岩羊村滑坡灾变机理及工程效果全过程数值分析

廖小平，徐风光，周文皎，彭浩然，魏家旭

(1.中铁科学研究院有限公司，四川 成都 610036；2.中国铁道科学研究院集团有限公司，北京 100081；3.云南省建设投资控股集团有限公司，云南 昆明 650000)

0 引言

山区道路建设引起滑坡灾害严重且不可避免，尤其是古老滑坡复活变形破坏，往往规模较大，性质复杂，处理困难，增加投资，延长工期，甚至造成严重的灾害损失，危害和威胁交通运营安全[1-4]。

为确保路堑边坡的开挖稳定以及针对古老滑坡灾害及时做出防护加固工程治理[5-10]，近年来，国内外很多专家学者围绕该类问题做了大量研究工作，并取得了积极的进展[11-14]。

张玉成等[15]结合某水库古滑坡体工程，研究了古滑坡体在库水位及滑带土参数变化下的稳定性影响，并对不同加固类型作用下滑坡体应力场和位移场的改变进行对比分析，得到了应重点针对高应力水平区及大位移区域实施加固的设计方法；任三绍等[16]采用 FLAC3D数值模拟方法对红花屯滑坡的稳定性进行了研究分析，确定了边坡开挖及强降雨作用造成该古滑坡发生局部复活的原因，并采用相应治理措施达到控制成效；王浩等[17-18]基于边坡稳定度反分析思路，利用数值仿真模拟挖方边坡的卸荷回弹阶段、剪切破裂阶段和失稳破坏阶段全过程的演化规律和发展趋势，解释了路堑高边坡在开挖卸荷松弛阶段的力学机理，总结了边坡由于开挖扰动、卸荷损伤等引起的失稳机制，提供了边坡病害治理的理论依据；张晓平等[19]以张家口-石家庄高速公路类土质路堑边坡为例，采用颗粒元程序建立边坡数值模拟，结合现场监测动态分析边坡破坏过程，确定了数值分析结合现场监测的研究方法,对边坡变形做出趋势性预测。

本研究为探究香丽高速公路岩羊村滑坡的演化过程与灾变机理，采用Rock Science岩土开挖支护分析有限元软件RS2，对岩羊村滑坡的自然状况、开挖卸荷、回填反压、支挡加固等全过程进行了数值模拟分析，以揭示古老滑坡复活变形破坏机制，并评估其整治工程效果，可以为类似古老滑坡路段路堑边坡工程的设计计算与病害整治提供参考。

1 岩羊村滑坡灾害发育特征及整治对策

1.1 工程概况

岩羊村滑坡位于云南省香格里拉至丽江高速公路K92+100～K92+600段、金沙江右岸，属于构造侵蚀中山峡谷地貌，自然斜坡为折线型，上陡下缓，小范围内横坡分布多级缓平台和陡坡，如图1所示。受路堑边坡开挖卸荷及持续降雨影响，2016年11月，边坡开挖原设计第2级时，K92+365～K92+600段路堑边坡发生较大规模的滑动变形和破坏，该滑坡为路堑边坡开挖引起的一老滑坡的局部复活。场区斜坡上覆第四系崩坡积层、残积土层，下伏基岩为三叠系下统全风化板岩、强风化板岩、中风化板岩夹灰岩，典型地质断断面如图2所示。

图1 滑坡工程地质平面图Fig.1 Engineering geological plane of landslide

图2 滑坡工程地质断面图Ⅰ-Ⅰ(K92+451)Fig.2 Engineering geological sectionⅠ-Ⅰ(K92+451) of landslide

老滑坡沿路线纵向里程为K92+100～K92+600段，两侧各发育一条冲沟，后缘分布一平台，长约50 m，宽约30 m，距后缘60 m处的滑坡坡面发育3条裂缝，宽1.5～4 m，长60～160 m，可见深度1.0～1.5 m，植被茂密，出现“马刀树”，前缘出现多级小平台和陡坎，坡面零乱，坡度较缓。滑坡滑带为全、强风化板岩，深度为14.3～37 m，平均厚度25 m，滑坡体积约为383×104m3，属于大型顺层岩石滑坡。

