滑坡崩塌灾害在山岳地区分布较为广泛, 在阻塞交通、 河流、 毁坏建筑设施等的同时, 也严重威胁到当地居民的生命财产安全。山岳地区迅速发展的道路交通建设在促进当地的运输、 贸易、 旅游业等经济产业发展的同时, 对周围地质地貌环境的侵蚀、 沉积过程等也会产生重要的影响, 而沿公路分布的滑坡、 崩塌等地质灾害则是这种影响作用的表现之一, 如川藏公路时有发生滑坡崩塌阻塞道路的现象。在山岳地区修筑公路需要翻山越岭, 道路往往需要盘山而上, 尽管在道路的建设过程中也会采取一些边坡加固措施, 但是小规模的滑坡、 崩塌还是难以避免, 降雨或地震作用等则加剧了这类灾害的发生。滑坡崩塌沿公路密集分布已成为山岳地区强震诱发滑坡的特点之一(黄润秋等, 2008; 许冲等, 2013)。例如, 2013年M_S7.0芦山地震在四川省宝兴县附近S210省道5km长的路段上触发了79个滑坡、 崩塌(Chen et al., 2014)。而强震中由于滑坡崩塌造成的交通阻塞问题将严重影响震后救援工作的顺利进行, 因而震后的道路交通安全保障受到了更多的关注。

滑坡的影响因素多种多样, 与边坡所处的地质背景、 坡体结构类型、 物质组合、 地形地貌条件、 水文地质条件(内部条件)以及发震时的降雨、 融雪(外部条件)等因素密切相关(Guzzetti et al., 1999; 丁彦慧等, 2000; Bommer et al., 2002; 祁生文等, 2004; Wang et al., 2007; 黄润秋等, 2008; 殷跃平, 2008; Su et al., 2017)。随着人类对自然的改造, 更多的人为因素参与到滑坡演化的进程中, 道路交通的建设就是其中之一。作为滑坡的外部影响因素之一, 道路的开挖一方面改变了边坡原有地表的形态, 形成了新的较陡的边坡, 如果缺乏必要的防护措施, 则新形成的边坡很容易发生失稳, 形成规模不等的滚石或浅层滑坡; 另一方面, 一些学者认为道路的修建影响到整个原有坡体的排水体系, 并且路面交通带来的震动也会影响边坡的应力状况, 进而影响到边坡的稳定状态(Devkota et al., 2013)。因此, 目前在很多的滑坡敏感性、 稳定性评价中也把与道路的距离(Distance to roads, RDS)作为评价参数之一。

然而, 具体到某一特定边坡, 虽然开挖施工造成的新的较陡凌空坡面会成为滑坡崩塌隐患, 但道路开挖对原始边坡本身稳定性的影响还没有得到充分的认识。与较小规模的滑坡崩塌相比, 具有深大埋深滑动面的滑坡具有更强的致灾性, 造成的危害也更为严重(许强等, 2010; Chen et al., 2012; 黄润秋等, 2014)。2014年M_S6.5鲁甸地震在震区触发了大量的滑坡崩塌灾害, 在震后进行的野外勘查工作中发现, 大量的滑坡崩塌沿公路发生, 但是灾害体的规模大小及危害程度都不尽相同。较大规模的滑坡崩塌一般都发生在山脚附近, 相比之下, 半山腰的滑坡崩塌规模较小。图1为鲁甸地震在震中附近照壁山触发的滑坡, 其中, 图1a中的滑坡发生在半山腰, 规模较小, 没有对公路造成严重损坏, 清理路面的堆积物后即可通行; 而图1b中的滑坡则发生在山脚, 规模巨大, 原有的公路被滑坡体切断, 需要在堆积体上开挖出1条临时通道来保证交通的通畅, 修复工程极为浩大。

图1

Fig. 1

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	图1 2014年鲁甸地震中的公路滑坡 a 公路位于半山腰; b 公路位于山脚Fig. 1 Landslides along the road during the 2014 Ludian earthquake.

