石寮水庫高邊坡滑塌成因及抗剪強度參數反演分析

胡昌文，韋 彬，戴智穎

深圳市綜合交通設計研究院有限公司，廣東 深圳 518003

高邊坡高度較高，規模較大，且往往出現在地形地質條件復雜的區域，如果沒有受到足夠的重視，容易導致各種病害的發生。因此，高陡邊坡的穩定問題成為工程建設中的常見問題，正確地認識和分析其工程地質和巖石力學特性，對工程結構的可行性和經濟效益起著至關重要的作用[1]。

邊坡穩定性分析的首要前提是獲得巖土體的力學參數，其中黏聚力和摩擦角的選取是關鍵問題[2-3]。各種確定參數取值的方法中，反分析方法可以在分析過程中考慮滑坡體實際受到的內、外部作用因素，獲得綜合性更好的參數反演值[4]，因此，該方法被廣泛應用于工程實踐中。聶林等[5]以萬梁高速上一個具體滑坡為例，構建了室內大型地質力學模型，進而對參數反演的方法和步驟進行了介紹，通過對比理論分析結果和試驗結果，驗證了該方法的準確性。劉光華等[6]基于FLAC 3D軟件，通過編寫強度折減法進行了抗剪強度參數反演，并將分析結果與極限平衡法分析結果進行了對比驗證。徐志華等[7]結合正交試驗、遺傳算法等，通過構建安全系數的等值線圖，對楔形體的結構面強度參數進行了反演。趙洪彬等[8]結合正交設計等多種方法，構建了高邊坡巖體力學反分析模型，與實際監測數據進行對比驗證了該方法的可行性。萬黎明等[9]采用數值模擬方法，提出了一種無須假定滑動面的參數反演方法，并以黃土高邊坡為例進行了案例分析。

基于以上考慮，文章以石寮水庫高邊坡滑塌的工程實例為例，通過分析滑坡的成因、工程地質情況，采用極限分析有限元方法對其滑動面強度參數進行反分析，并給出加固建議，可為類似條件下滑坡分析、加固與防護以及現場施工提供參考。

1 滑坡抗剪強度參數反分析方法

滑坡抗剪強度參數的選取是進行邊坡穩定性分析以及工程處置的關鍵。目前，抗剪強度參數的確定主要采用試驗法、類比法、經驗法、反分析方法等[10]。反分析方法根據滑坡的實際失穩狀態建立穩定性分析模型，由已知的穩定狀態，反算出滑坡的綜合抗剪強度參數取值[11-12]。該方法可以在分析過程中考慮滑坡體實際受到的外部作用因素，獲得綜合性更好的參數反演值，因此在工程實踐中得到廣泛應用。

具體實施過程中，根據實際失穩狀態給定目標安全系數（一般取邊坡的極限平衡狀態即安全系數為1.0），以滑坡主滑面建立穩定性分析模型，通過調整抗剪強度參數取值，使分析模型的安全系數等于目標安全系數，從而得到參數反演值。由于需要確定的抗剪強度參數包括黏聚力（c）和摩擦角（φ）兩個參數，為了避免人為給定其中某一個參數取值，往往選取2個滑坡斷面建立分析模型。通過設置安全系數為1.0，得到2條c-φ曲線，由c-φ曲線的焦點確定參數反演值（見圖1）。

圖1 抗剪強度參數反分析示意圖

2 石寮水庫高邊坡工程背景及滑塌成因

2.1 石寮水庫高邊坡概況

石寮水庫高邊坡位于龍崗區銅鑼徑水庫北面的山體，屬丘陵地貌，起止里程K20+840～K20+960，位于線路右側，邊坡長120m、寬70m，邊坡最大高度為33m，滑坡面積約3500m2，為一級高邊坡（見圖2）?；瑒訁^域屬丘陵地貌，坡度約60°。邊坡已滑移，后緣下挫高度為2m，處于不穩定狀態（見圖3）。

圖2 邊坡全景示意

圖3 滑坡后緣下挫

2.2 工程地質條件

為了準確掌握邊坡的工程地質條件，對現場滑坡區域進行了勘探。根據勘探結果得到地層信息，由上而下分為4層。

（1）人工填土層（Qml）。素填土：褐黃、褐灰、褐紅色，稍濕，松散～稍密狀，主要由黏性土組成，含少量碎石。該層整個場地僅ZK5、ZK11、ZK13等3個鉆孔見及，層厚0.50～ 1.20m。

（2）第四系坡積層（Q4dl）。粉質黏土：褐紅、黃色、稍濕，可～硬塑，不均勻，含較多礫粒。該層整個場地僅DBZK69、DBZK70（ZK7）、ZK12等3個鉆孔見及，層厚1.00～2.20m。

