基于點安全系數法的大型堆積體變形滑坡穩定性分析

牟 琦 邵 江 楊 濤 張 磊 陳懷林

(1.四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司 成都 610041; 2.西南交通大學土木工程學院 成都 61000)

位于西南地區峽谷山區的大型堆積體滑坡，由于成因復雜，其堆積物質成分多樣，多為土巖混合堆積，其滑移界面也多為碎石、角礫土。由于現階段鉆探取樣技術限制，難于取到一定數量具有代表性的土樣，獲得相應的力學參數，準確分析相應的滑坡體穩定性[1]。而滑坡穩定性的確定是進行滑坡災害分析評價和制定有效防治措施的基礎。

隨著工程實踐的大量應用，邊坡穩定性分析方法也得到了長遠的發展。數值模擬分析或剛體極限平衡法，均是在確定擬滑面的基礎上進行穩定性分析確定，但穩定性分析的準確性依賴于參數的準確性[2-5]。

對于滑坡的治理措施是以對滑坡現狀的把握為基礎的，對于正在變形的邊坡，多依靠勘察設計人員的經驗，根據滑坡的變形特征，定性判定滑坡現階段的大致穩定程度，并結合滑坡的地質特征和試驗成果，綜合判定滑坡的穩定性。

根據變形特征來初判滑坡的穩定性難度較大，不同的學者和工程技術人員，會給出不同的結果，王浩等[6]建議劃分為蠕動階段(1.05

如何對滑坡的變形特征從定性轉化為定量，通過對整個滑坡體的變形特征進行深入細致地分析，與坡體的局部穩定性相結合，以提升處于變形階段滑坡的穩定性分析準確性具有較好的工程意義。本文采用點安全系數法[8-9]，用于輔助整個滑坡的穩定性分析，不僅能夠分析出邊坡的失穩狀態和滑面位置，還能很好地反映邊坡的局部穩定性。

下面以沙壩2號滑坡的穩定性分析為例進行說明。

1 滑坡的工程地質特征

沙壩2號滑坡位于雜谷腦河右岸，滑坡長約370 m、寬約240 m，滑坡前后緣高差約260 m，平均厚度約15 m，總方量約130萬m3。G317線K853+200段附近從滑坡體下部穿過。滑坡區地形切割劇烈，山高谷深。河谷呈寬緩V形河谷，自然坡度一般為30°～35°。邊坡中上部植被發育。

滑坡體高程分布2 425～2 980 m，為土質斜坡。滑坡體下部主要地層巖性為中生界三疊系新都橋組(T3x)千枚巖、板巖夾薄層砂巖。據臨近工點鉆孔揭示，坡表覆蓋層厚度15～27 m，由全新統崩坡積層(Q4c+dl)碎、塊石土組成。

1994年夏季暴雨后，沙壩2號滑坡坡表出現側向及后緣裂縫，側裂縫最寬時達20 cm，后緣裂縫水平位移達60 cm，垂直錯位達4.2 m，局部坍塌。分析認為當時該滑坡誘發條件為暴雨及滑體中部水溝中的地表水下滲，整體處于臨界穩定狀態。2004年對該滑坡進行了勘察，揭示滑坡體覆蓋層厚約13～25 m，土體成分為含碎石、礫石土，松散～中密，潮濕，遇水極易發生蠕滑。G317左側坡體下部及滑坡體前緣坡腳未見明顯變形和破壞痕跡，坡腳II級階地保留完好，說明此滑坡下部是穩定的。G317左側坡體上部覆蓋層在有地下水、暴雨及路塹開挖臨空情況下發生蠕滑變形。2020年，經治理后的滑坡再次發生坡體變形，出現拉裂縫、錯臺、坡面溜滑、抗滑樁推出及前緣臌脹變形特征，滑坡變形范圍影像見圖1。

圖1 沙壩2號滑坡及坡表裂縫變形范圍影像圖

本文以沙壩滑坡2號變形體為例，現場鉆取巖土試樣測試滑帶抗剪強度參數，依據典型剖面建立地質力學模型，采用點安全系數法來分析滑坡的安全系數，從而推斷滑坡的滑動機理，并與實地監測數據進行對比驗證，為滑坡治理工作提供參考。

2 滑坡的變形特征

2.1 裂縫分布特征

2號滑坡整體變形明顯，現處于蠕滑變形階段，由于變形體右前緣公路外側高擋墻和左前緣公路內側擋墻結構破壞，對其內側土體的支擋能力明顯降低，在不利因素作用下可能進一步發生變形破壞；加之滑坡體本身局部下錯明顯，使得斜坡土體可能沿高陡擋墻臨空面推移剪出，引起進一步滑移。