新滑坡为路堑边坡滑坡，并诱发老滑坡中后部的局部复活，主要原因为路堑边坡开挖卸荷及持续降雨，沿路线纵向里程为K92+365～K92+600。路堑边坡滑坡后缘张拉下挫，拉张裂缝宽1～2 m，可见深度1～2 m，滑坡周界已贯通，侧界剪切裂缝宽0.5～1.2 m，可见深度1～2 m，前缘沿顺倾的板岩似层面剪出，滑带深度5～25 m，平均厚度15 m，滑坡体积约为36×104m3，属于中型堆积层滑坡。

1.2 滑坡灾变过程及主要工程对策

岩羊村滑坡自2016年3月路堑开挖施工以来，直至2019年12月通车运行，经历2次较大的变形破坏，并相应实施了系统的工程治理。

(1)第1次灾变过程及防治工程对策

香丽高速公路K92+100～K92+600段左侧路堑边坡原设计5级开挖，第1，2级坡率为1∶0.5，第3，4，5级坡率为1∶0.75，单级坡高10 m，平台宽度2 m，采用全坡面预应力锚杆框架加固。2016年11月，受开挖卸荷及持续降雨影响，边坡开挖第2级边坡时，K92+365～K92+600段边坡发生较大规模滑动，后缘拉裂下错，周界贯通，前缘沿顺倾板岩似层面剪出。为了防止滑坡规模进一步扩大及对路基路面工程造成破坏，立即在滑坡前缘进行了应急反压，并进行了方案变更设计，主要采用刷方卸载、预应力锚索抗滑桩支挡和预应力锚索框架加固等措施。

(2)第2次灾变过程及防治工程对策

2019年9月，在K92+100～K92+600段左侧路堑边坡支挡加固措施已施工完成的基础上，边坡局部再次发生变形破坏。K92+210～K92+280段边坡发生塌方，K92+428～K92+600段4～6级边坡出现不同程度下沉变形，造成45根锚索锚具脱落，第4，5级平台出现大量裂缝和水沟下沉现象。为防止边坡变形进一步扩大，在第5，6级平台增补了抗滑桩和预应力锚索地梁等补强加固工程措施。

2 滑坡演化过程模拟及发生机理分析

2.1 计算模型及岩土参数

根据勘察设计资料，结合滑坡现场调查，按图2所示典型工程地质断面(K92+451)，并对其地形区域进行了相应延伸，建立图3所示的二维平面应变数值计算模型。

图3 滑坡数值计算模型Fig.3 Numerical calculation model of landslide

该滑坡模型从上到下地层分别为第四系堆积层、全风化板岩、强风化板岩、中风化板岩，模型底部为双向零位移边界，两侧采用水平零位移边界，模型材料为理想弹塑性Mohr-Coulomb本构模型。滑坡中考虑了老滑动面影响，采用节理单元，在全风化板岩和强风化板岩分界面模拟了老滑动面，不考虑其他岩体结构面，地下水的作用和影响综合体现在其岩土强度参数中。

滑坡岩土体和老滑动面的力学参数由该滑坡相关试验成果及稳定状态反分析方法综合确定，如表1和表2所示。

表1 岩土物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of rock and soil

表2 老滑动面力学参数Tab.2 Mechanical parameters of old sliding surface

2.2 滑坡演化过程

首先，计算了自重条件下原始斜坡初始应力场，采用强度折减法计算其稳定系数为Fs=1.25，边坡处于稳定状态，与现场实际情况相符(该滑坡在路堑边坡开挖之前未发现任何变形活动迹象)。