总体而言, 修筑公路在开挖或填筑路基的过程中, 无论采取什么样的施工步骤和方式, 都在不同程度上和范围内改变了斜坡岩上体的原有形状和自然平衡(杨有辉等, 2006)。为了深入研究公路开挖对原有坡体稳定性的影响, 本文通过建立1个岩质边坡二维模型, 分析在边坡的不同位置进行道路开挖对整体边坡稳定性的影响; 同时, 对地震作用对于边坡稳定性的影响也进行了分析, 并探讨了不同坡体角度对边坡稳定性的影响。

首先对原始坡体的安全系数进行计算, 之后, 从坡脚处开始筑路, 计算坡脚开挖之后坡体的安全系数; 然后, 每次路面抬升h=10m, 依次计算坡体在不同高度处开挖后的安全系数。同时, 加载地震作用, 对每一不同高度分别计算地震作用下的安全系数。

2.1 坡角为30° 的坡体

对于坡角为30° 的坡体, 计算所得坡体未施工前的安全系数为4.567(图3a); 在加载水平地震作用系数0.3时, 坡体的安全系数降为2.876(图3b)。坡脚筑路开挖后坡体的安全系数为4.490(图4a), 加载地震作用后安全系数为2.850(图4d)。在坡体不同位置开挖道路后的安全系数变化如图5所示。

图3

Fig. 3

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	图3 坡角为30° 的坡体最小安全系数及潜在滑动面 a 初始状态时; b 加载地震作用系数k=0.3时Fig. 3 Minimum Fs and its corresponding slip plane of a 30° slope.

图4

Fig. 4

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	图4 坡角为30° 的坡体在坡脚处开挖时的最小安全系数及潜在滑动面 a 初始状态时; b 加载地震作用系数k=0.3时Fig. 4 Minimum Fs and its corresponding slip plane of a 30° slope with road-cut at the slope bottom.

图5

Fig. 5

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	图5 坡角为30° 的坡体的最小安全系数随开挖道路高度(h)的变化 a 没有地震作用; b 地震作用系数k=0.3Fig. 5 Minimum Fs of a 30° slope with road-cut at the different slope height.

2.2 坡角为45° 的坡体

对于坡角为45° 的坡体, 计算所得坡体的安全系数为4.051(图6a); 在加载地震作用系数0.3时, 坡体的安全系数降为2.699(图6b)。在坡脚筑路开挖后坡体的安全系数为3.882(图7a), 加载地震作用后安全系数为2.586(图7b)。在不同位置开挖道路后的安全系数变化如图8所示。

图6

Fig. 6

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	图6 坡角为45° 的坡体最小安全系数及潜在滑动面 a 初始状态时; b 加载地震作用系数k=0.3时Fig. 6 Minimum Fs and its corresponding slip plane of a 45° slope.

图7

Fig. 7

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	图7 45° 的坡体在坡脚处开挖时的最小安全系数及潜在滑动面 a 初始状态时; b 加载地震作用系数k=0.3时Fig. 7 Minimum Fs and its corresponding slip plane of a 45° slope with road-cut at the slope bottom.

图8

Fig. 8

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	图8 45° 的坡体的最小安全系数随开挖道路高度(h)的变化 a 没有地震作用; b 地震作用系数k=0.3时Fig. 8 Minimum Fs of a 45° slope with road-cut at the different slope height.

通过本文的模拟计算结果可以看出, 道路开挖在改变边坡形态的同时, 对坡体的安全系数存在着不同程度的影响。无论是30° 坡体还是45° 坡体, 其安全系数计算结果显示, 与原有坡体的安全系数相比, 在坡脚附近的道路开挖会较大幅度地降低原始坡体的安全系数。而随着路面开挖高度的改变, 安全系数反而会增高, 甚至超过原始坡体的安全系数。对于30° 的坡体而言, 开挖路面高度h≥ 30m时原有坡体的稳定性安全系数大于原始坡体自身安全系数(图5), 表明在该高度以上建设道路不仅没有破坏原始坡体的稳定性, 反而对于原有坡体能够起到稳定作用。而对于具有45° 的坡体而言, 要不降低原有坡体安全系数, 道路开挖的高度应> 50m(图8)。由此可见, 对于具有不同坡度的坡体, 在不同高度处进行的道路开挖会对坡体原始的稳定性产生不同程度的影响。

