重慶市萬州區萬元紙廠滑坡穩定性分析與處置

王小委，周福川，黃 霞

(重慶交通大學，重慶 400074)

1 前言

萬元紙廠位于重慶市萬州區五橋江南新區，該廠滑坡是重慶市三期地質災害防治工程非應急搶險項目之一。該滑坡整體呈緩長條形斜坡，屬于堆積地貌，呈兩級臺階狀。監測表明滑坡體變形現象明顯，民房、公路以及滑體其它部分均存在變形現象，并且在大氣降雨，河流水位的變化，沖溝的侵蝕和人類工程活動的共同影響和作用下，滑坡變形有加劇的趨勢。考慮到該滑坡可能會對周圍居民以及萬元紙廠造成威脅，因此，有必要對其穩定性加以分析并采取相應的整治手段，確保人民生命、財產安全。

2 滑坡區自然地理和地質條件

2.1 地理位置和氣候條件

萬元紙廠滑坡位于萬州區，上距三峽庫區尾重慶333km，下距庫首宜昌市327km，地理坐標范圍：X=3410828～3411463，Y=539301～39899。滑坡所在區域屬亞熱帶暖濕氣候區，氣候溫和，雨量充沛，雨熱同步，多年平均氣溫在18℃左右，最低氣溫-3.7℃，最高氣溫42.1℃，相對濕度80%，具有四季分明、垂直分帶顯著的特點。區內常年雨日140天左右，年均降雨量1191.3mm，降雨主要集中在5-9月份，并以暴雨居多，日降雨量可達100mm以上。

2.2 地形地貌

滑坡區及周邊分布的地貌單元有構造剝蝕丘陵及山麓斜坡堆積坡積裙。沖溝發育，滑坡前側為長江侵蝕岸坡，與下側長江相距約500～1200m。區內地形沿江方向平緩，縱向上呈多級臺階狀，至滑坡區南側后緣為東西走向的脊狀延綿低山。滑坡整體呈寬緩長條形斜坡，屬于堆積地貌，斜坡坡向320°～330°，坡角5°～42°，呈兩級緩臺狀，分布高程在250～380m之間，如圖1所示。

2.3 地層巖性

2.4 水文地質條件

水文地質調查發現，滑坡區地下水按水理性質、水力特性、賦存條件可劃分為松散巖類孔隙水和風化基巖裂隙水兩類。

(1)松散巖類孔隙水：賦存于第四系堆積層中，主要受降雨及地表水體補給，季節性影響比較大。

圖1 萬元紙廠滑坡全貌

圖2 滑面巖土體

(2)風化基巖裂隙水：賦存于基巖強風化帶裂隙中，主要在基巖露頭區接受大氣降雨或上部松散巖類孔隙水滲入補給。

2.5 地質構造及地震

滑坡區地處川東褶皺束萬縣復向斜東段近軸部，北臨鐵鋒山背斜，南靠方斗山背斜，未發現明顯的斷裂構造。根據《建筑抗震設計規范》(GB50011-2001)及1:400萬《中國地震動峰值加速度區劃圖》(2001)，地震動峰值加速度取為0.05g，抗震設防烈度6度。

3 滑坡體穩定性分析

取該滑坡典型斷面進行穩定性計算分析，滑坡斷面圖如圖3所示。根據勘察結果，通過室內試驗資料結合經驗類比、反演分析法等，確定了滑坡體、滑帶和滑床等物理力學參數的穩定性分析建議值，列于表1。

圖3 滑坡穩定性計算剖面圖

名稱狀態彈性模量/MPa泊松比重度/(g/cm3)粘聚力/kPa內摩擦角/(°)滑體,粉質粘土夾塊碎石松散6.00E+000.26 20.57 23.34 13.40 滑帶,粉質粘土夾塊碎石松散5.00E+000.30 19.00 20.46 10.40 滑床,中等風化砂巖稍密2.20E+030.21 24.60 860.00 33.00

計算時采用如下三種工況：

工況一：天然工況(自重)；

工況二：暴雨工況(自重+暴雨)；

工況三：地震工況(自重+地震力)。

3.1 采用傳遞系數法計算滑坡穩定性系數

按上述三種荷載組合形式及計算參數，采用DZ/T 0218—2006《滑坡防治工程勘查規范》提供的傳遞系數法計算公式計算[1]，結果見表2。

表2 滑坡穩定性計算結果

分析表2可見：滑坡在地震力作用下，穩定性最差，易于發生滑動，在天然狀態下處于基本穩定狀態，只有極個別塊體處于不穩定狀態。但是實際勘察發現，滑坡體在自然狀態下有多處失穩，居民房屋開裂、道路損毀、管道彎曲變形現象。可見，采用傳遞系數法計算滑坡的穩定性有局限性，不能完全反映坡體實際情況。

3.2 采用有限元強度折減法計算滑坡穩定性系數

3.2.1 有限元強度折減法原理

所謂強度折減法，就是通過逐漸降低巖土體抗剪強度參數(粘聚力和內摩擦角)直到邊(滑)坡達到極限破壞狀態為止，其初始強度與極限平衡時的強度比值定義為邊(滑)坡的穩定性系數[2,3]。在強度折減計算過程中，將巖土體粘聚力和內摩擦角按如下公式進行折減：