然后，按初始设计方案，模拟分析路堑边坡逐级开挖卸荷过程(降雨对边坡的影响，通过岩土体强度参数折减考虑)，重点研究开挖过程中的应力松弛特征、最大剪应变及塑性区的变化规律，并采用强度折减法计算其稳定系数，观察潜在破裂面的发育、发展和贯通过程。

(1)开挖应力松弛

基于作者前期研究成果[2]，以开挖过程中的大主应力增量变化来研究其开挖卸荷的应力松弛规律。开挖历时过程中的大主应力增量Δσ1变化如图4所示(各开挖时步云图变化量值范围一致)。

图4 路堑边坡开挖过程中大主应力变化量云图(单位:kPa)Fig.4 Nephograms of large principal stress variation during cutting slope excavation(unit:kPa)

边坡开挖1级后(从上至下，下同)，应力就开始调整，主要表现为坡脚局部范围应力集中，路基面附近受开挖卸荷影响，应力逐渐松弛(下同，不再赘述)。

边坡开挖2级后，应力调整明显增大，此时步第1级边坡(自下而上，下同)上部表层应力松弛，坡脚应力集中，并发现在表层应力松弛外侧和坡体内部沿老滑动面形成2个应力集中区。

边坡开挖3级后，应力继续调整，在边坡第1级和第2级中上部之浅表层形成明显的应力松弛区，应力松弛区左下侧形成1个应力集中区；路基下方靠近老滑面附近也出现1个应力松驰区，相应地，坡体内沿老滑动面的应力集中区向上延伸，范围增大。

边坡开挖4级后，应力调整急剧加大，边坡第1～3级开挖面浅表层形成1个“贯通”的应力松弛区，坡体内部沿第四系堆积体和全风化砂质板岩交界面、老滑动面、强风化和中风化交界面形成3个带状应力集中区。

由上述分析得到，该路堑边坡逐级开挖过程中，边坡浅表层应力松弛范围逐渐向内和向上扩大，同时在坡体内部、堆积界面、老滑动面形成3个应力集中带，并不断向上扩展，这些应力状态的调整和变化将成为其变形破坏发展的起源和控制。

(2)塑性区的形成及发展

路堑边坡开挖过程中的塑性区发育与分布云图如图5所示。

图5 路堑边坡开挖过程中塑性区云图Fig.5 Nephograms of plastic zone during cutting slope excavation

边坡开挖1级后，坡面卸荷松驰，局部受拉进入屈服。

边坡开挖2级后，出现明显塑性区，主要在边坡表层(对应边坡卸荷松弛区)和路基面卸荷回弹区。

边坡开挖3级后，塑性区发展扩大，边坡浅表层出现贯通的塑性区(对应边坡卸荷松弛区)，同时在其下部对应老滑面附近开始形成塑性区，并在坡体上部产生屈服拉裂。

边坡开挖4级后，浅表层大面积出现贯通的塑性区，沿堆积层和全风化交界面向上延伸，同时边坡开挖顶部自然斜坡局部多处出现受拉塑性区。

(3)最大剪应变的发展趋势

路堑边坡逐级开挖过程中的最大剪应变云图如图6所示。开挖1级后，边坡变形以坡面松驰和路基回弹变形为主；开挖2级后，坡面松驰和路基回弹变形范围持续扩大，并依附堆积面和老滑面产生剪切变形带；开挖3级后，主要表现为依附堆积面和老滑面的剪切变形带向后向上延伸和扩大；开挖4级后，路堑边坡坡体内的滑裂面贯通，沿第四系堆积层和全风化交界面产生较大的滑动变形。

图6 路堑边坡开挖过程中最大剪应变云图Fig.6 Nephograms of maximum shear strain during cutting slope excavation

可见，随着边坡逐级开挖，路堑边坡受开挖卸荷影响，浅表层开始出现变形，老滑坡后缘逐渐形成张拉裂缝，坡体内部滑裂面沿第四系堆积层与全风化层交界面和老滑动面向上逐渐贯通(与开挖过程中坡体内部应力增高带对应)，从而诱发路堑边坡变形破坏和老滑坡局部复活，即路堑边坡滑坡后缘拉裂缝贯通下错，老滑坡后部坡面出现多条拉裂缝，此时计算稳定系数Fs=1.01。

