穩(wěn)定滲流作用下的滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

徐慶方

（貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一0六地質(zhì)大隊(duì)，貴州 遵義 563000）

當(dāng)滑坡存在地下水滲流，滲流場將影響滑坡的穩(wěn)定。大量的工程事故表明，地下水地下水滲流是邊坡失穩(wěn)的主要原因。當(dāng)前對(duì)滲流場研究的主要方法有：解析法、水力學(xué)法、圖解法等近似計(jì)算方法、數(shù)值模擬方法以及室內(nèi)的模型實(shí)驗(yàn)法。在工程滲流設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛的是水力學(xué)法，水力學(xué)法基于達(dá)西定律，理論成熟，但是水力學(xué)法與解析法與圖解法計(jì)算效率與精度都相對(duì)較低。數(shù)值模擬方法是隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件發(fā)展而發(fā)展起來的求解滲流場的新方法，該方法計(jì)算速度快、精度高，計(jì)算結(jié)果表現(xiàn)也直觀。

1 滑坡穩(wěn)定性系數(shù)的計(jì)算方法

對(duì)于滑坡穩(wěn)定性系數(shù)的計(jì)算方法主要有：簡化Bishop法，是一種非嚴(yán)格條分法，其假定只有水平推力作用，而不考慮條塊間豎向剪力，于是可建立整體力矩平衡方程，并由靜力平衡條件求解穩(wěn)定性系數(shù)。簡化Bishop法忽略了條塊間剪力差，使求解穩(wěn)定性系數(shù)變得更方便。用簡化Bishop法求解穩(wěn)定性系數(shù)，對(duì)每一塊來說，在求解過程中滿足垂直和水平方向力的平衡。不足之處在于它不滿足每個(gè)分條的力矩平衡以及沒有考慮豎向剪力作用。

Janbu法是一種嚴(yán)格條分法，適用坡面是任意形狀，坡面作用著各種荷載，滑裂面是任意形狀的邊坡。其計(jì)算較為復(fù)雜。對(duì)于任意形狀的滑動(dòng)面假定條間力的作用點(diǎn)位置即推力線，同時(shí)考慮力和力矩的平衡。得到復(fù)雜的穩(wěn)定性系數(shù)方程式，求解需要反復(fù)迭代且常出現(xiàn)數(shù)值困難。用兩種方法探討飽和滲流對(duì)某邊坡穩(wěn)定的影響，為工程設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

2 計(jì)算理論

根據(jù)前述滑坡暫時(shí)處于蠕動(dòng)變形階段，處于滑坡變形的第一個(gè)階段，滑面尚未形成，因此推測的可能滑坡破壞模式進(jìn)行分析，滑坡可能會(huì)沿著第四系黏性土層中形成滑動(dòng)，淺層滑動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的滑面形狀近視為單一的滑面或圓弧形，也可能會(huì)沿第四系黏性土的底部與下伏巖層相對(duì)軟弱界面附近形成滑動(dòng)，其滑面形狀近視為一折線型，根據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》（DZ-T0218）附錄E，上西鋪滑坡滑面為單一滑面或圓弧形滑面時(shí)，采用簡化畢肖普法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下。

（1）圓弧形滑面計(jì)算公式如下：

式中：

孔隙水壓力：

滲透壓力產(chǎn)生的平行滑面分力為：

滲透壓力產(chǎn)生的垂直滑面分力為：

式中：Wi—第 i條塊的重量（kN/m）；Ci—第 i條塊內(nèi)聚力（kPa）；Φ。—第 i條塊內(nèi)摩擦角（°）；Li—第i條塊滑面長度（m）；αi—第 i條塊滑面傾角（°）；βi—第i條塊地下水線與滑面的夾角（°）；A—地震加速度（重力加速度g）；Kf—穩(wěn)定系數(shù)。

對(duì)應(yīng)的滑坡推力推力計(jì)算公式如下：

對(duì)剪切而言：

對(duì)彎矩而言：

式中：Hs、Hm—推力 （kN）；Ks—設(shè)計(jì)安全系數(shù)；Ti—條塊重量在滑面切線方向的分力（kN）。

3 計(jì)算模型

3.1 工程概況與數(shù)字模型

根據(jù)滑坡變形特征，經(jīng)綜合的勘查分析，選擇滑坡變形區(qū)內(nèi)沿著主滑方向的主要勘探線2—2′剖面進(jìn)行滑坡的穩(wěn)定性計(jì)算與評(píng)價(jià)（潛在滑面在空間上為一個(gè)“撮箕狀形狀”，1—1′和3—3′剖面位于潛在滑面的邊緣，其覆蓋層厚度小，未對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，也無實(shí)際計(jì)算意義）。

根據(jù)滑坡變形的特點(diǎn)，選擇以下三種工況進(jìn)行計(jì)算：①天然工況（天然+地下水）、②暴雨飽和工況（天然+地下水+暴雨）其中①工況采用天然重度、天然內(nèi)摩擦角和天然內(nèi)聚力；第②工況采用飽和重度、飽和內(nèi)摩擦角和飽和內(nèi)聚力。

