復雜地質水庫邊坡滑動帶的強度參數反演及其穩定性研究

譚文帥，李雙龍

(1.湖南省水利工程協會，湖南長沙410007；2.中南大學土木工程學院，湖南長沙410075)

滑坡作為一種典型的重大地質災害，其影響范圍廣，破壞力極強[1]。因環境因素變化(如暴雨、地震等)引發邊坡垮塌事故屢屢發生，邊坡穩定性研究及其防治措施一直是國內外學者研究的經典巖土工程問題[2]。巖土體抗剪強度參數對于邊坡穩定性分析極其重要，一般采用現場試驗、室內試驗和參數反演等手段[3]來獲取巖土體的抗剪強度參數。然而現場試驗存在經費投入大、試驗時間長等諸多缺點，室內試驗精度同樣受試樣擾動性、取樣隨機性等因素影響，越來越多學者采用參數反演手段獲取巖土體的強度參數[4]，參數反演不僅經濟同時所獲得的強度參數也滿足工程精度要求。

針對邊坡穩定性強度參數反演方面的分析，已取得較多成果：石崇等[5]采用三維極限平衡方法反算出了瀾滄江古水水電站整崗滑坡堆積體底滑參數；楊秀萍[6]對水布埡面板堆石壩的材料參數進行反演，從壩體穩定角度研究了大壩的安全性問題；李騫[7]等通過有限元方法對巖質高邊坡進行了參數敏感性反演分析；章朝峰[8]結合現場量測結果對水電站邊坡進行了參數反演；劉超[9]對黃土高邊坡的抗剪強度參數進行了反演分析，并評價其穩定性。

可見，盡管針對不同邊坡進行參數反演的成果較多，但對復雜地質水庫邊坡的參數反演研究并不多見。復雜地質水庫邊坡因其覆蓋層厚、地質巖層多及坡度較陡等特點一直成為邊坡治理的難點。本文采用Morgenstern-Price法對長江中下游某水庫復雜地質邊坡滑帶強度參數進行反演，基于反演參數，分析水庫蓄水深度、抗滑樁加固及開挖削坡減載等工況對邊坡穩定性影響，進而為復雜水庫邊坡的安全加固治理研究提供參考。

1 邊坡強度參數反演分析方法

采用參數反演法對邊坡抗滑強度參數進行分析要滿足2個條件：①確定邊坡滑動面，并且此滑動面作為邊坡臨界滑動面；②確定滑動面在此狀態下對應的反演安全系數。目前采用的參數反演分析方法主要有：極限平衡分析方法、有限元法及有限差分法等。極限平衡分析方法將滑坡體分成條塊狀，計算抗力與荷載的比值，由此得到安全系數，主要包括Janbu法、簡化Bishop法及Morgenstern-Price法等方法，而有限元法及有限差分法將整體的無限問題離散成形狀各異的單元體，通過求解單元體的有限方程來獲得整體的數值解，基于有限元法的強度折減法能夠在考慮巖土體應力應變關系的同時求解邊坡體的安全系數。本文采用的是極限平衡法中較成熟的Morgenstern-Price法[10]對滑坡滑帶黏聚力c和內摩擦角φ進行反演，Morgenstern-Price法較Janbu法的優點是Morgenstern-Price法能處理任意形狀的滑下面，特別適用于復雜地質水庫邊坡的穩定性分析。

2 復雜水庫邊坡的強度參數反演

2.1 工程概況

研究對象為長江中下游某水庫一大型復雜地質邊坡，邊坡前緣與水庫岸坡之間為階地，階面高程435～455 m、寬度約300～400 m、地形平坦開闊，階地內側山體地形坡度一般為15°～35°，其中局部為陡坎，邊坡坡面總體走向約290°，局部轉為近東西向，傾向北，地形坡度20°～35°，局部沖溝側坡可達40°以上，相對高差約210 m，邊坡全景見圖1。

圖1 邊坡全景

現場監測數據顯示，從正常蓄水2 a后，滑坡體開始出現滑移變形，高邊坡位置出現少量拉裂縫，后經大量地質鉆孔勘探，最后證實位于滑坡覆蓋層堆積體和基巖分界面有一粉質黏土滑動帶存在，見圖2紅線標識。初步認為該邊坡產生滑移的主要原因為：蓄水導致滑坡體巖土體地下水位上升，有效應力降低，加上邊坡后緣滑帶以上覆蓋層巖土體的推力作用，進而導致滑坡體覆蓋層整體向庫區滑移，為了進一步確定滑動帶當前滑移狀態的抗剪強度參數，通過反演手段結合試驗數據綜合獲取。