2.3 滑坡形成原因和灾变机理

香丽高速公路岩羊村滑坡是内外因多重因素共同作用引起的，自身复杂地质条件是引起滑坡的关键因素，路堑边坡的开挖卸荷作用和外界持续降雨是诱发滑坡产生的主要原因。

(1)不良地质基础

该段斜坡体为一古老滑坡堆积体，其斜坡初始稳定性差。在老滑坡堆积体前部开挖路堑边坡时，易引起路堑边坡的变形滑动，诱发老滑坡的复活。

(2)脆弱坡体结构

该段路堑边坡的上部地层主要为第四系堆积碎石土，碎石主要为中风化的板岩和灰岩块，以粉质黏土充填，土体松散，强度低。这些都为滑坡的形成提供了必要的物质基础。

边坡中下部为滑动过的全风化板岩、强风化板岩，为薄片状或板状，节理裂隙发育，岩块松脱，板理面呈丝绢光泽，含绢云母，绿泥石，呈碎裂结构，岩芯呈碎块石、角砾或土状，亲水性强，地质条件差。坡脚揭露的岩层产状为215°∠15°～250°∠25°，与边坡坡向基本一致，为边坡的变形滑动提供了潜在依附面。

(3)开挖卸荷作用

岩羊村滑坡受前部路堑边坡开挖卸荷作用，打破了原有斜坡的力学平衡，在路堑边坡开挖面附近形成了1个“贯通”的卸荷松弛区，卸荷松弛区内岩土体首先进入塑性屈服，同时坡体内沿老滑动面和堆积界面向上形成应力集中区，使边坡内部岩土体沿老滑动面和堆积界面或风化界面产生蠕动变形，后缘张拉裂隙逐渐形成。

(4)大气降雨影响

边坡上部堆积层碎石土，土体松散，空隙大，在持续降雨作用下，雨水极易沿孔隙入渗，使边坡上部碎石土含水量增加、重度增大，滑坡下滑力增大。同时老滑动面和堆积界面受雨水入渗浸水软化，以及滑动面孔隙水压上扬，致使抗剪强度降低，滑坡抗力减小，加剧了边坡的变形和滑动。

基于上述滑坡主要原因分析和滑坡演化过程数值模拟结果，可以总结岩羊村滑坡的灾变机理如下：

边坡开挖1级后，开挖坡脚部位出现应力集中现象；坡面出现应力松驰，局部进入屈服；边坡变形以坡面松驰和路基回弹变形为主。

边坡开挖2级后，除了坡脚应力集中和坡面应力松弛外，可以清晰发现在表层应力松弛外侧和坡体内部沿老滑动面形成两个应力集中区；这时边坡出现明显塑性区，主要在边坡浅表层和路基卸荷回弹区,并且依附堆积面和老滑面产生剪切蠕滑变形带。

边坡开挖3级后，应力调整持续，在边坡第1级和第2级中上部之浅表层形成明显的应力松弛区，应力松弛区左下侧形成1个应力集中区；相应地，塑性区发展扩大，在边坡浅表层出现贯通的塑性区(对应边坡卸荷松弛区)，同时在其下部对应老滑面附近开始形成塑性区，并在坡体上部产生屈服拉裂；主要表现为依附堆积面和老滑面的剪切蠕滑变形带向后向上延伸和扩大。

