珠海某隧道洞口崩塌邊坡穩(wěn)定性分析

于志偉，姜照容

（廣東省地質(zhì)局第一地質(zhì)大隊(duì) 廣東珠海 519001）

0 引言

如今工程建設(shè)蓬勃發(fā)展，如公路、隧道等施工建設(shè)中邊坡穩(wěn)定問(wèn)題［1-2］不可避免，尤其是存在山體開(kāi)挖［3］的工程建設(shè)。諸多學(xué)者針對(duì)不同地質(zhì)環(huán)境下工程建設(shè)中的邊坡穩(wěn)定性［4-7］、數(shù)值模擬方法［8-9］及治理手段［10］進(jìn)行了探究。不僅是在建設(shè)開(kāi)挖過(guò)程中，工程建設(shè)完成投入使用后，改造山體而引發(fā)的崩塌［11］、滑坡［12］等地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題的防治工作也至關(guān)重要。本文針對(duì)珠海某隧道口崩塌邊坡，結(jié)合其工程地質(zhì)情況，利用理正軟件和Geo Studio 軟件分析該邊坡受暴雨作用滲流特征及其對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，并提出治理建議。

1 工程概況

工作區(qū)地處珠海市某隧道，受連日強(qiáng)降雨影響，隧道南洞口東側(cè)發(fā)生崩塌地質(zhì)災(zāi)害（見(jiàn)圖1），崩塌處山體邊坡經(jīng)人工削坡，坡面近東西向展布，坡向160°，高度約20～35 m，坡度50～60°，崩塌區(qū)位于隧道南洞口上方東側(cè)，先后發(fā)生2 次，屬淺層滑移式崩塌，寬度約25 m，崩塌深度0.5～1.0 m，崩塌面積約700 m2，體積約300 m3，崩塌體以強(qiáng)風(fēng)化花崗巖夾中風(fēng)化花崗巖碎塊石為主。在隧道洞口上方平臺(tái)坡腳處堆積中風(fēng)化花崗巖崩塌堆積物以碎石、塊石為主，少量風(fēng)化土，現(xiàn)狀規(guī)模為小型，將隧洞口一角的人造景觀石砸壞。

2 工程地質(zhì)環(huán)境

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察可知工作區(qū)內(nèi)危巖及崩塌堆積體的分布概況（見(jiàn)圖2），并將工作區(qū)分為5 個(gè)斷面進(jìn)行地質(zhì)剖析，借助專(zhuān)業(yè)巖體分析軟件分析邊坡穩(wěn)定性，為后續(xù)治理方案提供支撐。

3 崩塌邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

3.1 基于理正軟件的穩(wěn)定性計(jì)算

“理正巖土計(jì)算分析軟件”是一個(gè)適用于土質(zhì)邊坡和巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析的計(jì)算軟件。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)土樣的土工分析得到邊坡巖土體計(jì)算參數(shù)（見(jiàn)表1），利用理正軟件對(duì)崩塌邊坡5個(gè)剖面進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，探究該邊坡各剖面在一般工況和地震工況下的穩(wěn)定系數(shù)（見(jiàn)表2）。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Geotechnical Physical and Mechanical Parameters

邊坡節(jié)理裂隙發(fā)育，不同地段差異變化較大，邊坡結(jié)構(gòu)面總體從西側(cè)-東向結(jié)構(gòu)面結(jié)合差-結(jié)合很差過(guò)渡，不同的地段根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行取值，邊坡西側(cè)可取大值，東側(cè)取小值，具體結(jié)合實(shí)際情況綜合考慮，結(jié)構(gòu)面結(jié)合差的地段內(nèi)摩擦角取20°～24°，粘聚力取54～69 kPa，結(jié)合很差的內(nèi)摩擦角可取17°，粘聚力取46 kPa。

由表2 可知，在一般工況和地震工況下1-1′剖面、2-2′剖面、3-3′剖面、4-4′剖面穩(wěn)定系數(shù)大于1，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；而5-5′剖面在地震工況下穩(wěn)定系數(shù)為0.963，為最危險(xiǎn)剖面，邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài)，需要進(jìn)行治理。