圖2 邊坡典型地質巖層剖面示意

2.2 計算模型

參數反演需要建立合理模型。以滑坡體最不利二維剖面建立反演計算模型。本文采用巖土邊坡二維計算軟件Slide以滑坡體最不利二維剖面建立反演計算模型，對復雜地質水庫滑帶的強度參數黏聚力c和內摩擦角φ進行反演計算，計算模型材料屬性分區包括人工填土層、滑動帶(粉質黏土層)、沖洪積層(河道淤泥粉質黏土)、殘坡積(粉質黏土夾碎石層)、崩坡積(崩、塊碎石夾粉土層)、強風化基巖(泥巖)及中風化基巖(泥巖)。對于已經確定滑動面的滑坡，利用Slide可以指定滑動面進行穩定安全系數計算，本文分析邊坡指定滑動面為折線形式。計算模型見圖3。考慮滑坡體內部地下水的影響，根據鉆孔水位高程設置地下水位，反演計算庫水位高程為380 m。參考地質勘查報告，各巖土層基本參數取值見表1。

圖3 Slide參數反演計算模型

表1 反演模型基本參數

2.3 反演狀態的確定

反分析狀態的合理確定直接影響到參數反分析結果的合理性。根據滑坡體現場地表裂縫分布及裂縫特征、地表變形和深層變形的空間分布，結合DL/T 5337—2006《水電水利工程邊坡工程地質勘察技術規程》表C.2[11]給出的滑坡各發育階段變形特征描述，最終確定該滑坡體處于蠕動階段，其穩定系數為1.00～1.05。經現場勘查，同時考慮邊坡三維空間的富余安全性，綜合確定反演安全系數為1.05。

2.4 參數反演

取滑動帶黏聚力c反演計算范圍8～40 kPa(每間隔4 kPa反演計算一次)，內摩擦角反演計算范圍8°～15°(每間隔1°反演計算一次)。圖4為黏聚力c=20 kPa、φ=10°計算方案下的安全系數示意，各方案反演計算過程見表2。

圖4 c=20 kPa、φ=10°計算安全系數

由表2可知，在內摩擦角反演計算中，每增加1°，則安全系數增加約0.08，增幅約為8%，而黏聚力每增加4 kPa，安全系數增加約0.012，增幅約為1.5%?？梢娫谠撨吰碌膹姸葏捣囱菝舾行杂嬎阒?，內摩擦角的敏感度要比黏聚力更強，內摩擦角的取值對反演參數合理性的影響更大。

表2 強度參數反演過程

圖5給出了各黏聚力與內摩擦角反演計算過程曲線。由圖可知，在給定不同黏聚力值的情況下，隨著內摩擦角的增大，安全系數的變化規律基本一致。繪出1.05安全系數直線，經過插值可得到反演計算后得到的滑動帶強度參數，同時綜合滑動帶取土室內試驗數據最終確定內摩擦角10.4°，黏聚力22 kPa，基于反演強度參數可對該邊坡的穩定性進一步分析。

圖5 c和φ敏感性分析曲線

3 基于反演參數的穩定性分析

通過以上強度參數反演計算得到了該邊坡滑動帶強度參數，為了進一步分析環境變化對該邊坡穩定性的影響以及考察后期工程治理措施的效果，分別研究不同蓄水深度、不同抗滑樁布置形式以及開挖削坡對該邊坡穩定性影響規律。

3.1 蓄水深度對安全系數影響規律

建立以下4種工況：gk1為天然河床水位未蓄水，gk2為蓄水水位高程360 m，gk3為正常蓄水位高程380 m驟降10 m (地下水位來不及變化)，gk4為正常蓄水位高程380 m加暴雨(地下水位升高2 m)。分別對上述4種工況進行計算，計算結果見表3。由表可知，在天然未蓄水情況下，滑坡體內地下水位相比蓄水后要低，因此整個滑坡體偏向穩定，安全系數為1.076；而隨著蓄水深度的增加安全系數逐漸降低，在正常蓄水位高程380 m加上暴雨工況，邊坡安全系數僅為1.029，其主要原因為蓄水及暴雨工況下地下水位升高，滑坡體巖土體孔隙水壓力增加，有效應力降低，進而增加失穩的可能性。