边坡开挖4级后，应力调整急剧扩大，边坡第1～3级开挖面浅表层形成1个“贯通”的应力松弛区，坡体内部沿第四系堆积体和全风化砂质板岩交界面、老滑动面、强风化和中风化交界面形成3个带状应力集中区；相应地，浅表层大面积出现贯通的塑性区，沿堆积层和全风化交界面向上延伸，同时边坡开挖顶部自然斜坡局部多处出现受拉塑性区；进而导致路堑边坡体内形成贯通滑裂面，产生路堑边坡滑坡变形破坏；同时，沿第4系堆积层界面和老滑动面产生明显的滑移变形，从而诱发老滑坡中后部的复活，老滑坡后缘多处拉裂、下错。

3 整治工程对策模拟与工程效果评价

3.1 工程对策模拟

香丽高速公路岩羊村滑坡在建设施工期间，先后经历了两次较大的变形破坏和工程治理。

本研究采用RS2有限元软件对岩羊村滑坡整治工程对策进行分阶段全过程数值模拟分析，其中包括坡脚回填反压、第1次支挡加固和第2次补强加固等主要工程治理阶段。

(1)坡脚回填反压模拟

2016年11月该路堑边坡滑坡产生后，立即在坡脚进行了反压回填(原设第2级边坡)，设计反压高度4 m，宽度18 m。反压后的稳定系数从1.01提高到1.08，坡体稳定性得到了明显提高，有效地控制了裂缝的发展和扩大，滑坡处于相对稳定状态，为后续整治工程的实施赢得了时间，对该滑坡的治理具有重要的作用和意义。

(2)第1次整治工程对策模拟

在滑坡前缘应急反压工程实施后，系统地设计和实施了第1次整治工程。首先进行刷方卸载，并逐级设置预应力锚索框架加固，然后在坡腰和坡脚增设预应力锚索抗滑桩和桩板墙支挡加固。

具体地，在K92+360～K92+590段边坡第1级设置一排2 m×2.5 m预应力抗滑桩板墙，桩出土4 m，桩长15，20，25，30 m不等，桩间距5 m，锚索预应力为710 kN。边坡在第1级抗滑桩后按1∶1.0坡率刷方卸载，形成9级路堑高边坡，第2～8级边坡坡高8 m，第9级为6 m，设置2 m宽平台，第3级平台为8 m。各单级边坡采用预应力锚索框架梁加固，框格梁间距4 m×4 m，锚索长25 m，30 m，预应力为710 kN。在第3级平台内设一排2 m×3 m和2 m×2.5 m预应力锚索抗滑桩，桩间距5 m，桩长均为30 m,预应力为710 kN。在边坡坡口线外33 m处设置1排1.5 m×2 m抗滑桩，桩间距5 m，桩长均为30 m。

该滑坡病害经第1次支挡加固工程整治后，在天然工况条件下的K92+451断面数值模拟计算结果如图7所示，计算稳定系数Fs=1.17。

图7 第1次整治工程实施后最大剪应变云图Fig.7 Nephograms of maximum shear strain after the first renovating project

(3)第2次整治工程对策模拟

2019年9月，在岩羊村滑坡支挡加固措施已施工完成的基础上，边坡再次发生局部变形破坏，因此设计实施了第2次补强加固工程，即增设了2排抗滑桩和1排预应力锚索地梁。

具体地，在K92+199～K92+345段左侧第5级边坡平台上设置1排2 m×1.5 m抗滑桩，桩间距5 m，桩长30 m。在K92+430～K92+510段左侧第6级边坡平台上设置1排2 m×1.5 m抗滑桩，桩间距5 m，桩长30 m。在K92+360～K92+535段左侧第5级边坡锚索框架梁的中间增加1排锚索地梁，锚索长30 m，预应力710 kN。

该滑坡病害经第2次补强加固工程整治后，在天然工况条件下的K92+451断面数值模拟计算结果如图8所示，计算稳定系数Fs=1.23。

图8 第2次整治工程实施后最大剪应变云图Fig.8 Nephograms of maximum shear strain after the second renovating project

