基于滑坡推力法的邊坡穩定性計算＊

王玉平 曾志強

（宜賓學院礦業與安全工程學院1） 物理與電子工程學院2） 宜賓 644000）

滑坡是斜坡巖土體沿著貫通的剪切破壞面所發生的滑移現象，是地表的地質災害之一，每年因滑坡、泥石流等造成的死亡人數很多.齊明柱［1］以具體的工程實踐為例，介紹了如何使用不平衡推力法計算滑坡推力并討論了安全系數的選用，陶連金［2］等人根據鉆孔資料提供的巖土體和滑面的參數，并結合參數反算得到滑坡穩定安全系數.滑坡推力法主要應用于滑坡為折線形或可以簡化為折線形滑坡的分析.由于它計算簡單，概念明確、計算精度好，并且能夠為滑坡治理提供推力，因此在交通部門、水利部門等得到廣泛應用.我國鐵路系統在使用該法治理滑坡方面積累了豐富的經驗［3－5］.

1 滑坡推力法的基本理論

1.1 計算推力時基本假設

1）滑坡體不可壓縮并作整體下滑，不考慮條塊之間擠壓變形.

2）條塊之間只傳遞推力不傳遞拉力，不出現條塊之間的拉裂.

3）推力以集中力表示，作用在分界面的中點.

4）順滑坡主軸取單位長度寬的巖土體作計算的基本斷面，不考慮條塊兩側的摩擦力.

1.2 作用在滑塊上的基本力系及計算公式

計算時首先在滑動主軸方向的地質縱斷面上，將滑動土體劃分為n個垂直條塊，然后取單位寬度滑動土體的任一條塊分離體作極限平衡狀態下的靜力分析，基本力系見圖1.

圖1 推力計算模型

式中：Pi為第i條塊推力，kN／m；Pi－1為第i條塊的剩余下滑力，kN／m；Wi為第i條塊的重量，kN；ci，φi分別為第i塊的粘聚力，kPa及內摩擦角，（°）；Li為第i條塊長度，m；ai為第i塊的滑面傾角，（°）；A 為地震加速度，g.

式中：Wi為第i條塊滑體重量，kN；Li為第i條塊滑帶長度，m.

2）自重＋地震力

式中：A為地震加速度；Li為第i條塊滑帶長度.

2 工程實例分析

2.1 工程概況

2009年7月，宜賓縣喜捷鎮干壩村蔡山社發生滑坡，2010年8月份滑坡發生第二次滑動，滑體直接沖向居民區房屋，堵塞居民樓排水溝和曬壩，泥漿厚度約1m，同時該滑坡右側還存危巖，滑坡在降雨、地震等作用的影響下，有可能再次發生滑動，威脅坡下龍池鄉公路行車安全和下方住戶生民財產安全.

蔡山社滑坡位于宜賓縣喜捷鎮干壩村蔡山社，場地內有龍池鄉道，交通條件較好，距宜賓縣城約25km，宜賓縣屬亞熱帶氣候，氣溫高、濕度大、雨量充沛、無霜期長的特點，多年平均氣溫17.8℃，極端最高氣溫39.4℃，極端最低－2.6℃；本區屬長江水系，有岷江、金沙江2大干流過境.縣境多年平均降雨量1 063mm左右，所處地貌單元為丘陵地貌中的中丘地貌，地表水徑流條件良好，匯水面積小，地表水缺乏，場地地下水主要為基巖裂隙水，區內巖體裂隙較發育，穩定地下水埋藏深度大；淺表主要為孔隙裂隙水，主要接受地表降雨補給，水量變化大，對滑坡、危巖穩定性影響較大.滑坡區所在宜賓縣抗震設防烈度為7度［6］，設計基本地震加速度值為0.10g.