表2 剖面穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果Tab.2 Results of Section Stability Coefficient

3.2 基于Geo Studio軟件的滲流及穩(wěn)定性計(jì)算

暴雨是邊坡崩塌的主要誘因，本研究借助Geo Studio 軟件探究暴雨工況下崩塌邊坡的入滲特征及其對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

3.2.1 計(jì)算原理

本次研究采用Geo Studio 中的SEEP/W 模塊進(jìn)行暴雨工況邊坡滲流場(chǎng)計(jì)算，采用SLOPE/W 進(jìn)行降雨滲流作用下的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，其基本原理如下：

⑴飽和-非飽和滲流基本理論（SEEP/W）

水在非飽和土區(qū)滲流時(shí)滿足達(dá)西定律，非飽和土中滲透系數(shù)由基質(zhì)吸力或體積含水量求得，根據(jù)土水特征曲線并結(jié)合達(dá)西定律和連續(xù)方程，得到二維飽和-非飽和地下水運(yùn)動(dòng)的基本方程：

式中：kx、ky分別為x和y方向的滲透系數(shù)；H為總水頭；θ為體積含水率；t為時(shí)間；ρw為水的密度；g為重力加速度；mw為比水容重，應(yīng)用Geo-studio軟件中的SEEP/W地下水滲流模塊求解式。

⑵邊坡穩(wěn)定性分析基本理論（SLOPE/W）

本文運(yùn)用極限平衡法中常用的Morgenstern-Price法分析降雨入滲過(guò)程、不同降雨強(qiáng)度及不同降雨歷時(shí)邊坡的穩(wěn)定性變化。

Morgenstern-Price 法是一種假設(shè)相鄰?fù)翖l之間的切向力和法向力是函數(shù)關(guān)系的方法，通過(guò)不斷迭代并結(jié)合土體邊界條件求解邊坡安全系數(shù)。

土條法向條間力En需滿足條件：

其中，y=Ax+B，λ、A、B 為任意常數(shù)；X為切向條間力；E為法向力。結(jié)合SEEP 模塊的計(jì)算結(jié)果，采用Morgenstern-Price法應(yīng)用SLOPE模塊進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。

3.2.2 計(jì)算模型

由3.1 節(jié)計(jì)算結(jié)果可知，5-5′剖面為最危險(xiǎn)剖面，因此將該剖面作為計(jì)算模型。邊坡巖土體主要分為3層：中風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖和覆蓋于邊坡上部的礫質(zhì)黏性土。計(jì)算模型如圖3所示。

3.2.3 計(jì)算結(jié)果

利用Geo Studio 軟件模擬邊坡在暴雨工況下（50 mm/day）連續(xù)降雨5 d的滲流結(jié)果可知：降雨第2天，雨水主要通過(guò)坡面礫質(zhì)粘性土覆蓋層滲入坡體，如圖4?所示；降雨第3 天，雨水沿坡體表面向下徑流，如圖4?所示；降雨第4 天，雨水開(kāi)始向深部滲透，由礫質(zhì)粘性土層向強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層入滲，由圖4?所示；降雨第5天，雨水持續(xù)向邊坡內(nèi)部入滲，強(qiáng)風(fēng)化層雨水滲流逐漸貫通，坡腳處雨水向中風(fēng)化花崗巖巖層界面逐步滲透，如圖4?所示。

通過(guò)Geo Studio 軟件計(jì)算的邊坡在降雨過(guò)程中穩(wěn)定系數(shù)的變化（見(jiàn)圖5）可得：暴雨工況持續(xù)到第3 天是，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為0.986，軟件自動(dòng)檢索的最優(yōu)勢(shì)滑移面位于邊坡表面覆蓋層內(nèi)，如圖6?所示，邊坡主要發(fā)生淺層滑移，符合圖4?中雨水主要從在坡面覆蓋層內(nèi)滲流的特點(diǎn)；當(dāng)暴雨持續(xù)到第4 天、第5 天時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)分別為0.865、0.86，軟件自動(dòng)檢索的最優(yōu)勢(shì)滑移面位于邊坡強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層中，如圖6?所示，此時(shí)邊坡發(fā)生整體弧形滑移，符合圖4?和圖4?中雨水已從覆蓋層滲入到強(qiáng)風(fēng)化花崗巖中，并且逐步向邊坡內(nèi)部滲透的特點(diǎn)。

