段毅，杨畅，贺鸣，石盼，赵建军
（1.中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，西安 710075；
2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059）
2018年以来，甘肃临夏地区因持续性强降雨，发生了大面积的浅层山体滑坡，国网甘肃省电力公司检修公司运行的330kV开茨、330kV临茨、330 kV茨多等多回线路杆塔塔位因浅层山体滑塌，导致塔位局部地表变形、裂缝，线路工程无法正常安全运行。经过现场调查发现，这些滑坡大部分为黄土－泥岩结构的浅层滑坡。
对于黄土－泥岩斜坡，学者们做了大量研究，分析了其变形破坏机制、稳定性等，并取得了大量的成果［1－7］。刘宁宁［8］采用传递系数法隐式解作出黄土－铝质泥岩接触面滑坡稳定性评价；
王新刚等［9］指出黄土－泥岩滑坡的破坏模式大多为坡肩先受到侵蚀产生了微裂隙，裂隙不断地发展、贯通发育成大的裂缝，斜坡局部会出现滑动破坏，直至滑动面贯通斜坡发生整体滑动破坏；
Mu等［10］根据弹塑性力学数值模型，揭示了黄土－泥岩滑坡的触发机制，指出水岩相互作用使得黄土－泥岩接触带的剪切强度对含水量非常敏感，是此类滑坡发生的主要原因；
李松等［11］通过统计分析，指出黄土－泥岩结构斜坡变形模式为滑移－拉裂型；
楼平等［12］采用数值模拟研究了土质斜坡在降雨条件下的应力应变分布特征并采用极限平衡理论计算不同降雨阶段的斜坡稳定性特征；
岑威钧等［13］采用有限元强度折减法，研究降雨入渗对膨胀土渠坡的抗滑稳定性影响；
刘林林等［14］利用Geo-Studio软件中的SEEP／W模拟了不同降雨强度条件下黄土边坡稳定性，指出随着降雨强度的增大边坡稳定性系数逐渐减小，边坡稳定状态逐渐下降；
韩帅［15］采用Geo-Studio计算与模型实验结果进行对比分析，指出含有先存结构面的黄土－泥岩滑坡的滑动机理为：斜坡在天然状态下沿着老滑面、黄土泥岩接触面、软弱结构面、最大剪应力集中带发生长期缓慢的蠕动变形演化，在坡体内部产生了贯通性的潜在滑动面；
降雨作用下，水分渗入土体，一方面增加土体的自重，另一方面，降低了土体抗剪强度，当达到土体抗剪强度极限时，土体便发生剪切破坏，滑坡发生。以上研究可知，黄土－泥岩结构斜坡的稳定性受到斜坡上覆黄土含水量及其变形破坏模式的显著影响，但是缺少对黄土层厚度及斜坡坡度等关键因素的量化研究。
本文以甘肃临夏地区开茨94区段的斜坡为研究对象，通过有限元软件Geo-studio，以斜坡黄土层厚度及斜坡坡度为关键因素，研究斜坡稳定性的演化规律。并提出该地区黄土－泥岩斜坡变形破坏的防治措施及线路塔基选址的建议。
开茨94区段位于临夏市路盘乡赵家山附近，地貌以剥蚀缓低丘陵为主，地形起伏较大、破碎程度高，整体呈现为东高西低，坡体总体为缓－陡－缓斜坡结构类型，斜坡后缘为耕地范围，坡度较缓，中部为一处近40°陡坡高度在20～25m之间，前缘为农田，坡度较缓。斜坡整体坡度在20°～35°之间。斜坡表面多为耕地，植被较少，局部含水量较高。该区段为典型浅层黄土－泥岩结构类型斜坡，根据现场钻孔资料显示，开茨94塔基附近黄土深度为4.45m。下伏第三系泥岩，厚度较大，风化严重；
上部为全风化状，呈棕红色黏性土状，厚度为3～10m不等；
在斜坡中部和底部坡脚处偏厚，在山梁顶部偏薄。
根据遥感解译以及实地勘察，开茨94区域发育多处不良地质体，西侧有多处古滑坡与新近小规模的滑塌、滑坡体，地质条件极其复杂。工程地质平面图见图1，工程地质剖面图见图2。
图1 开茨94区段工程地质平面图
图2 开茨94区段工程地质剖面图
2.1 变形破坏机制数值模拟分析
为探究典型（浅）黄土－泥岩地区斜坡变形机制以及确定斜坡变形临界条件，本次采用geo-studio中slope模块进行数值模拟。建立不同坡度以及不同上覆盖层黄土厚层的数值计算模型，本次选取开茨94区段区域塔基部位斜坡作为计算原型，该处斜坡坡度值为20°，塔基底部浅层黄土厚度为4.45m。计算模型坡度及覆盖层厚度如表1所示。共计建立计算模型49个。
表1 数值计算模型
以此49种不同强风化层厚度以及斜坡坡度模型进行斜坡稳定性计算，以求出在不同状态下斜坡的稳定性系数，从而确定塔基斜坡最佳坡度值以及最佳上覆盖层黄土厚度，为以后塔基选址提供可靠依据。
计算均采用天然和暴雨两种工况；
暴雨下设置上层黄土为全饱和状态，数值模拟参数见表2。应力计算选geo-studio中sigma模块采用分析方法为“荷载／变形”计算时长为3 600s，分为10步进行计算，并保存每一步计算结果。