2.2 滑移面的確定及滑坡機理分析

滑移面的出現是滑坡發生的先決條件，因此，滑移面的確定對于滑坡治理具有重要的意義.首先要進行地面的工程地質測繪工作，將滑坡體上出現的有關裂縫繪制到大比例尺的工程地質平面圖上，勾制出滑坡體的后緣界限，然后在滑坡體上平行及垂直主滑動軸方向布置一定的勘探鉆孔和坑探.在鉆孔中取巖芯并進行編錄確定巖層明顯受擾動的位置，在鉆孔中間隔1～1.5m進行標準貫入試驗，編制標準貫入（或重力觸探）錘擊數隨深度變化曲線.滑坡的平面形態呈扇形，剖面形態呈階梯狀，滑坡體后緣高程約248m，前緣剪出口高程約228m，相對高差約20m，總體坡度約30°，地表縱長約27m，寬約45m，滑體后部較薄，滑體前緣、中部較厚，厚約3～4.5m，體積約5 000m3，主滑方向47°.蔡山社滑坡是沿基覆面而滑動的滑坡，滑坡基巖傾向與坡向斜交，為一斜向坡.該區切割深度不大，地形較緩，海拔約353 m，相對高差約50m.斜坡地形呈上陡下緩折線狀，上部為陡坡地形，局部為陡崖，整體坡度約35°，滑坡體發育于斜坡中下部，危巖崩塌體位于斜坡頂部陡崖位置，斜坡中部已被當地農戶的耕種而被開墾為階梯狀，坡度約30°.坡腳為當地居民自建房切坡，形成陡坎狀高邊坡，工作區內出露地層主要為第四系殘坡積層、崩坡積層及侏羅系中統溪廟組（J2s）地層，場地于大乘向斜與樓東背斜的過渡地段，地層產狀較平緩，但受柏樹溪壓性斷裂構造的影響，區內巖層節理裂隙發育，巖體較破碎.巖層中發育的節理裂隙及其組合，易將巖體切割成塊狀或碎裂狀，降低巖體的力學強度，破壞了斜坡的穩定性，隨著應力重分布和卸荷等作用，陡傾的節理裂隙往往演化為拉張裂縫，常導致崩塌（危巖）的發生.

2.3 滑坡穩定性分析

本工程研究的滑坡體為第四系的殘坡積、崩坡積土層，主滑面為第四系土體下覆基巖中的土巖接觸面，該滑坡屬淺層土質滑動.滑坡體地表縱長約27m，寬約45m，滑體后部與前緣較薄，滑體中部較厚，厚約3～4.5m，體積約5 000m3，屬小型滑坡，該滑坡主要系前緣因房屋、公路建設切坡后形成屬牽引式滑坡.選擇2個典型的剖面進行滑坡穩定性計算，潛在滑坡的形態和特征如圖2所示.

圖2 典型剖面圖

根據滑坡特征，滑坡穩定性計算公式采用滑面為折線形的堆積層滑坡穩定性評價和推力計算公式［7］，運用傳遞系數法開展滑坡穩定性系數及剩余下滑推力計算.

1）穩定性系數計算公式

其中：Ψj為第i塊的剩余下滑力傳遞至第i＋1塊時的傳遞系數（j＝i），Ψj＝cos（αi－αi＋1）－sin（αi－αi＋1）tanφi＋1；Wi為第i 條塊的重量，kN／m；ci為第i條塊粘聚力，kPa；φi為第i條塊內摩擦角，（°）；Li為第i條塊滑面長度，m；αi為第i條塊滑面傾角，（°）；βi為第i條塊地下水線與滑面的夾角，（°）；A 為地震加速度g.

2）剩余下滑推力計算公式選擇Pi＝Pi－1ψ＋Ks·Ti－R1i.

式中：Kf為穩定系數；Ks為設計的安全系數；Ti為下滑力；Ri為抗滑力；ψ為傳遞系數.

2.3.1 計算工況 根據滑坡穩定性的影響因素分析，滑坡體在天然狀態和暴雨、地震等條件下受到自重，水壓力、地震作用力的影響，暴雨對滑坡的影響表現為改變滑坡體的含水量，從而改變滑坡體和滑動面的抗剪強度，進而影響滑坡的穩定性，根據滑坡體在不同條件下，確定3種典型的工況分析滑坡的穩定性特征.本滑坡防治工程等級為III級，選取如下：I工況，天然狀態，安全系數取1.15；II工況，暴雨狀態，安全系數取1.05；III工況，地震，安全系數取1.15.在附加地面荷載、地面動荷載工況下邊坡穩定系數需另行校核.