4 崩塌邊坡穩(wěn)定性分析

該邊坡處于隧洞洞口上方，前期隧道掘進(jìn)過(guò)程中的爆破作業(yè)對(duì)邊坡巖體的震動(dòng)影響是不利的，主要表現(xiàn)在巖體中的結(jié)構(gòu)面因震動(dòng)作用進(jìn)一步張開(kāi)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面的結(jié)合力降低甚至喪失，結(jié)構(gòu)面的張開(kāi)也為雨水入滲提供了更好的通道，后期大型重載車(chē)輛快速通過(guò)隧道所產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)邊坡的影響不可忽視。同時(shí)，該邊坡崩塌面坡度較陡，頂部仍存在松散狀態(tài)的巖土體和不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體；此外，整段人工削坡坡度較陡，表層巖土體結(jié)構(gòu)較疏松，珠海雨季較長(zhǎng)，降雨強(qiáng)度大，在強(qiáng)降雨作用或人為活動(dòng)作用下，再次發(fā)生淺層崩塌或滑坡的危險(xiǎn)性大。

第3節(jié)的穩(wěn)定性計(jì)算驗(yàn)證了邊坡再次失穩(wěn)的可能性，由理正軟件計(jì)算結(jié)果可知：在一般工況下邊坡可以保持暫時(shí)穩(wěn)定，但在地震工況下，邊坡穩(wěn)定系數(shù)已不符合《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范：GB 50330—2013》要求；由Geo Studio 軟件計(jì)算結(jié)果可知：若遭遇連續(xù)降雨，雨水通過(guò)邊坡頂部松散巖土入滲，增大土體自重，地下水位升高，在重力作用和動(dòng)水壓力作用下，邊坡易發(fā)生淺層崩塌；隨著雨水的通過(guò)巖體結(jié)構(gòu)面持續(xù)向邊坡內(nèi)部入滲，邊坡抗剪強(qiáng)度降低，雨水軟化坡腳填土，邊坡底部失去支撐，易發(fā)生整體滑坡。

5 總結(jié)

綜上所示，該邊坡受降雨及人類(lèi)工程活動(dòng)的影響，極可能再次發(fā)生崩塌或滑坡，對(duì)隧道洞口、過(guò)往車(chē)輛和人員造成傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。因此，該邊坡必須采取行之有效的治理方案以保障人身和財(cái)產(chǎn)安全。對(duì)于該邊坡的治理，有以下幾點(diǎn)建議：

⑴對(duì)坡腳進(jìn)行反壓及水泥硬化，增大阻滑力的同時(shí)防止雨水入滲軟化坡腳土體；

⑵對(duì)坡面進(jìn)行硬化或綠化，同時(shí)完善截排水系統(tǒng)，防止雨水和其他排水浸入邊坡土體；

⑶可采用放坡+錨桿（索）格構(gòu)梁，平臺(tái)標(biāo)高及放坡坡率結(jié)合施工便道過(guò)渡。

目前的主流巖土分析軟件力學(xué)模型較簡(jiǎn)單，計(jì)算結(jié)果相對(duì)保守；而逐漸興起的有限單元、離散單元等方法存在計(jì)算模型復(fù)雜，影響參數(shù)繁多，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果受人為選定影響，難以服眾。因此在工程建設(shè)的分析中，采用多方法結(jié)合的計(jì)算分析結(jié)果，對(duì)邊坡失穩(wěn)的內(nèi)在因素和外部因素進(jìn)行綜合分析，找到邊坡失穩(wěn)的重點(diǎn)條件，進(jìn)行針對(duì)性治理，有利于提高防災(zāi)減災(zāi)的效率。