3.2 土體參數(shù)

由于假定的各潛在滑裂面埋深不一、土層不一、參數(shù)也存在一定的差異，因此綜合取值的各巖土層參數(shù)數(shù)據(jù)見表1。

表1 上西鋪滑坡穩(wěn)定性計(jì)算主要參數(shù)取值表

3.3 邊界條件

模型分析分為：飽和滲流分析與穩(wěn)定分析。兩類分析的邊界需分別設(shè)置。地下水初始條件根據(jù)地質(zhì)調(diào)查資料得到，設(shè)定滲流邊界條件：模型底部邊界設(shè)置為零流量邊界；模型頂部地平面以下2 m設(shè)置水頭為H＝228.0 m；模型左側(cè)邊界設(shè)置水頭為H＝228.0 m；其余邊界設(shè)計(jì)為未知邊界（即壓力P=0或者流量Q＝0）。穩(wěn)定分析的邊界條件設(shè)置如下：底部邊界完全約束，左右兩側(cè)邊界設(shè)置法向約束，上部邊界設(shè)置為自由邊界。

4 滑坡穩(wěn)定計(jì)算與推力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)大量的計(jì)算得知，上西鋪滑坡天然狀態(tài)下大于75%的概率下的安全系數(shù)1.153~1.256，對(duì)應(yīng)的內(nèi)聚力范圍14.2~15.8 kPa，對(duì)應(yīng)的內(nèi)摩擦角范圍10.6°~11.8°。飽和狀態(tài)下大于75%的概率下的安全系數(shù)1.038~1.129，對(duì)應(yīng)的內(nèi)聚力范圍12.6~13.8kPa，對(duì)應(yīng)的內(nèi)摩擦角范圍9.0°~9.8°。下面將對(duì)滑坡的推力進(jìn)行計(jì)算，剩余下滑推力計(jì)算成果見表2。

表2 滑坡剩余下滑推力計(jì)算成果表

5 滑坡穩(wěn)定性綜合分析

綜合分析，上西鋪滑坡在天然狀態(tài)下，滑坡穩(wěn)定性為穩(wěn)定狀態(tài)，處于整體穩(wěn)定狀態(tài)，坡體不會(huì)發(fā)生整體失穩(wěn)；暴雨飽和工況下，滑坡穩(wěn)定性狀態(tài)為基本整體基本穩(wěn)定、局部欠穩(wěn)定，穩(wěn)定性系數(shù)較高，其發(fā)生整體滑坡的可能性并不大，但滑坡的安全儲(chǔ)備不高。近幾年全球極端天氣多發(fā)、突變，在持續(xù)的各種不利工況影響和作用下、不可預(yù)見的極端氣候影響下，上西鋪滑坡發(fā)生整體滑坡的可能性增大。

6 結(jié) 語

文章通過建立上西鋪滑坡模型，通過滑坡穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算方法，得到上西鋪滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)，并計(jì)算了上西鋪滑坡的下推力，然后采用簡化畢肖普法對(duì)耦合了滲流力的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，得到如下結(jié)論：

（1）文章通過有限單元法、剛體極限平衡理論的簡化畢肖普法對(duì)上西鋪滑坡在穩(wěn)定滲流作用下的穩(wěn)定性系數(shù)、滑坡下推力進(jìn)行了計(jì)算。通過簡化畢肖普法客觀準(zhǔn)確地對(duì)上西鋪滑坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)，分析評(píng)價(jià)結(jié)果與上西鋪滑坡事實(shí)相符，該方法在穩(wěn)定滲流作用下的滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中的結(jié)果合理。在貴州碳酸鹽巖山區(qū)進(jìn)行類似滑坡勘查分析評(píng)價(jià)中可行，該方法相比傳遞系數(shù)法、瑞典條分法等方法有一定的優(yōu)越性，有一定的借鑒及推廣意義。

（2）對(duì)于計(jì)算滑坡，滲流場壓力水頭總體分布均勻，邊坡滲流水力坡降較均勻，滲流場總水頭等值線分布均勻，滲流場總水頭等值線垂直于壓力水頭等值線。對(duì)于計(jì)算邊坡坡面存在多個(gè)出滲點(diǎn)。

（3）考慮滲流作用滑坡的穩(wěn)定系數(shù)小于不考慮滲流作用下邊坡的穩(wěn)定系數(shù)。這主要是由于滲流作用，使得浸潤線以下的巖土體的容重增加，且滲透力的方向大致邊坡失穩(wěn)的方向基本一致所導(dǎo)致。滲流對(duì)邊坡穩(wěn)定性有顯著影響。

（4）采用有限元法求解滑坡在飽和滲流場，結(jié)合剛體極限平衡法對(duì)考慮了飽和滲流作用的滑坡穩(wěn)定性分析，可為滑坡的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。