3.2 工程效果评价

岩羊村滑坡路段由于路堑开挖引起古老滑坡复活变形和破坏，滑坡病害整治历经回填反压、改坡刷方、第1次支挡加固和第2次补强加固等工程对策，并且在第1次支挡加固工程实施过程采用了逐级开挖逐级加固的施工工序。纵观其整治历时过程，可划分为起始、路堑开挖、回填反压、第1次整治、局部工程失效和第2次整治等6个主要工程阶段，相应地共分为21个工程对策时步,如表3所示。

表3 滑坡病害整治工程时步及稳定性计算结果Tab.3 Calculated time steps and stability of landslide disaster renovating project

如前所述，本研究针对岩羊村滑坡，在宏观迹象调查评估的基础上，从灾害演化过程到整治历时过程进行分阶段全过程数值模拟分析，研究探讨滑坡应力松弛状况、塑性区分布特点和最大剪应变发展趋势，并采用强度折减法计算稳定系数。各时步坡体稳定性状态如图9所示。

图9 滑坡整治工程对策历时稳定性状态变化Fig.9 Changes of continual stability state of countermeasures for landslide renovating project

其中，在起始阶段，即边坡开挖之前，计算坡体稳定系数Fs=1.25，与该古老滑坡在高速公路建设前历经多年未发现任何变形和破坏的宏观现象一致。

在路堑边坡开挖阶段，当边坡开挖4级，即开挖第2级边坡后，路堑边坡产生严重变形和破坏，并诱发古老滑坡局部复活。此时计算坡体稳定系数Fs=1.01，接近极限平衡状态。

在第2级边坡回填反压阶段，反压后的稳定系数达到1.08，宏观调查反映坡体变形破坏进入一个相对稳定状态，达到反压的作用和功能。

第1次支挡加固工程实施后，坡体稳定系数Fs=1.17，滑坡总体基本稳定，局部稳定性差。

时至2019年9月，局部工程失效，造成45根锚索锚具脱落，此时计算坡体稳定系数Fs=1.07。具体地，K92+210～K92+280段发生边坡塌方，K92+428～K92+600段4～6级边坡出现不同程度下沉变形，第4，5级平台出现大量裂缝和水沟下沉现象，宏观变形与数值分析计算结果基本吻合。

第2次补强加固工程实施后，坡体稳定系数Fs=1.23，滑坡稳定性定量计算结果满足相关规范要求。

4 结论

针对香丽高速公路岩羊村滑坡，采用数值模拟分析方法，反演了滑坡灾害的演化过程及整治历时过程，实现了滑坡灾变与治理的全过程模拟，并得出以下结论：

岩羊村古老滑坡路段路堑边坡开挖产生卸荷应力松驰，在路堑边坡坡脚附近和中上部古老滑动面及覆盖土层堆积界面等软弱不连续面产生应力集中积聚。在路堑开挖和持续降雨的共同作用下，开挖边坡浅表层首先开始松弛屈服，然后是开挖坡面下部对应的古老滑动面及堆积界面相继进入剪切屈服，产生蠕动滑移变形，并向上牵引发展和向下推挤扩大直至贯通。从而产生路堑边坡滑坡破坏、覆盖土层沿堆积界面滑移、以及古老滑坡体中后部复活变形。

岩羊村古老滑坡病害演化与工程整治历经路堑开挖、回填反压、第1次整治、局部工程失效和第2次整治等5个主要工程阶段和21个工程对策时步。工程整治对策全过程数值模拟预测评估揭示，其坡体稳定状态从路堑边坡开挖失稳接近极限平衡状态，到应急反压后达到相对稳定状态，充分显示应急反压回填工程的有效性；其次，第1次支挡加固工程实施过程模拟和稳定性评估结果较好地反映了逐级刷方逐级锚固工序的必要性，并使滑坡总体达到基本稳定状态；最后，第2次补强加固工程实施后，其数值模拟评估结果显示滑坡处于稳定状态，滑坡稳定性定量计算结果满足相关规范要求。对比宏观变形迹象调查与数值分析计算结果，其各阶段工程整治效果评估结果基本相符。