三维地质建模在某边坡治理中的应用

三维地质建模在某边坡治理中的应用

李开洋，唐正辉，刘先林，匡 波

【摘 要】三维地质建模能模拟边坡在实际工况下的应变，对防护形式进行设计及优化。文章结合某高速公路边坡滑塌处治实例，利用三维有限差分软件FLAC 3D对边坡进行二次防护设计，边坡施工完成后监测数据显示边坡稳定性增强，能满足高速公路的安全运营。 【期刊名称】西部交通科技 【年(卷),期】2017(000)004 【总页数】4

【关键词】三维地质；边坡治理；数值模拟；监测

0 引言

某高速公路边坡设计为三级坡，采用挂钢筋网喷混凝土防护。施工过程中，当左侧边坡开挖至第一级边坡坡顶时，由于连续降水，且边坡尚未及时封闭，导致第二～三级边坡出现滑塌，继而在持续暴雨天气影响下，滑塌规模进一步发展扩大，后方岩土体出现整体滑移。因此需对边坡进行二次防护设计。 FLAC3D是三维有限差分软件，计算速度快且精度高，能模拟连续介质体的大变形，本文以FLAC3D模拟该边坡在实际工况下，地质体所产生的应变，从而对该边坡进行二次防护设计及优化。

1 项目概况

1.1 地质条件

边坡区为剥蚀丘陵地貌，地形起伏不大，地面高程约195～330 m，最大相对高

差约135 m。高速公路设计路线呈东北-西南走向，从山坡西侧山腰穿过。山体自然坡度上陡下缓，坡角8°～35°。地表多被第四系坡残积层覆盖，开挖坡面尚未进行绿化。

边坡路基中线设计标高在203.9～204.9 m之间，自下往上，左侧边坡原设计坡率为1∶1、1∶1.25、1∶1.5，为三级坡，边坡最大挖方高度约25.2 m，挖方段长度约290 m。

边坡岩性从老至新依次为：黏土，厚约10 m；全风化泥质粉砂岩，厚约13 m；灰岩最大厚度为22 m，未钻穿。 1.2 边坡滑坡体形态特征 边坡具体形态特征如图1所示。

(1)滑坡平面特征：滑坡体在平面上大致呈圆弧形，后缘圈椅状地形特征明显，前缘受边坡开挖影响呈折线形。

(2)滑动带：由于该滑坡处于蠕动发展阶段，滑动带不明显，根据现场钻探结果，推测滑动面位于原自然坡面以下3～12 m处，滑动带岩性主要由黏土构成，软～可塑状，揭示厚度4.50～7.10 m。

(3)滑坡性质及规模：滑坡体分布高程为212～238 m，主滑方向长度约60 m，底部宽度约110 m，滑动面积约3 300 m2，平均厚度约8 m，已滑动体积约2.6×104 m3，属中层牵引式小型滑坡。但后期滑坡体规模可能继续扩大。 1.3 滑坡机理

本滑坡是中层牵引式小型滑坡，其滑坡机理主要为：公路边坡开挖后，边坡前缘形成高陡的临空面，岩土体应力出现重分布，坡顶形成一定范围的张拉应力带，坡体中下部局部出现应力集中，且由于边坡坡面未及时防护，在前期的连

续强降雨等诱因下，边坡坡面岩土体软化，强度急剧降低，边坡浅层岩土体首先失稳，发生滑塌，从而使上部岩土体失去支撑，进而牵引上部岩土体沿基面滑移，使斜坡岩土体产生裂缝和蠕变，造成整个滑坡的发生

2 数值模拟

针对滑坡破坏机理，现利用FLAC3D对该边坡进行防护设计。首先将边坡简化为三维地质模型(如图2所示)，该模型X向与公路走向平行。将三维地质体切割成若干个块体，分别表示黏土、全风化泥质粉砂岩、灰岩以及开挖体、加筋挡土墙等。三维地质模型在X、Y向上的长度分别为195.6 m、138.9 m，底边界的高程为100 m，共由335 934个单元与79 665个节点组成。 其次为模型的各种材料选用力学性质参数，如表1所示。

然后模拟斜坡在自重作用下的应力场后对其开挖，所得位移主要集中于开挖侧面，位移量中央大边缘小(如图3所示)。位移量>5 cm的区域上至开挖面以上斜坡平台，下至开挖侧面与路面的交点，位移场的模拟结果认为在挖开面以上斜坡平台可能形成拉裂缝，剪出口应当位于开挖侧面。最大位移分布于第二级开挖面上，其值为19.34 cm。这说明边坡的位移方向以水平临空向为主，需要注意的是位移等值线近圆弧形，是土质边坡破坏的主要形态。边坡开挖侧面岩体因受卸荷作用向临空面发生位移，从而牵引内部岩土体向公路蠕滑。 针对边坡破坏的形式，设计了削坡+堆载柔性挡墙对边坡进行防护。通过削坡卸载，拟将已滑动岩土体全部清除。按照钻探推测滑面，对已滑动区域，从下往上，柔性支护第1～4级开挖坡比一般采用1∶1.5、1∶2.0、1∶1.5、1∶1.5；对于未滑动区域或浅层滑塌区域，从下往上，第1～4级边坡均按1∶1.5坡比刷坡，每8 m高设一个台阶，平台宽度一般第1级1.5～2 m，第2级1.5～