(1)

式中，c、φ分別為坡體材料的粘聚力和內摩擦角；c′、φ′分別為強度折減后的粘聚力和內摩擦角。

必須指出的是，針對上述兩個參數c和φ的折減比例至今并無定論，仍處于研究階段[4,5]，在此我們采用1∶1的折減方式(現階段通用的折減辦法)。

3.2.2 有限元強度折減法中滑坡穩定性判斷依據

采用有限元強度折減法計算分析滑坡穩定性的一個關鍵問題是如何根據計算結果來判斷滑坡是否處于破壞狀態，后勤工程學院的鄭穎人院士在這方面做了較多工作[6,7,8]，總結滑坡失穩判斷準則主要有以下3種：

1)采用力和位移作為滑坡失穩的判斷依據，收斂時滑坡處于穩定狀態，不收斂時處于失穩狀態。

2)采用等效塑性應變或廣義塑性應變的分布情況作為滑坡失穩的判斷依據，當應變區域從坡腳到坡頂貫通時滑坡處于失穩狀態。

3)根據滑坡坡體上的特征點位移與折減系數的關系曲線，將位移曲線出現明顯轉折點對應的強度折減系數作為滑坡的穩定性系數。

考慮到準則1)和3)在操作上較2)復雜，本文以準則2)作為判斷滑坡失穩的依據，以期對萬元紙廠滑坡的穩定性作出更為客觀的評價。

3.2.3 有限元強度折減法計算滑坡穩定性系數的實現過程

滑坡有限元計算模型的建立。采用大型有限元軟件ANSYS對該滑坡進行計算分析，有限元模型如圖4所示：

圖4 滑坡有限元分析模型

滑坡穩定性計算分析。用有限元強度折減法分別對滑坡在自重和地震力作用下的穩定性進行分析。其中，在進行地震作用下的穩定性分析時，采用SL386—2007《水利水電工程邊坡設計規范》推薦的擬靜力法沿滑坡的臨坡面方向施加一水平方向力，力的大小按式(2)進行求解[9]。

Q=CiCzKhW

(2)

式中：Ci為重要性系數，此處取為1.0；Cz為綜合影響系數，取為0.25；Kh為地震峰值加速度，取為0.10g，W為滑塊重力。

研究該滑坡穩定性問題時，將巖土體設為理想彈塑性體，本構模型選用等面積的D-P圓準則[10]。其中，在重力場作用下采用等效塑性應變的分布情況作為失穩判斷依據求得該斷面滑坡的穩定性系數為1.03，此時滑坡等效塑性應變云圖如圖5所示。同理，在地震力作用下，根據滑坡等效塑性應變云圖(如圖6)，可取滑坡在地震力作用下的穩定性系數為0.82。根據《公路路基設計規范》的有關規定，確定該斷面滑坡的設計安全系數為1.15，即在采用各項工程措施之后，滑坡的穩定性系數應綜合考慮不低于1.15，滑坡穩定狀態分類見表3。可見在地震等因素誘發下，滑坡將發生滑動，影響周圍人群的生命財產安全，因此必須對該段滑坡進行治理。

圖5 自重作用下滑坡等效塑性應變云圖

圖6 地震作用下滑坡等效塑性應變云圖

穩定系數Fs穩定狀態穩定系數Fs穩定狀態<1.0不穩定≥1.05～1.15基本穩定≥1.00～1.05欠穩定≥1.15穩定

4 滑坡治理方案

在有限元模擬分析萬元紙廠滑坡穩定性的基礎上，提出截排水和支擋相結合的治理措施。

4.1 截排水措施

在滑坡后緣、側界和中部各設置一道矩形截水溝，斷面尺寸定為20cm×20cm；依據排水溝過流量計算公式(3)，計算過流量，并依此確定排水溝尺寸。設置方式為：在滑坡中部通長修筑一道，斷面尺寸20cm×20cm。

(3)

截排水溝修筑完畢后，夯實滑坡后緣已出現的裂縫，修整滑坡坡面。

4.2 支擋措施

在滑坡前緣砌筑塊石擋墻，墻角呈楔形入土10m，墻高20m，上部寬度4m；滑坡前緣坡面采用錨桿格構加固，各排錨桿長度由上至下分別為18m、15m和12m，間距2m，格構梁斷面尺寸30cm×20cm，采用混凝土現澆，布置如圖7所示：

圖7 滑坡治理的支擋結構布置圖

參考文獻：

[1]DZ/T 0218—2006,滑坡防治工程勘查規范[S].北京:國土資源部地質環境司,2006.

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[4]唐芬,鄭穎人,楊波.雙排抗滑樁的推力分擔及優化設計[J].巖石力學與工程學報,2010,29(增1):3162-3168.

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[8]鄭穎人,張玉芳,趙尚毅,等.有限元強度折減法在元磨高速公路高邊坡工程中的應用[J].巖石力學與工程學報,2005,24(21):3812-3817.

[9]SL386—2007,水利水電工程邊坡設計規范[S].北京:中華人民共和國水利部,2007.

[10]趙杰,邵龍潭.土體結構極限承載力的有限元分析[J].巖石力學與工程學報,20007,26(增1):3183-3189.