沉陷式边坡变形原因分析

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摘要： 边坡一般是指由于自然因素或人为因素形成的斜坡，其变形与失稳破坏有时会造成重大的灾害。沉陷式边坡是指其在变形或破坏过程中，以竖向位移为主的边坡。本文利用PLAXIS有限元程序对此沉陷式边坡的两个变形阶段进行数值模拟，将模拟结果与实际变形对比，分析了此边坡变形的主要原因为：引水隧道开挖时坍塌形成的空洞区未处理，使空洞区上部岩土体下沉，加之人为因素对边坡的影响；致使地表裂缝的形成并逐步增大；地表水通过裂缝、节理裂隙下渗到引水隧道过程中将土体颗粒带走，致使土体抗剪强度降低、弹性模量减小，从而致使沉陷式边坡的形成。

Abstract： Generally， the slope is formed by natural factors and human factors.It can cause significant disaster through the deformation、instability and failure. The settlement type slope which the vertical displacement is given priority in the process of deformation or destruction.This paper uses the PLAXIS finite element program to simulat two stages of this slope deformated. Combinated with the engineering geological conditions， the simulation results and actual deformation slope were compared. Meanwhile it analyzed this slope deformated reason were that the excavation of diversion tunnel collapse when the formation of the hollow area untreated and the influence of human factors.It causes the hollow area the upper rock mass surface crack formed and gradually increased.Then surface water through the cracks， joints and fissures infiltration into the soil in the process of water diversion tunnel particles. It caused the soil shear strength and the elastic modulus reduced tant lead the settlement slope.

关键词： 边坡；沉陷式；变形分析；有限元

Key words： slope；settlement type；deformation analysis；finite element

中图分类号：U416.1+4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）26-0106-03

0 引言

随着国民经济建设与大规模基本建设的进行，尤其是西部大开发的进行，西南地区的工程越来越多；而云南省以山多而著称。由于山区地质构造复杂，生态环境脆弱，随着山区建设速度加快，边坡越来越多，其不仅在失稳破坏阶段造成重大灾害，而且在变形阶段也会造成重大损失[1]。而沉陷式边坡（竖向位移远远大于水平位移）的变形原因分析就变得尤为重要。

PLAXIS有限元程序是荷兰开发的岩土工程有限元软件，该程序界面友好，建模简单，能自动进行网格划分，同时对被模拟对象的重要部位网格可以局部加密以提高计算精度；能够分析的计算类型有：变形、固结、分级加载、稳定分析、渗流计算，同时还能考虑低频动荷载的影响。该程序对岩土体的变形模拟有较好的效果[2]。

基于该有限元程序的优点和沉陷式边坡的特殊性，本文结合工程地质条件及现场踏勘情况，利用PLAXIS有限元程序对边坡两个阶段变形情况进行分析，同时分析其岩土体参数变化情况，为边坡的分析与加固提供一些建议。

1 工程概况[3]

边坡位于214国道云南省丽江—香格里拉段千湖山北延之东麓，其坡角下从西向东依次为某希望小学、214国道、某变电站、冲江河；边坡地形总体陡峻，其北西高、南东低，深切割，属高山峡谷地（见图1）。

据调查在2000年，边坡中部标高约2440m处开始出现裂缝，2002年边坡1区有沉降但不是很明显、B处裂缝发展至10～20cm、C处裂缝发展至2～3cm。2008年，由于降雨过频且雨量很大，边坡1区有明显的沉降、B处裂缝增至50cm，长约280m，呈张开状，高差达1.10～1.50m（见图2、图4）。C处发现裂缝，长约10m，裂缝呈张开状，无充填，裂缝两侧高差达0.90m，宽6～10cm（见图3、图4）。

2 工程地质条件[3]

2.1 地形地貌 边坡位于千湖山北延之东麓，区内总体地势北西高、南东低，属高山峡谷地形，地貌类型属侵蚀、剥蚀高山区地貌地貌。边坡坡度约45°～50°，位于洼地地带上、局部地段基岩出露；大部分地段被植被覆盖，植被以乔木为主，偶间灌木。

2.2 地质构造 区内地质构造属青藏滇缅“歹”字型构造体系和经向构造体系及华夏构造复合部位，区内构造复杂，断裂发育。边坡东面有哈巴雪山西侧的冲江河断裂，长约20公里，走向北北东向，性质不明，沿冲江河展布。

场区内出露基岩为古生界二叠系中统玄武岩组，岩体较完整，呈块状结构。节理裂隙极发育，节理产状受构造作用影响较大。各出露点均不相同且都存在节理面垂直坡面与平行坡面发育，将岩体切割成块状从而形成小型岩质垮塌体。

2.3 水文地质条件 场地地下水属孔隙水及基岩裂隙水，主要受大气降水补给，由于区域地质构造活动强烈，节理裂隙极发育，岩体极破碎，地下水沿节理裂隙面下渗，埋藏较深。本区位于单一斜坡区，属于地下水的径流区，坡下冲江河为地下水的排泄区。区内表部全部为松散岩组孔隙透水岩层。

