珠海某邊坡穩定性分析

陳海東

（1 建材廣州工程勘測院有限公司；2 中國建筑材料工業地質勘查中心廣東總隊）

0 引言

工程建設領域中的邊坡穩定性問題，一直是巖土領域中的高難度課題，其綜合要求較高，涉及了工程地質、水文地質、巖土力學、支護結構等多個領域。李元松[1]等將邊坡穩定性分析評價方法劃分為工程地質定性分析法、工程力學理論分析法等5 類。其中工程力學理論分析法中的極限平衡法、數值分析法（有限單元分析）等方法趨于完善和成熟，且應用較為廣泛。以上方法通常與安全系數法相結合，結果簡便、直觀，可對邊坡的穩定性作出定量評價。我國邊坡相關規范中的傳遞系數法（即剩余推力法），其中的穩定系數即安全系數，此方法就是極限平衡法與安全系數法結合的結果。

邊坡根據構成物性質的不同，分為巖質和土質邊坡。土質邊坡中的極限平衡法多采用垂直條分法，即假定邊坡處于極限平衡狀態時，其滑動面上的各個土條之間滿足靜力平衡方程，利用作用力平衡和力矩的平衡計算邊坡的穩定安全系數Fst。常見的方法有瑞典法、畢肖普簡化法、滑楔法、斯賓塞法（Spencer 法）等。隨著信息技術和計算機的普及，計算土質邊坡穩定性的軟件很多，有基于極限平衡法的理正邊坡軟件、基于有限單元分析的Midas 軟件等，這些軟件計算速度快、精確度高。對珠海某處邊坡通過兩款軟件進行建模分析，計算其穩定性，為下一步邊坡治理和穩定性研究提供數據支持。

1 工程概況

珠海市斗門區某造紙廠北側邊坡，坡面植被良好，山坡坡腳為原紙廠宿舍樓，坡頂為電房及菜地，西南側邊坡距離宿舍樓約4m，北側距離電房及菜地較近，坡頂最高處標高約24.51m，設計坡底標高為約2.39m，坡高約11m，坡長約60m，原紙廠宿舍樓西北段坡度50°～60°，進入雨季后，隨降雨量增大，邊坡西段及中段發生了垮塌，坡頂地面出現裂縫，最大裂縫處約10㎝，見圖1～圖4。邊坡下部擋土墻高約2m，年久失修，坡頂為工業建筑，坡腳為民房住宅，如失穩將會造成重大的人身及財產損失。因此有必要對該邊坡進行穩定性分析，為下一步災害的防治提供理論支持。

圖1 邊坡西段垮塌

圖2 西段全貌

圖3 西南方向終端垮塌

圖4 坡頂處地面裂縫（已修補）

2 地質概況

根據邊坡的勘察資料顯示，該邊坡主要地層有三層，素填土層、殘積土層、強風化花崗巖。區域地質圖見圖5。

圖5 區域地質圖

該邊坡素填土層較薄，主要土體為殘積土。由于興建時間較早，坡頂水泥硬化層較薄，且多處出現破損。殘積土為花崗巖風化形成，主要為粘土，少量石英砂，上部夾含少量坡積土，石英礫砂約含10%～30%，干強度較高，韌性小，土質不均勻。該殘積土層較厚，約20m，勘察報告揭示，下部花崗巖較完整，滲透系數較小，可視為相對隔水層。各土層物理力學指標如表1。

表1

3 穩定性計算

3.1 計算模型選取

根據勘察報告的選取剖面顯示，該邊坡主要土體為殘積土，可近似考慮該邊坡為均質土坡，可采用極限平衡法的力學模型，假定潛在滑移面為圓弧形，采用瑞典條分法分析。

瑞典條分法主要假定是土體法向應力是土體重力在法線方向的分量，該分量通過滑動點圓心，在力矩平衡方程中不出現該計算量。畢肖普[2]（Bishop）后來對該方法進行了重要的變動，他引入了滑動面的安全系數F，安全系數定義實質是對土體的抗剪強度進行了折減，表現為：

土條上的力一般根據（Morgenstern & Price；Janbu）提出的合理性邊界條件，土體的抗剪強度根據安全系數的定義折減，劃分的土條上的力可按下列條件分析：

