基于TM和SRM的滑坡穩定性分析及防治研究

張云波，王建收，張鐘遠

（1.中化地質礦山總局貴州地質勘查院，貴州 貴陽 550000；2.青島地質工程勘察院，山東 青島 266000；3.昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650000）

滑坡作為一種常見的地質災害，往往威脅人們的生命安全、社會生產等，造成一系列經濟損失以及人員傷亡[1]。因此有必要對滑坡災害進行工程防治，而對滑坡進行穩定性分析是防治的前提。許多學者在滑坡穩定性及其防治領域作了大量研究。呂文斌等[2]以西寧市張家灣滑坡為研究對象，在進行充分現場調查的基礎上，結合極限平衡法和有限元法，研究了滑坡的形成機理、發展過程和剪出口位置，定量評價了該滑坡在天然工況、暴雨工況和地震工況3種不同工況條件下的穩定狀態。董建輝等[3]以梅子坪滑坡為研究對象，通過現場地質調查，對滑坡影響因素、變形機制、破壞模式及穩定性進行了分析。黃剛等[4]通過查明滑坡區的工程地質與水文地質條件，結合現場調查及勘探成果，分析該滑坡變形特征、影響因素及形成演化過程，并采用Midas GTS NX有限元分析軟件對滑坡在暴雨工況下的穩定性進行了分析。杜文舉等[5]以陜西-黃土滑坡為例，利用有限差分法FLAC-3D軟件對在自然和暴雨條件下黃土滑坡的變形進行數值模擬分析。

本文以石阡縣桐木灣滑坡為研究對象，通過野外地質調查，對該滑坡的特征及影響因素進行分析，基于極限平衡的傳遞系數法和有限元的強度折減法對其進行穩定性對比分析，并進行防治措施對比分析，為該滑坡的防治提供科學有力的依據。

1 滑坡特征

石阡桐木灣滑坡全貌及滑坡主軸面分別如圖1、圖2所示。滑體主滑方向為152°，南北縱長約102 m，東西橫寬約103 m，滑坡面積約0.007 7 km2，滑體厚約2~3 m，滑體滑坡方量約為2.4×104m3。該滑坡后緣位于緩坡地帶，前緣有一溪溝，地表表現為地面及房屋開裂（如圖3），調查發現滑體上裂縫L1、L2、L3、L4、L5都為張拉裂縫，且L3裂縫寬度達4 cm，錯段處還有局部隆起現象，滑坡體土層較薄，基巖為粉砂質頁巖，破碎且節理裂隙發育。滑體主要為殘坡積粉質黏土與強風化的粉砂質頁巖，強風化粉砂質頁巖破碎且節理裂隙發育，孔隙較大，滲水性好。滑帶為強風化粉砂質頁巖與中風化粉砂質頁巖分界線，巖土破碎，在暴雨情況下巖土參數下降，為滑坡的形成提供條件。滑坡后壁為圓弧形，滑坡體上分布不同程度的張拉裂縫，按滑坡性質劃分為牽引式滑坡，按滑坡厚度劃分為淺層滑坡。滑床為中風化粉砂質頁巖，基巖穩定，滑床為相對隔水層，對滑帶巖土有一定的軟化及侵潤作用。

圖1 滑坡全貌

圖2 滑坡主軸面（A-A'）

圖3 房屋開裂

通過滑坡特征可知，滑體為松散巖土質滑坡，滑面為強風化粉砂質頁巖與中風化粉砂質頁巖的分界面，呈現為折線型滑動，按滑坡性質劃分為堆積層牽引式滑坡。其為松散層、淺層、中型牽引式滑坡，處于蠕變階段。

2 滑坡影響因素分析

該滑坡為推移式滑坡。由于有利滑坡的地形地貌條件、巖層工程性質差，修建房屋增加上部荷載以及開挖形成陡坎為滑坡提供臨空面等人類工程活動影響，遇到強降雨且地表排水系統混亂，導致該滑坡的形成。