對現場發生的裂縫進行實地測量，并根據裂縫的發育密度和分布位置，進行分區的劃分。

公路右側邊坡上發育3條走向近平行的裂縫：裂縫L1位于斜坡下部，可見長度延伸約13 m，寬5～10 cm，可見深度約0.5 m；裂縫L2可見長度約8 m、寬約15 cm，下錯約20 cm；裂縫L3可見長度約15 m、寬度15～20 cm，下錯高度約25 cm。

根據滑坡的坡表裂縫的分布特征，表明滑坡現階段處于蠕滑擠壓階段，將平面圖分為3個區域(見圖1)，分別為上部主動推移區(I區)，中部抗滑區(II區)，下部剪切變形區(III區)。

主動推移區(I區)位于滑坡后部，裂縫發育長度大，密度高，在勘察期間，可見的長大顯性裂縫多達11條，多以張拉裂縫為主，最大可測裂縫深度達7 m以上，少量剪切裂縫，且裂縫有明顯的下錯，下錯高度達1 m，最長的為滑坡后緣的邊界裂縫，長度達320 m，與臨空方向近平行，與主滑的法向方向相同，具有張拉特性，在5～10 m范圍內，平行分布2～3條。

抗滑區(II區)位于滑坡中部，無明顯長大的顯性裂縫，為裂縫的最少分布區，主要為滑坡兩側的邊界裂縫，以剪切為主，裂縫方向與主滑方向相同，裂縫兩側的地表有0.5～1.2 m的高差，也界定了滑坡的分布范圍。

剪切變形區(III區)位于滑坡下部，裂縫分布較多且短小，長度多為5～15 m，以與滑坡主滑方向近于平行的裂縫為主，多為剪切和壓張裂縫，裂縫少有下錯，除這些相對短小的裂縫外，此區在地形相對較陡處，存在多處表淺的溜滑。

通過裂縫的分布特征，展示了推移式滑坡的坡表變形特征。在推移區(I區)，是滑坡最先發生變形的地方，厚度18～20 m，而變形裂縫的特征主要以張拉為主，方向為滑移方向的法向，是滑坡體抗滑力最早小于下滑力的地方，此段也是最早出現蠕滑變形的區域；在抗滑區(II區)屬于坡表變形表現最不明顯的區域，厚度14～17 m，僅兩側有下錯，一般此區域的變形主要表現在坡表一定范圍，而滑帶在此區域尚未完全形成貫通，此時的抗滑力大于下滑力，故坡表變形較少；前部剪切變形區，總體厚度較小，厚6～8 m，由于坡體變形產生的下滑推力的傳導，導致此段的整體下滑力略大于下滑力，此區域存在蠕滑變形。

不同區域的變形特征說明了在滑坡不同區域變形的差異性，局部變形的差異也說明了滑坡體局部不同的穩定性，而這種區域的穩定性差異在穩定性分析中通常難以體現。

2.2 滑坡的變形監測特征

針對沙壩滑坡已有變形跡象，對滑坡進行監測。通過對邊坡地表及深部位移、地表裂縫、降雨量、地下水位的監測。2號滑坡監測工作包括4個一體化GNSS地表位移監測站，3個一體化裂縫自動監測站。監測站點布置情況見圖2。

圖2 監測站點布置圖

對滑坡的監測始于貫通裂縫逐漸形成的過程中，在不同分區所布設的監測點，其變形見表1。

表1 滑坡監測點位移匯總表

由表1可見，在不同的區域中，不同的監測點均有不同的位移，說明在觀測時長內，周界裂縫出現后，坡體的不同區域均會出現一定的位移；在不同區域的位移存在一定的差異，總體而言，位于I區的位移大于II區和III區，但這種位移大小的差異與監測點的分布位置相關，不同的監測手段，其測試結果見的數值大小不具有絕對的對比性，因裂縫計是裂縫變化的相對值，而位移才是坡表監測點的絕對變形值；在I區的裂縫也要大于II區的裂縫，結合圖1說明在不僅I區的裂縫數量遠遠多于II區，其裂縫的變形也大于II區。

3 滑坡滑動機理的點安全系數分析

本文基于美國Itasca公司研發的針對于巖土體等材料進行三維結構受力分析和塑性流動分析的有限差分軟件FLAC3D，引入點安全系數法進行數值分析。以分析滑坡局部穩定性的差異變化。

3.1 點安全系數基本原理

點安全系數法分析滑坡體模型的穩定性，計算過程分為4個步驟[10-11]。

1) 全計算域采用彈性本構模型，計算坡體的應力場；選用與坡體材料相應的本構模型計算坡體實際的應力場。對比坡體的應力場，計算滑帶單元的位移增量。

2) 在數值模型計算、分析過程中，坡體的一點發生塑性破壞，僅表示最危險截面該點的正應力與最大剪應力服從屈服準則，坡體的每個單元在受力發生變形時，均受到相鄰單元的約束作用，需要滿足變形協調條件。也就是說，坡體內部的完全塑性屈服僅表示坡體發生局部破壞，坡體不一定整體失穩，邊坡發生整體失穩的一個充要條件為截面上全部單元垂直于滑面的正應力方向與滑動方向的剪應力均服從屈服準則。基于這一原理，建立數值模型，找出滑坡體的位移等值面。

