进行边坡稳定性状态的评估。在数值运算环节，滑坡不稳定和数值计算不收敛的情况有可能同步出现，假设通过数值计算不收敛进行边坡不稳定性评价，则天然状态下的滑坡体的稳定系数应当是1.15；若通过运算得到的稳定系数达不到1.0，则将该滑坡归为“不稳定滑坡”，若稳定系数为1.0～1.25，则无法对滑坡不稳定性进行定性，因为即使是同一滑坡带，岩土体分布也可能呈现多变性，而参与稳定性运算的参数的获取方法及取值必然与实际状况有差距， 即便取值与实际状况相符，区区几个参数也不能以偏概全，概括实际岩土体的力学结构。拿节理的赋存情况来说，即便其优势结构面已有统计，但现实中结构面的赋存情况往往会出现明显的变化，这样一来，结构面对滑坡的影响 也仅仅是一个统计资料，因此，应该结合统计资料和工程经验来综合析和评价滑坡稳定性。

3.3 参数分析

在下文中，笔者将结合滑坡的位移场、应力场、塑性区分布特点等多个维度来进行滑坡稳定性的分析和评价。

3.3.1 位移场规律分析

在自重应力下达到平衡后滑体开始发生形变，下图分别是滑坡的整体方向以及Y、Z方向的位移云图。X方向为滑坡体最主要的滑动方向，其次是Z方向（垂向）位移，最小位移Y方向未列出。

由滑坡天然状态位移云图6（a）、6（b）可以看出，滑坡整体处于稳定状态，局部出现较大变形。滑坡体后缘凸起部分浅层位移最大为0.275～0.29m，在外界因素影响下易发生滑移、崩塌；滑坡后缘位移由浅至深逐渐递减。滑坡体前缘中上部的位移最大，最大位移为0.0225～0.0226m，滑坡体前缘位移分布均匀。综上所述，在隧道开挖时，王家墩滑坡后缘凸起部分由于隧道施工的挠动以及在其他不利状态（地震、降雨入渗等）下，坡体出现滑动位移的可能性较大。

如图7所示，天然状态下滑坡滑体的顶部是X方向最大位移区域，最大滑移位移为0.225 ～0.247 m。最大位移区域的下边界是滑体的主要分布区，形成滑动剪出口的可能性很大，主要沿该方向产生向前的滑动位移。如图8所示，天然状态下滑坡滑体后缘下部是Z方向最大位移区域，最大沉降位移在0.2m到0.218m之间。由此可见，王家墩滑坡不稳定区域主要分布在后缘凸起部分，这个地段是滑动破坏比较严重的地段。

从上文的分析来看，该滑坡坡体后段稳定性较差，是最大位移的集中分布区。而据大型堆积体滑坡分析经验来看，坡体在发生滑动位移的过程中，主动下滑的区域主要集中在滑坡后段较陡的滑动面，该区域的主动下滑后，坡度缓的前段坡体会被动地随之下滑。如果要治理这类滑坡，须利用抗滑段的抗滑力与抗滑结构联合作用，共同阻止下滑段下滑。

3.3.2 应力场规律分析

滑坡体的应力分布及岩土的强度特征等是造成滑坡滑动和位移的主要因素[9]。而滑坡体的应力分布又受多种因索的影响，岩体中的初始应力状态、坡形、坡高、岩土体特性和结构特征，都对滑坡和位移具有影响作用，其中作用比较明显的是初始应力状态。通常情况下，在滑坡未形成之前坡体只存在自重应力时，岩土体中的主应力（初始应力）主要呈铅直与水平状态，铅直应力是最大主应力，水平应力是最小主应力。在这种状态下，岩土体中的最大剪应力与最大、最小主应力基本呈45°交角。滑坡在发育成形阶段会产生一个侧向临空面，使坡面周围的岩土体逐渐卸荷回弹，进而使岩体出现应力重分布和应力分异、应力集中等现象。