2.1 不利的地形條件

滑坡體前緣存在一河溝，河溝受河水沖刷切割，左河岸形成一定規模的臨空面。在暴雨期間，河水流量加大，對其滑坡前緣土體存在一定的沖刷作用。滑坡體地形地貌為山地地貌，地貌從高至低呈臺階狀，臺階高度2~3 m，地表臨空面較多，從其地形地貌分析有利于滑坡的形成。

2.2 不利的巖土組合

滑坡體巖土構成也是滑坡發生的間接因素之一，土層較薄，滑坡體巖層破碎，節理裂隙發育，滑坡體極有可能沿巖石強風化與中風化分界線滑動。

2.3 人工活動

由于當地居民對房屋的修繕擴建與場地的限制，幾乎每戶都是屋前高填方，屋后高切方，增加了滑體上部荷載及臨空面，加上地表排水的混亂，地表水體下滲到滑坡巖土體中，軟化巖土體，同時受地表水體沖刷作用，增大滑體自身重度，造成滑坡形成。

2.4 極端暴雨氣候

根據當地居民反映，滑坡發生前，該區域連續降雨，且雨量較大，地表水沖刷滑坡巖土體，增加滑體自身質量度，軟化滑帶巖土體抗剪指標，造成滑坡形成。

3 穩定性分析

3.1 計算工況及參數選取

工況Ⅰ為自重+地表荷載，工況Ⅱ為自重+地表荷載+暴雨。滑坡計算參數根據試驗值及反演綜合確定見表1。

表1 巖土體物理力學參數及滑帶參數

3.2 傳遞系數法（TM）

3.2.1 計算模型

滑坡潛在滑帶形態呈折線型，采用不平衡推力傳遞系數法計算滑坡穩定性系數和推力，計算剖面如圖4所示，按（GB 50330—2013）《建筑邊坡工程技術規范》[6]采用折線行滑動法穩定系數計算公式：

圖4 計算剖面

式中：Pn為第n條塊單位寬度剩余下滑力（kN/m）；Pi為第i計算條塊與第i+1計算條塊單位單位寬度剩余下滑力（kN/m）；當Pi＜0時（i＜n）時取Pi=0；Ti為第i條塊單位寬度重力及其他外力引起的下滑力（kN/m）；Ri為第i計算條塊單位寬度重力及其他外力引起的抗滑力（kN/m）；ψi-1為計算條塊對第i計算條塊的傳遞系數。

3.2.2 計算結果

在天然狀態下，滑波穩定性系數為1.169，小于1.20，處于基本穩定狀態。在飽水狀態下，滑波整體穩定性系數為1.026，小于1.05，大于1.0，處于欠穩定狀態，詳細結果見表2。

計算結果表明，影響滑坡穩定性的主要因素是滑帶強風化巖體飽和軟化，強風化巖體抗剪強度降低，與現場實際情況基本一致。

3.3 強度折減法（SRM）

選取滑坡主軸剖面（A-A'剖面）進行數值模擬，采用Midas GTX NX軟件中的強度折減法，將計算剖面劃分為網格單元，根據表1參數取值和表2荷載分布情況，分別模擬工況Ⅰ、工況Ⅱ條件下桐木灣滑坡的穩定性。模擬結果如圖5、圖6所示，工況Ⅰ穩定性系數為1.156，處于基本穩定狀態，工況Ⅱ穩定性系數為1.013，處于欠穩定狀態。強度折減法計算的穩定性系數比傳遞系數法較低，強度折減法計算云圖與調查顯示的裂縫L1、L3、L4實際變形情況相吻合。