那么坡体的坡角对安全系数的影响又是如何呢?本文在前述模型的基础上, 通过改变距坡顶水平距离L的大小(60m≤ L≤ 210m, 改变步长10m, 相当于坡角α 的变化范围为22° ≤ α ≤ 63° ), 计算了坡角变化对坡体稳定性、 破坏形式的影响。

计算结果如图9所示。对于滑坡, 普遍存在的认识是坡度越高, 滑坡发生的可能性就越大(Keefer, 1984; 王余庆等, 2001; Wen et al., 2004; 黄润秋等, 2008)。但是, 通过计算发现, 对于没有先存滑动面的坡体, 随着坡度的增大, 安全系数不断降低, 坡度达到45° 左右时安全系数值最小, 之后, 安全系数则是随坡度增大而增大(图9), 坡度在67° 左右时, 安全系数达到最大。

图9

Fig. 9

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	图9 边坡最小安全系数随坡角(水平距离L)改变产生的变化Fig. 9 Slope minimum Fs vs slope angle(horizontal distance L).

值得注意的是, 本研究采用的边坡稳定性分析软件GeoStudio中的Slope/W模块提供的极限平衡分析方法是建立在静力学原理上的, 该方法的平衡公式中缺少应力应变关系, 不能满足位移的兼容性, 因此, 对一些特殊状态缺乏合理的解释, 如坡体角度 ≥ 70° 时, 计算过程出现不收敛的情况。此外, 在进行地震动加载时, 采用拟静力分析法来表示地震动动力载荷的效果, 因而对地震作用下的边坡反应分析有一定的局限性。并且, 具体计算地震动载荷时, 该软件提供的分析方法认为垂直方向的地震作用对安全系数几乎没有影响。因为垂直方向的作用力在改变分析对象的重量时, 对其底部的正应力和剪切力也会产生相应的改变, 这2种作用的效果可以相互抵消, 因此整体上, 垂直方向的地震作用对安全系数几乎没有影响。因此, 应用该软件模块进行的静力和拟静力分析有一定的应用局限。

总之, 滑坡是一个复杂的地质力学过程。具体斜坡的演化过程具有随机性、 复杂性和不确定性的特点。任何一个物理模型只是对现实世界中相应认识状态的一种反映, 本文模型的设置及物理参数的设定是对边坡问题的概化描述, 不能全面反映道路开挖对坡体稳定性的影响。具体到山岳地区的道路施工建设, 应依据坡体的外形、 物质组成以及地震动时程输入等, 建立合理的物理模型进行更加细致的分析研究。

道路作为一种滑坡影响因素在边坡稳定性分析中越来越受到重视。山区的道路建设不可避免地会改变沿线的工程地质环境平衡, 或轻或重地引发滑坡崩塌等地质灾害, 选择合理的开挖位置则会减少或减轻这类灾害。本文采用极限平衡法研究了道路开挖对边坡稳定性的影响, 获得的认识有助于山岳地区建设道路时选择合理的开挖位置, 并采取针对性的防治措施。

(1)道路开挖施工会影响坡体的安全系数, 但并不是所有的道路开挖都会降低坡体的安全系数。在坡脚处的道路开挖会最大程度地导致坡体安全系数的降低, 而接近坡顶处的道路施工则会提高坡体安全系数。

(2)对于具有不同坡角的坡体, 在不同高度处进行的道路开挖会对坡体原始的稳定性产生不同程度的影响。本模型中, 对于30° 的坡体而言, 开挖路面高度h≥ 30m时形成的安全系数大于原始坡体自身安全系数, 而对于坡角> 45° 的坡体而言, 不影响原始坡体安全系数的道路开挖高度应≥ 50m。

(3)地震作用会较大程度地降低边坡的安全系数, 加载地震作用后, 无论是否有道路施工, 坡体安全系数都有较为明显的下降。