2.4 构造地质作用 风化玄武岩节理裂隙极发育，主要发育三组优势节理，一组平行于坡面发育，两组垂直于坡面发育，为张性节理，有利于地下水的赋存及运移。

3 有限元分析模型及岩土体参数选择

3.1 有限元分析模型 边坡总体呈近南北向延伸，沉陷坡体长约150m，宽约100m，标高介于2398.00～2442.00m之间；在边坡右下方有一引水隧道（见图1）。用PLAXIS进行二维分析，选择程序中的平面应变模型和15节点单元；模型取310m×498m，共划分了3240个单元（见图5）。模型从上向下颜色分别代表：碎石土层、块石层和风化玄武岩层。

3.2 岩土体参数的选择[6] 在材料选择时，PLAXIS程序对每种材料的力学行为提供三种选择：排水条件的力学行为、不排水条件下的力学行为和无空隙条件下的力学行为。

本文在建立模型时，选择了摩尔—库伦型材料及其在排水条件下的力学行为进行数值模拟。需要岩土体的主要参数分别为：水位以上土的重度γunsat、水位以下土的重度γsat、弹性模型E、泊松比υ、摩擦角？准、粘聚力c和剪胀角。边坡有限元分析参数如表1、表2，取自《220kV迪庆变电站山体边（滑）坡岩土工程详细勘察报告》。

对于岩土体材料，采用非关联流动法则，ψ取值尚无统一定论，此处均取近似值0。

4 有限元模拟结果及变形原因分析

4.1 有限元模拟结果 图6、图7分别为边坡在2002年变形的总位移图与竖向位移图，图8、图9分别为边坡在2008年变形的总位移图与竖向位移图。

由图6和图7知，2002年边坡变形为：1区的总位移最大为1.1m、竖向最大位移为0.9m，从坡顶到引水隧道方向位移逐步减小。B的总位移为15cm、竖向位移为5cm；C处总位移为7cm、竖向位移为3cm。

由图7和图8知，边坡从2002年到2008年中：1区总位移最大从1.1m发展到3.8m、竖向最大位移从0.9m发展到3.2m；同样，从坡顶带引水隧道方向位移逐步减小。B的总位移从15cm发展到1.8m、竖向位移从5cm发展到1.4m，C处总位移从7cm发展到80cm、竖向位移从3cm发展到70cm。从上分析知，边坡从2002年到2008年发展过程中，边坡变形以竖向位移为主。

结合勘察报告与现场踏勘分析知，有限元模拟结果与边坡实际变形基本吻合。

4.2 变形原因分析 结合以上分析、现场踏勘及勘察报告知，边坡（以竖向位移为主）发生变形的原因为：

1998年螺丝湾水电站在1区底部施工引水隧洞时，隧洞发生严重塌方现象，施工方未对垮塌形成的空洞区进行处理，空洞区便为上部边坡的的沉陷提供了空间，使一定范围内的风化破碎玄武岩节理裂隙加大；附近居民开垦了边坡上部田地、破坏了植被，灌溉水、雨水等各种因素致使边坡裂缝的出现。

富集在边坡顶部B处的地表水（降雨、灌溉水、饮水管线漏水）通过裂缝、节理裂隙下渗到引水隧道中，其中下渗的地表水将各土层中的土体颗粒带到引水隧道中（土颗粒被引水隧道中的水流带走），致使土体抗剪强度降低、弹性模量减小（见表1、表2）；如此反复，更多的土颗粒被带走，边坡A区沉陷越来越大并且向引水隧道方向越来越小，B、C处变形越来越大。

5 结论

通过以上分析，有如下结论：

①边坡从2002年到2008年中，变形主要在1区且以竖向位移为主即为沉陷式边坡。

②沉陷式边坡形成的原因为：由于边坡1区底部引水隧道开挖时坍塌形成的空洞区未处理，致使空洞区上部岩土体下沉；加之人为因素的影响；地表水通过裂缝、节理裂隙下渗到引水隧道中（土颗粒被引水隧道中的水流带走），致使土体抗剪强度降低、弹性模量减小；如此反复，边坡沉陷越来越明显。

③边坡上部须做好排水措施，排出富集于坡顶附近的地表水，同时减少在边坡上部灌溉耕田、修补引水管线漏水处，以防地表水下渗致使坡体继续沉陷。

④通过数值模拟与边坡实际情况对比分析知，PLAXIS有限元软件在边坡成因分析中有一定的准确性，且建模简单。

参考文献：

[1]郑颖人，陈祖煜等.边坡与滑坡工程治理（第二版）[M].人民交通出版社，2010.

[2]北京金土木软件技术有限公司.PLAXIS岩土工程软件使用指南.

[3]工程地质手册（第四版）.北京：中国建筑工业出版社，2007.

[4]220kV迪庆变电站山体边（滑）坡岩土工程详细勘察报告[R].中国有色金属工业昆明勘察设计研究院，2002、2009.

[5]赖正发，王晓楠等.非完整型沉陷式滑坡成因分析[J].科学技术与工程，2012，12（9）：4827-4831.

[6]唐晓松，郑颖人等.应用PLAXIS有限元程序进行渗流作用下的边坡稳定性分析[J].长江科学院院报，2006，23（4）：13-16.