表3 不同工況計算結果

3.2 抗滑樁布置方式對安全系數影響規律

針對該邊坡出現的滑移現象，為了防止其變形加劇，必須采用工程措施對其進行安全加固。目前針對邊坡加固整治措施，主要方法包括：①擋土墻；②抗滑樁；③施加金屬錨桿(索)；④添加護坡等措施。顯然，該邊坡由于主滑動帶較深，處于覆蓋層與基巖交界面，在地面以下70～90 m處，并不適合建立擋墻，同時覆蓋層主要為松散崩坡積黏土夾碎石，基巖裂隙發育，金屬錨桿也不適用。該邊坡擬采用的加固措施為：在該邊坡后緣較陡位置設立多排抗滑樁，每排抗滑樁寬度1 m，抗滑樁深度穿過滑動帶交界面位置，抗剪強度為1.2 MPa?？疾觳煌够瑯恫贾眯问綄Π踩禂档挠绊?，建立3種布置形式見圖6，依據這3種不同布置形式建立不同計算方案，其計算結果安全系數見表4。

圖6 3種抗滑樁布置形式

計算方案安全系數僅①布置形式1.052僅②布置形式1.053僅③布置形式1.053①+②布置形式1.055①+③布置形式1.055②+③布置形式1.056

由安全系數計算結果(表4)可知，采用①形式抗滑樁進行加固，較邊坡反演狀態，安全系數只增加了0.002，采用②、③形式安全系數增加了0.003，可見②、③形式位置的滑坡土體形成的向下推力要更大，主要是由于此部位滑動帶上部覆蓋層坡度較陡所致。當采用2種形式同時布置時，最佳組合形式為②+③布置形式，比邊坡原始狀態安全系數增加了0.006。總體來說，由于滑坡體量較大，產生向下滑移推力巨大，設立抗滑樁并沒有顯著效果，同時也并不經濟，抗滑樁深度大也導致施工困難。

3.3 開挖削坡對安全系數影響規律

根據該滑坡的滑移模式，滑坡滑移的主要原因為滑坡體后緣較陡巖土體產生巨大推力，結合水庫蓄水引起的地下水位上升等因素致使滑坡體產生階段性滑移變形。由此進一步確立了通過開挖削坡方式來提高該邊坡安全穩定的加固辦法。開挖削坡是指對邊坡后緣坡度大的邊坡巖土體進行開挖，降低邊坡下滑力達到增加邊坡安全性的目的。對該邊坡采用開挖削坡的處理方式進行加固，圖7為開挖后的邊坡示意。對開挖后的邊坡進行計算，計算結果見圖8。

由圖8可知，開挖削坡后的邊坡安全系數達到1.262，較邊坡反演狀態安全系數增加了0.212，增幅約為20%。根據DL/T 5337—2006《水電水利工程邊坡工程地質勘察技術規程》表C.2中所述，該邊坡在開挖削坡后安全系數為1.262，處于安全穩定狀態，可見開挖削坡對該邊坡安全加固作用效果明顯。

圖7 開挖削坡示意

圖8 開挖削坡計算結果

4 結論

本文采用二維極限平衡分析方法Morgenstern-Price法對長江中下游某水庫復雜地質邊坡滑動帶強度參數進行反演，基于反演參數，研究了蓄水深度、抗滑樁加固布置形式及開挖削坡減載等工況對邊坡穩定性影響，得到以下結論。

a) 該復雜地質水庫邊坡強度參數反演計算表明，滑動帶強度參數內摩擦角為10.4°，黏聚力為22 kPa，并且內摩擦角的敏感度要比黏聚力更強，內摩擦角的取值對反演參數合理性的影響更大。

b) 邊坡穩定安全系數隨著水庫蓄水深度增加而降低。在正常蓄水位+暴雨工況，該邊坡穩定安全系數為1.029，因此，有必要在滑坡體內做好排水設施以防強降雨期間滑坡體進一步滑移。

c) 設立抗滑樁對該邊坡的安全加固作用沒有顯著效果，而開挖削坡對提高該邊坡安全穩定作用效果明顯，開挖削坡后的邊坡安全系數達到1.262，較邊坡反演狀態安全系數增加了0.212，增幅約為20%，處于安全穩定狀態。