表2 数值模拟计算参数
对计算获得的各个模型的结果进行统计，分析斜坡塔基部位岩土体在降雨工况下的位移的大小。其中合位移变化如图3所示。
图3 斜坡塔基部位合位移随覆盖层厚度变化
从图3中可知，塔基部位合位移的大小随着覆盖层的厚度增大而增加；
在黄土厚度相同条件下，塔基部位合位移随斜坡坡度越大而增加，且在坡度大于30°后，变化更加明显；
斜坡坡度越大，覆盖层厚度的变化对塔基部位合位移的影响越大。
2.2 变形破坏机制综合分析
根据现场调查结合数值模拟分析，斜坡稳定性受降雨影响显著。降雨一方面使斜坡上覆岩土体重度增大而增加载荷；
另一方面，使岩土体强度指标降低并浸润斜坡基覆界线，导致黄土－泥岩接触面抗滑力降低。降雨将加剧泥岩层的蠕滑变形，并可能导致斜坡后缘发育坡面至深部的拉裂缝。黄土覆盖层发生滑动变形，对斜坡底部岩土体产生推动力，使变形不断增大最终导致大范围的变形破坏甚至产生滑坡。
参考本次数值计算结果，本区段黄土－泥岩结构斜坡变形破坏模式主要表现为蠕滑－拉裂变形，潜在滑动面主要沿黄土与泥岩接触面发展，地表裂缝的出现位置受于局部地形，特别是发育陡坎的部位是裂缝集中出现的位置。可能发生的变形破坏模式为“蠕滑－拉裂”、“滑移－拉裂”。变形破坏模式演示图见图4。
图4 黄土－泥岩结构斜坡变形破坏演化示意图
对不同坡度和不同上覆盖层黄土厚度模型斜坡进行稳定性分析计算，采用自动搜索滑面方式，搜索的滑面如图5。分别开展Morgenstern-Price、Janbu、Bishop以及Ordinary方法稳定性计算，获得黄土－泥岩结构斜坡稳定性系数。将获得的稳定性系数进行统计分析，在天然、暴雨工况下的结果如图6和图7所示。
图5 Geo-studio自动搜索滑面
图6 4种方法下稳定性系数随坡度变化
图7 4种方法下稳定性系数随厚度变化
由图可知，坡度小于30°时，不同黄土厚度条件下斜坡稳定性均大于1.2；
斜坡坡度为35°、黄土厚度8.45m时，暴雨工况下稳定性系数最低降低至1.054，可能发生斜坡变形；
斜坡坡度40°、黄土厚度1.45m时稳定性最差，暴雨工况稳定性系数0.973；
坡度达45°时黄土厚度对斜坡稳定性影响较小，各种厚度条件下稳定性系数均小于1.0。
此次模拟的结果较为可靠，但在实际应用中对于非圆弧形滑面，Janbu、Bishop以及Ordinary在条间力和力矩（力）平衡上的简化，可能会造成计算结果的偏差，建议读者在今后的工程应用中考虑这一点。
计算结果表明，斜坡发生破坏的临界坡度以及黄土厚度为斜坡坡度35°、黄土厚度8.45m，此种斜坡在天然工况下稳定性系数为1.164～1.169为稳定状态，暴雨工况下降低至1.054～1.056，处于欠稳定－基本稳定状态，坡度继续增大或是斜坡黄土层厚度继续增长都会导致斜坡稳定性降低。
通过数值计算模拟不同坡度、不同黄土覆盖层厚度时开茨94区段区域塔基部位斜坡稳定性。结果表明，塔基斜坡坡度不宜超过30°，低于30°为安全坡度，在塔基斜坡选择时，应尽量避免在泥岩全风化层厚度大于4m斜坡位置通过，选择黄土覆盖层小于4m斜坡较为安全。黄土－泥岩斜坡塔基选址时，由于黄土强度在降雨条件下大幅度降低，所示斜坡监测应注意斜坡含水量变化，尽量选择坡表较为平缓且排水性能较好区域作为塔基。另一方面，对黄土－泥岩斜坡中的塔基位置应加强监控，包括雨量监测、地表位移监测、深部位移监测以及应力应变监测等自动化监测手段方法，并定期派遣专业人员进行现场监测走访，发现问题及时上报。
猜你喜欢 塔基覆盖层泥岩 无底柱分段崩落法覆盖层结构对渗水的影响分析*现代矿业(2022年3期)2022-12-14泥岩路基填料抗剪性能实验研究山西建筑(2022年23期)2022-12-08不同pH条件下红层泥岩崩解特性研究人民长江(2022年9期)2022-10-06深水浅覆盖层倾斜岩面河床围堰设计及应用铁道建筑技术(2021年3期)2021-07-21声子晶体覆盖层吸声机理研究舰船科学技术(2021年12期)2021-03-29输电线路塔基防洪问题探讨中国电气工程学报(2020年18期)2020-11-11胜利油田垦119区块塑性泥岩钻井模式研究商品与质量(2020年3期)2020-04-15深厚覆盖层上大坝抗震分析和设计关键技术水电与抽水蓄能(2020年1期)2020-01-05风化泥岩地质断层水疏排工艺探讨建材发展导向(2019年10期)2019-08-24输电线路寒冻风化区地质工程问题探讨科技创新与应用(2017年30期)2017-11-07