3) 確定滑面的法向量和切向量：計算位移等值面的法向量n，各坐標分量為nx、ny、nz。計算六面體八節點的平均位移v，各坐標分量為vx、vy、vz。單元的位移矢量在位移等值面的投影S為單元體滑動方向，即

S=(n×v)×n

(1)

向量S單位化后，可得到節點位移矢量在等值面上的滑動方向Sx、Sy、Sz，斜截面上的正應力在坐標軸上的分量為pnx、pny、pnz，計算滑面的正應力σ和剪應力τ為

(2)

4) 計算單元體的抗剪強度與剪切力大小的比值為點安全系數Fe

(3)

式中：c為巖土體黏聚力，Pa;φ為巖土體內摩擦角，(°)。

計算各點的點安全系數值，根據單元體對應的位移等值面面積對點安全系數進行面積的加權平均得坡體的整體安全系數為

(4)

3.2 計算模型

根據現場詳細地質勘察，對實際地質情況加以簡化，確定出滑體范圍、地質條件和滑坡的滑面位置，用FLAC3D建立沙壩滑坡的計算模型，運用八節點六面體網格單元對全域進行離散，劃分出10 131個單元，14 705個節點。再使用FLAC3D內置的命令流對滑體、滑帶、滑床賦予相應的物理力學參數，參數結合地質資料與直剪試驗實測結果所選取，具體參數及取值見表2。

表2 巖土體結構的物理力學參數

數值模型見圖3，滑體水平坐標在60～420 m的范圍內。

圖3 滑坡數值模型

3.3 數值分析

全計算域采用彈性本構模型，運用FLAC3D進行數值計算，得到滑坡的位移場和應力場，并分析滑坡的穩定性。初始狀態得到的坡體總位移疊加了坡體自然狀態的彈性變形與塑性破壞時的位移分量，因此在強度折減前應當初始化模型的總位移為0，再對滑帶的抗剪強度參數進行折減。當折減系數取到一定值時，滑坡位移云圖見圖4。

圖4 滑坡位移云圖(單位：m)

由圖4可知，滑坡整體處于持續變形中，變形最大位移區域位于滑體頂部，其次變形較大段位于滑坡下部，中部變形相對較弱。圖4結果與現階段的變形有較好的對應。

運用FLAC3D內置的fish語言編制點安全系數計算程序，依據滑帶應力場計算點安全系數，其分布特征見圖5。

圖5 點安全系數分布

由圖5可見，上部滑帶(50334)約80 m點安全系數略小于1.05。點安全系數在整個滑帶上呈現出上部最小，中部最大，前部居中的分布特征。對應于滑動機理而言，滑坡體呈現出明顯的推動式滑移特征，且以滑體中部為主抗滑段。前部滑體穩定性稍差，略具牽引式的滑動特征。

就整個滑坡體而言，利用式(4)計算得到滑坡的整體穩定性系數為1.041，表明盡管滑坡后部穩定性較差，基本處于局部失穩狀態，但滑體中部仍具有一定的抗滑能力，導致整個滑體尚處于暫時穩定階段，還未形成整體失穩。

綜合滑體的位移場(見圖4)和點安全系數場(見圖5)計算結果來看，滑坡的推動式機理明顯，而中部具備主體抗滑作用。結合圖1裂縫分區特征可見，坡體宏觀變形與點安全系數分布規律總體上一致，均體現了推動式的滑動機理。只是在分區范圍上，二者有一定的差異。

4 結語

采用點安全系數法，以沙壩2號滑坡的穩定性分析為例，可得出以下結論與建議。

1) 對于出現變形特征的堆積體滑坡穩定性分析，可以現場變形調查為基礎，在充分掌握地質結構的基礎上，結合點安全系數法對坡體的局部穩定性分析與現場位移表現的對應性，使滑坡的穩定性分析更具準確性。

2) 滑坡體的變形和不同位置的穩定性具有空間分布的差異性，在滑坡的穩定性分析中需要充分考慮。

3) 點安全系數法對于分析滑坡體各部分的空間差異性變化，具有較高的有效性。可以進一步探索其在滑坡穩定性分析中的應用和滑坡處治中的應用。

本文采用點安全系數法研究沙壩滑坡的滑動機理，數值分析結果與實際現場監測結果基本一致，這進一步驗證了點安全系數法在滑坡滑動機理研究中的準確性與實用性，同時研究結果為沙壩滑坡的治理工作提供了一定參考。