⑴土體重力：水位線以上為天然重度，水位線下為飽和重度。

⑵土條上部荷載：根據實際坡頂荷載進行定義。

⑶地震慣性力：主要為水平地震力，和劃分土條的重力有關，即下文平衡方程中的hQ。

⑷土體垂直方向上的總應力，包括法向作用力和水頭壓力。

條分法靜力平衡公式：

計算簡圖見圖6。

圖6 瑞典條分法計算簡圖

3.2 理正軟件計算工況及結果

該邊坡的穩定性計算分析主要考慮一般工況、地震工況及地震+暴雨工況三種典型工況。

一般工況的邊坡土體物理力學指標選取天然重度及相應的抗剪強度指標（直剪快剪）；暴雨工況的邊坡土體的物理力學指標選取飽和重度及抗剪強度指標（飽和直剪）。三種工況的計算結果見表2。

表2

該邊坡主要構成物為殘積土，工程性質較好，但由于高度較高且坡度較大，一般工況下不利剖面的穩定安全系數為0.709，地震工況下穩定安全系數為0.678，暴雨+地震工況穩定安全系數最低，僅為0.452，均處于不穩定狀態，需要對邊坡進行處理。

3.3 邁達斯軟件分析結果

邊坡模型選取為二維降雨滲流邊坡穩定性計算模型，該模型高度為30m，總寬度50m，邊坡高度20m，坡度1.2。降雨強度為暴雨，根據珠海的氣象資料，降雨量選擇300mm/d，持續時間10 小時。土體材料及屬性參數見表3。

表3

計算工況分為一般工況及暴雨工況兩種。

計算云圖見圖7、圖8。

圖7 一般工況

圖8 暴雨工況

經計算，一般工況其穩定安全系數為1.05，暴雨工況下穩定安全系數為0.72。計算結果顯示邊坡一般工況下欠穩定，暴雨工況下為不穩定狀態。

4 邊坡穩定性分析及處理建議

該土質邊坡坡高最高處約20m，坡度最大處約60°，上部和坡面無可靠的防、排水措施。珠海雨季較長，雨量較大，大規模的降水通過滲流進入邊坡土體，土體飽和自重增加，地下水位升高，動水壓力變大，土體的抗剪強度也由于降雨影響而降低。多種因素的組合，引發一系列復雜的變化，均不利于現有邊坡的穩定，可能會引發邊坡坡體的垮塌和上部坡頂地面的開裂。通過理正和邁達斯軟件的建模計算結果，一般工況及暴雨工況下的邊坡穩定安全系數都不符合現有規范的要求，具有滑坡的可能性。在一般情況下，邊坡可以保持暫時穩定，但由于邊坡土體本身應力應變發展是一個漸進的過程，較難發覺，在突發大規模降雨的情況下，存在邊坡失穩的巨大風險。在暫時穩定狀態下，其穩定安全系數較低，幾乎沒有安全儲備。因此，該邊坡必須采取行之有效的處理方案以保障人身和財產安全。

對于該邊坡的治理，有以下幾點建議：

⑴對坡頂和坡體進行水泥硬化，主要是防治降雨和其他排水浸入邊坡土體。

⑵對邊坡土體進行加固，考慮采用錨索等方式進行加固，控制邊坡體的位移。

⑶坡腳擋土墻進行加固，如不能滿足要求，考慮加置抗滑樁，同時修繕現有擋土墻的排水裝置，保證排水效果。

5 總結

邊坡的土體是由復雜的地質作用形成的，其本身的工程力學性質和各種工況下的變化，是造成邊坡失穩的主要原因，同時外部荷載和人類活動等諸多因素又加大了其復雜性。隨著社會發展，工程建設開始不斷向山區邊坡等不利地質場地擴展和延伸，對邊坡的穩定性分析變得越來越迫切。傳統的方法由于力學模型簡單，計算結果相對安全保守，現在已成為主流的計算方法，但其基本假定沒有考慮變形等因素，因而只有在均質土體邊坡中的應用和實際情況比較吻合。對于多層復雜土層和巖層組成的邊坡，其計算結果和實際相差較大。隨著數值分析方法的進步，有限單元、離散單元等方法也開始在邊坡穩定分析中得到了較多的應用，但其數據模型的可靠性尚不能服眾，在實際運用中也有些不接地氣。從該工程的分析結果看，采用傳統方法和有限單元方法進行的計算結果有些許不同，其原因在于模型的假定和數據處理方式的差異，總體上說各有利弊，可以彼此作為補充，有利于對工程的整體把握。

邊坡的穩定分析中，關鍵在于對工程地質環境的查明和正確地質模型的建立，一味追求數字計算的精密和穩定安全系數的取值都是不可取的。邊坡計算中需要抓大放小，通常邊坡穩定和水脫不了干系，無論是地表降雨、地下水的變化等，都需要引起足夠的重視；另一方面，人類活動對于邊坡的影響較大，坡頂堆載及坡體開挖引發的各種事故比比皆是。該兩點需要在邊坡分析和治理中引起足夠的重視。