表2 剖面滑坡折線滑動穩定性計算

圖5 工況Ⅰ（Fs=1.156）

圖6 工況Ⅱ（Fs=1.013）

4 防治措施

根據防治方案的優越性與缺陷，分別從安全性、施工可行性、經濟合理性3個方面進行比選。

4.1 安全性

方案一：截排水溝+擋土墻工程是針對滑坡體治理的主動防治方案，其中截排水溝無論采用現澆砼或漿砌片石修筑，其施工安全性風險較低；由于滑體為殘破積土、回填土及強風化粉砂質頁巖，在擋土墻施工過程中，其安全風險主要有一點，由于場地限制，擋土墻作業面開挖，由于殘破積土、回填土加強分化層厚度將近5 m，開挖過程中可能出現次生垮塌現象。而擋土墻距房屋較近，需嚴格控制開挖作業面坡度，不能在作業面2 m范圍內堆放材料，再做好作業面地面排水工作。如做到上述措施，該擋土墻施工的安全風險仍在可控范圍。方案一的安全性總體可行。

方案二：搬遷措施是針對滑坡體治理的被動防治方案，通過對滑坡體危害對象（住戶）的整體搬遷達到防治目的，整體搬遷過程中只需注意路上的交通安全即可，基本不存在安全隱患。

4.2 施工可行性

方案一：截排水溝+擋土墻工程。滑坡區距縣城約6 km，距水泥廠及砂石場較近，其材料購買地均較近；距滑坡區內有鄉村公路通過、且主干路面均已硬化，施工材料通過貨車能直接運輸到區內。區內已通電，該區緊靠溝渠，施工用水可直接從溝渠中抽取、施工用電可直接向當地居民電網搭接。在實地調查過程中已確定滑體最大剪出口處，如果占道具有擋土墻施工的平臺，滑坡后緣及兩側主要為耕地，修筑截、排水溝不會造成其房屋損壞。通過對當地村民的民訪及村委會調查，當地村民對該工程比較支持；通過上述對材料來源，材料運輸，施工用水、電，施工平臺、百姓支持、勞動力等多方面的調查分析，綜合認為方案一施工可行性較高。

方案二：整體搬遷。滑坡區內住戶有25戶，90%住戶的房屋為2～3層的磚混結構，如果進行整體搬遷，其拆遷工作量、材料運輸工作量較大，在外購置宅基地的難度太大，而據當地政府反映，附近已無適合這么多居民住戶的集中安置點。另外，對當地老、中、青不同年代的人進行訪問調查，當地大部分居民（特別是中、老年人）對搬遷具有強烈的抵觸情緒，認為這是世代居住之地，搬遷后生活、生產上有諸多不便。因此，對該區進行整體搬遷的方案可行性較低。

4.3 經濟合理性

方案一：截排水溝+擋土墻工程。按國家下發的治理費用預算，治理費用比國家預算稍高。一次投入的經濟合理性較高。

方案二：整體搬遷。按國家及當地補償標準，約為90萬元；按綠化率、三通工程占地面積進行合計，結合重新選址的征地面積，按國家及貴州省地方補償標準計算，費用約68萬元，合計約158萬元，尚未包括對原住區內經果林的補償費用、平場三通費用、搬遷協調工作費用和青苗補償等其他費用。方案二是一項耗時、耗精力、耗資金的工程，直接投入的費用多，隱形投入的資金較高，其經濟合理性較差。

通過上述二個方案的比選，推薦以“截排水溝+擋土墻工程”作為桐木灣滑坡治理方案。

5 結論

（1）該滑坡為推移式滑坡。由于滑坡的地形地貌條件、巖層工程性質差，修建房屋增加上部荷載以及開挖形成陡坎為滑坡造成臨空面等人類工程活動影響，強降雨且地表排水系統混亂導致該滑坡的形成。

（2）在工況Ⅰ條件下，TM計算Fs=1.169，SRM計算的Fs=1.156，處于基本穩定狀態；在工況Ⅱ下，TM計算Fs=1.026，SRM計算的Fs=1.013，處于欠穩定狀態；SRM法計算的穩定性系數較低。

（3）該滑坡治理考慮安全性、施工可行性、經濟合理性3個方面，方案比選后推薦“截排水溝+擋土墻工程”的治理方案。