图9为第一主应力云图，图10为第三主应力云图。在这两幅云图中，滑坡基本呈现压应力状态，且为应力渐变状态，从上到下大致是随着深度变化均匀增加，尚未产生拉应力效应。

3.3.3 塑性区及剪切应变增量分析

塑性区分布面积的大小以及贯通情况可以判断滑坡的稳定性[10]。塑性区分布面积越大，说明滑体处于塑性屈服的区域越大。塑性区的贯通情况说明滑体滑动破坏面的分布情况和发展趋势。塑性区一旦贯通，整个滑动面就基本形成并将沿贯通面发生滑动的趋势。因此判断滑坡体的最危险滑动面，亦可根据滑坡体塑性区图来判断。

滑体中部与基岩接触面、滑坡前缘大部及滑体后缘部分范围内出现剪切破坏塑性区，但滑坡后缘与其接触面塑性区没有贯通，塑性区后缘局部小范围出现零星张拉破坏[11]。天然状况下滑体大部分土体处于剪切破坏状态（图11（a）），说明滑坡稳定性状况不佳，尤其是滑坡后缘顶部区域（图11（b））。也可以直观观察到，shear-n所显示橙色区域的底部曲线即最危险滑动面的可能位置。需要强调的是，计算结果显示的是以Mohr-Coulomb屈服准则為依据的塑性区分布情况，该屈服准则认为材料进入屈服即破坏，事实上土体材料进入屈服并不意味着破坏，它在一定程度上还可以在硬化状态下继续工作，因而滑坡实际的稳定性状态要比计算结果显示的要好一些。但需要说明的是，边坡破坏选用塑性区的范围及其贯通情况作为标准受其它因素的影响很大，塑性贯通是发生破坏的必要条件，不是充分条件。

从图12（a）天然状态下滑坡位移矢量图可以看出，王家墩滑坡从整体上来说是稳定，但局部地区坡体不稳定，易发生滑动破坏。滑坡顶部位移矢量与坡面几乎平行，表现为“剪切”。在区域性强震、暴雨条件下，滑坡体顶部“剪切”区域极有可能发生局部坍塌进而诱发滑坡灾害发生。从图12（b）天然状态下滑坡位移矢量图可以看出，滑坡下缘位移矢量较小，处于相对稳定状态。

4 小结

王家墩滑坡为一巨型切层古滑坡，滑坡发育范围大，次生滑坡发育，宝兰客专线路无法完全绕避，本文以秦安隧道王家墩滑坡为例，从特殊的地层岩性、地质构造与地震、降雨与地下水等角度综合分析了该滑坡的形成原因。并采用三维有限差分软件FLAC3D，对该滑坡模型做一较接近实际的概化，通过建立数值计算模型，研究了该滑坡的稳定性。

参考文献：

[1]吴红刚，陈小云，艾挥.隧道-滑坡斜交体系变形机理的模型试验研究[J].铁道工程学报，2016，33（9）：19-23.

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[3]韩磊.宝兰客专黄土隧道群施工技术[J].建筑工程技术与设计，2014（36）.

[4]吕磊.浅谈七步台阶法在宝兰客专黄土隧道施工中的优化[J].建筑工程技术与设计，2014（11）.

[5]杨连峰.秦安隧道2#横洞下穿G310国道施工技术[J].价值工程， 2014（13）：101-102.

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[7]王洪宾.天水市志[M].方志出版社，2004.

[8]袁媛.重庆市城口县左岚乡场镇滑坡稳定性评价及治理工程设计[D].成都理工大学，2015.

[9]杨光华，张有祥.基于变形场和应力场的边坡稳定性研究[J].2012年南方岩土战略论坛，2012.

[10]沈传新.楼房山滑坡稳定性分析及防治工程研究[D].兰州交通大学，2012.

[11]王卫.堆积层滑坡发生机理及防治措施[J].铁道建筑， 2015（6）：121-124.