2.3.2 計算參數的確定 根據滑坡體巖土的土工試驗值，選取滑坡1—1′剖面和2—2′剖面類似工程經驗數值和現場情況的反演綜合確定滑坡體滑帶的參數，見圖3，4.

圖3 滑坡推力計算1—1′剖面圖

圖4 滑坡推力計算2—2′剖面圖

滑體主要由粉質粘土組成，含中量碎塊石，滑體土天然容重取18.5kN／m3，飽和容重平均值取19.8kN／m3；抗剪強度參數見表1.

表1 滑體結構面抗剪強度參數綜合取值表（飽和值）

滑坡1—1′剖面和2—2′剖面，前緣處在2010年暴雨充水后發生滑動.選取1—1′剖面和2—2′剖面已滑部分，作為實體模型恢復原地形聯合反演計算，采用飽和狀態來擬合暴雨工況.據野外調查滑坡體變形特征，確定強變形區已滑滑體在暴雨狀態下為不穩定狀態，穩定系數取Kf＝0.95～0.99進行反算，反分析計算結果見表2.根據室內實驗值、反演結果和相關規范經驗值確定滑坡體滑帶參數如表3.

表2 反分析計算結果表

表3 滑坡體滑帶參數綜合取值表

3 滑坡穩定性評價

在計算工況下對滑坡各剖面按折線形傳遞系數法進行穩定性及推力計算，結果見表4.

表4 滑坡穩定性和推力計算結果

根據滑坡體變形特征及目前各滑體所處的狀態，結合穩定性計算結果，可以將滑坡穩定性評價標準劃分如下：Fs＜1.0不穩定；1.0≤Fs＜1.05欠穩定；1.05≤Fs＜1.15基本穩定；Fs＞1.15穩定.該滑坡在天然狀態下，1—1′、2—2′剖面處于穩定狀態，，在暴雨狀態下，，1—1′、2—2′剖面處于不穩定狀態，以上計算結果與野外調查得出結論一致.滑坡體主要由含碎塊石、角礫粉質粘土組成，滑床為紫紅色泥巖，現場調查表明，滑坡體所反應的宏觀變形跡象已很明顯，主要是由于前緣坡腳建房切坡，導致滑坡坡體失去支撐后形成臨空面，在降雨等作用下逐步失穩滑動.滑坡體上形成了拉張裂縫和剪切裂縫，以上變形均在暴雨時發生，在天然狀態下，滑坡均未發生滑動，變形未加劇.反應了滑坡在天然狀態處于欠穩定～穩定狀態，在暴雨是處于不穩定～欠穩定狀態.

4 結束語

本文以宜賓市宜賓縣蔡山社滑坡體為例，該滑坡經歷了劇滑階段，經變形破壞與應力重新調整后，現處于暫時穩定階段.在暴雨、地震或其他異常地質營力的誘發下，發生再次滑移的可能性較大，可能會再次滑動威脅下方公路行車安全和當地居民生命財產安全.因此，對滑坡進行穩定性分析，計算3種工況下的安全系數，并對滑坡力學參數進行反演分析，分析結果表明，當滑面段傾角與坡面傾角接近時，采用不平衡推力法誤差較小，計算結果與野外調查得出結論一致，為后續滑坡治理方案制定提供了依據.

［1］齊明柱.不平衡推力法在滑坡治理工程中的應用［J］.中國地質災害與防治學報，2011，22（2）：34－38.

［2］陶連金，沈小輝，王開源，等.某大型高速公路滑坡穩定性分析及錨樁加固的模擬研究［J］.工程地質學報，2012，20（2）：259－264.

［3］王恭先，徐峻齡，劉光代，等.滑坡學與滑坡防治技術［M］.北京：中國鐵道出版社，2004.

［4］徐邦棟.滑坡分析與防治［M］.北京：中國鐵道出版社，2001.

［5］鐵道部第一勘測設計院.鐵路工程設計技術手冊：路基［M］.北京：中國鐵道出版社，1992.

［6］中國建筑科學研究院.GB50011－2010建筑抗震設計規范［S］.北京：中國標準出版社，2001.

［7］國家安全生產監督管理局.DZ／T 0218－2006滑坡防治工程勘查規范［S］.北京：中國標準出版社，2006.