（3）第四系殘積層（Q4el）。粉質黏土：褐紅、黃色，稍濕，可～硬塑，不均勻，含較多礫粒。該層整個場地僅ZK12鉆孔見及，層厚2.70m。

（4）石炭系砂巖（C1）。該層為測水組巖層，堅硬巖類，具有層狀構造，根據風化程度分為以下情況。①全風化砂巖：灰褐色，原結構基本破壞，巖芯呈硬土柱狀，巖質松軟，遇水崩解。該層整個場地僅ZK2、DBZK70（ZK7）、ZK10～ZK13等6個鉆孔見及，厚度為2.00～9.10m。②強風化砂巖：黃褐、灰褐、褐紅色，巖芯呈半巖半土狀，原結構可辨，裂隙發育，風化不均勻，軟硬交替，間夾中風化巖塊。該層整個場地僅ZK2、ZK4～ZK6、ZK10～ZK13、DBZK69、DBZK70（ZK7）等10個鉆孔見及，厚度為2.10～18.60m。③中風化砂巖：灰褐、青灰色，巖芯呈短柱塊狀、塊狀，巖質較為新鮮堅硬，裂隙發育，風化不均勻，呈軟硬交替狀，間夾強風化巖塊。該層整個場地僅ZK2、ZK4～ZK6、ZK10～ ZK13、DBZK69、DBZK70（ZK7）等10個鉆孔見及，此層厚度為1.90～16.60m。④微風化砂巖：灰褐、青灰色，巖芯呈柱狀，巖質新鮮堅硬，裂隙發育，錘擊聲脆。該層整個場地僅DBZK69等1個鉆孔見及，揭露厚度為5.20m。

2.3 石寮水庫高邊坡滑坡成因

通過現場勘探和分析發現，該邊坡主要屬強風化巖質邊坡，邊坡巖體類型為Ⅳ類，風化深度大，地質測繪未發現對邊坡較大影響的地質構造。控制高邊坡穩定性的巖土層及結構面主要為強風化砂巖及其層理面，巖層產狀為352°～355°∠54°～62°。

根據組成高邊坡巖土介質空間分布與邊坡坡面傾向、傾角關系（邊坡設計坡向28°），判斷本邊坡原有結構產狀為順向坡，穩定性較差，極易變形破壞。由于基巖風化深度大，邊坡巖體呈類土質狀，原有結構面由于風化作用使其對邊坡穩定性的控制作用受到極大弱化，判斷邊坡出現失穩的主要成因是開挖卸載及強降水入滲引起巖土體材料強度參數弱化，容重增加是主要誘發因素。

3 抗剪強度參數反演分析與加固設計建議

3.1 抗剪強度參數反演分析

為了獲取滑坡的抗剪強度參數，以供加固設計參考，選取該邊坡典型斷面K20+920和K20+900滑動后的幾何形狀建立分析模型（見圖4、圖5），利用極限分析有限元方法進行參數反分析。

圖4 K20+920斷面圖（單位：m）

圖5 K20+900斷面圖（單位：m）

根據滑坡失穩后的穩定狀態，假設滑動后坡體處于極限狀態，即目標安全系數為1.0，通過修改抗剪強度參數取值，利用極限分析有限元方法使分析模型的安全系數結果為1.0，得到K20+920斷面和K20+900斷面的c-φ曲線（見圖 6）。

圖6 K20+920斷面和K20+900斷面c-φ曲線

由圖6可知，2個斷面的c-φ曲線相交于一點，即當強度參數取該點所代表的參數值時，2個不同斷面均處于極限平衡狀態。根據反分析原理，該交點取值即為反分析結果，因此取滑動后坡體滑動面的黏聚力和內摩擦角分別為c=34kPa、φ=12.5°。根據K20+920斷面和K20+900斷面建立模型，代入反演得到的參數值進行穩定性分析得出相應的結果（見圖7）。

圖7 基于反演參數的邊坡穩定性分析結果

采用反演參數值進行計算得到K20+900斷面安全系數為0.994，K20+920斷面安全系數為0.973，表明滑坡處于臨界穩定狀態，極易發生滑動，與實際失穩的情況相符。由此，證明參數反演值較為合理，可以用于后續分析。

3.2 滑坡處治加固設計

通過上述分析可知，該高邊坡屬于順向坡，為了提高坡體穩定性，可分級分段放坡開挖，利用錨桿、格構梁并輔以坡面植被支護。同時，應避免雨季施工，必須做好邊坡的地表、地下水排水措施，邊坡坡頂需設置山坡截水溝，坡面設計排水孔，平臺設置平臺排水溝，開挖時應做好相關應急處理邊坡預案。施工時可結合監理工程師意見，根據現場實際情況適當調整，根據巖體質量、節理裂隙的發育情況變化，及時做好動態設計和信息化施工工作。主要包括以下內容：

（1）抗滑樁采用鉆孔樁，樁徑為1200mm，樁頂通長設置800mm×1400mm鋼筋混凝土冠梁。

（2）樁間板：樁間設置18cm厚擋土板，與抗滑樁通過植筋錨固連接。

（3）伸縮縫設置：沿坡面縱向每30m左右設置一道，縫寬為20mm，內填塞瀝青麻絮或瀝青木板，沿內外頂三方填塞深度不小于15cm。

（4）泄水孔設置：泄水孔采用φ100mmPVC管，間距按3m×3m梅花形布設，要求最下一排泄水孔高出常水位30cm以上。

（5）錨索采用Φ15.24mm（1860MPa）高強度、低松弛鋼絞線編制。

4 結論

文章通過對石寮水庫高邊坡的地質條件、滑坡成因、參數反演等進行分析，得出以下結論：

（1）該邊坡主要屬強風化巖質邊坡，邊坡巖體類型為Ⅳ類，控制高邊坡穩定性的巖土層及結構面主要為強風化砂巖及其層理面，且該邊坡巖體呈半巖半土狀，雖然結構面由于風化作用使其對邊坡穩定性的控制作用受到弱化，但其仍然是主要控制因素。

（2）采用極限分析有限元方法基于失穩后滑坡斷面對其滑動面強度參數進行反分析，獲得了滑動面抗剪強度參數取值。

（3）該高邊坡屬于順向坡，為了提高坡體穩定性，建議分級分段放坡開挖，利用錨桿、格構梁并輔以坡面植被支護。