堆積體滑坡穩定性分析及治理方案探討

李金成，阮永芬，曹熙平，饒國國

(1.昆明理工大學建筑工程學院，云南 昆明 650500；2.昭通市水利水電勘測設計研究院，云南 昭通 657000)

隨著我國水利工程建設行業的快速發展，水庫工程選址向越來越復雜地質條件的區域推進，特別是在我國西南部山區，滑坡分布廣泛，許多水庫庫區不可避免存在堆積體滑坡，而滑坡體特別是近壩庫岸滑坡的穩定與否直接影響到水庫安全運行[1- 3]。

滑坡體物理力學參數的合理確定是滑坡穩定性分析與治理的關鍵所在。目前所常用的抗剪強度參數確定方法主要有室內及現場試驗、工程類比和反演分析3種[4- 5]。山區滑坡土體性質復雜、均勻性差，采用試驗方法需進行大量試驗才能確定出抗剪強度參數，而且有時候給出的試驗參數離散型很大，給工程應用帶來很大困難;工程類比法是一種經驗估算法，與工作者的經驗有很大的關聯，不可能較準確地得出滑帶土的計算參數;反算法是確定滑坡體參數的一種有效的重要方法，通過建立1∶1的真實模型，在合理確定滑面形態和滑坡狀態的條件下，可使反算后所得的相關參數有效接近真實參數。因此在工程實踐中常采用反分析方法確定計算參數(等效力學計算參數)[6]。

1 工程概況及研究區地質條件

1.1 工程概況

騎龍溝水庫壩址位于云南省彝良縣海子鎮新場村石道河中游，大壩采用面板堆石壩，最大壩高79.0m。庫區河道狹窄，河谷成V字型，地質條件較復雜，滑坡體位于庫區中部右岸，距壩址約300m，順河長約250m，高約80m，厚10～30m，體積約30萬m3，為中型覆蓋層滑坡。滑坡前緣緊鄰河床，受河流沖刷較嚴重，呈陡坎狀，坡面地形坡度30°～50°，滑坡體后緣為峻坡-懸坡地形，基巖出露，滑坡整體樣貌如圖1所示。

圖1 滑坡整體樣貌

1.2 滑坡體地質特征及成因

根據現場調查及鉆探揭露，該滑坡體原成分屬于第四系崩坡積層砂壤土夾碎石、礫石組成[7]，2017年汛期由于坡腳受河流沖刷形成臨空面，且雨水沿土體孔隙大量滲入，使得砂壤土逐漸飽和，抗剪強度下降，上覆土體沿基巖面突然下滑，進而形成滑坡，并埋沒河床及公路，后對河床及公路埋沒部分進行了清理，形成了滑坡前緣陡坎狀地形?，F狀滑坡體前緣土體卸荷松散，常存在淺表層滑動，后緣未見明顯拉裂變形跡象，滑坡體前緣如圖2所示，滑坡地質剖面如圖3所示。

圖2 滑坡前緣

圖3 滑坡地質剖面(單位:mm)

2 參數反算

2.1 基本原理

反分析法是已知滑坡的形態特征、荷載條件、穩定系數及滑面等條件，通過建立穩定系數Fs與抗剪強度參數с、φ關系式反算土體的с、φ。反演分析的基本前提[8]：結合工程實際地質情況確定邊坡穩定系數；調查研究滑動面位置及滑動形式；綜合分析造成邊坡失穩或變形的各種外力因素。通常有2種反算方法[5]。

2.1.1一個斷面的反算方法

對于圓弧形滑動面一般采用瑞典條分法，即：

(1)

式中，Fs—滑坡穩定系數；Wi—第i條塊的單寬自重，kN/m;αi—第i條塊滑動面的傾角，(°)；Li—第i條塊滑動面長度，m;с—滑動面(帶)土的粘聚力，kPa；φ—滑動面(帶)土的內摩擦角，(°)。

對于單一直滑面，平衡方程為：

(2)

式中，W—滑體的單寬自重，kN/m;α—滑動面的傾角，(°)；L—滑動面長度，m;其余變量含義同前文所述。

對于折線形滑面，常采用傳遞系數法求解。

第一步，計算第i塊滑體的剩余下滑力：

Ei=Wisinαi+Ei-1ψi-1-Wicosαitanφi-ciLi

(3)

第二步，逐塊向下傳遞計算至最后一塊，并令：

En=Wnsinαn+En-1ψn-1-Wncosαntanφn-cnLn

(4)

式中，ψi—傳遞系數，ψi=cos(αi-1-αi)-sin(αi-1-αi)tanφi。

2.1.2多斷面平衡方程聯立反算方法

采用傳遞系數法列出滑坡斷面的極限平衡方程，聯立滑坡的2個或多個斷面進行求解，求解多個斷面的一系列不同с、φ值組合，用圖解法繪制多個斷面的с-φ曲線，交點即為反算的強度參數值，如圖4所示。

圖4 多斷面c、φ值反分析圖解示意圖

2.2 反分析的狀態及穩定系數確定

在反分析中穩定評估指標主要依據邊坡變形狀態來確定。據調查，本滑坡2017年曾沿基巖面發生整體滑動，滑動面大致呈折線形；現狀滑坡體前緣土體卸荷松散，常存在淺表層滑動，滑動面近似呈直線，后緣未見明顯拉裂變形跡象，滑坡整體處于穩定固結狀態。

本次對一個斷面的2個滑面進行反算，如圖5所示。

圖5 滑面示意圖

滑坡體前緣土體卸荷松散，常存在淺表層滑動，滑動面近似呈直線；滑坡2017年曾沿基巖面發生整體滑動，滑動面大致呈折線形，現狀未見明顯拉裂變形跡象，整體處于穩定固結狀態。本工程穩定系數見表1[9]，并結合實際情況，確定表層滑面穩定系數為1.0，沿基巖面滑動穩定系數為1.05。

表1 滑坡不同發育階段的穩定系數

2.3 滑坡土體巖土參數的確定

2.3.1淺表層滑動面參數反算

使用單一直滑面法對淺表層滑面進行力學參數反算，為了分析抗剪強度參數對穩定性系數影響的敏感性，根據表層取樣試驗參數，с分別取11、12、13、14、15、16kPa，φ分別取15°、16°、17°、18°、19°、20°、21°、22°。得到相關關系圖如圖6所示。

由圖6(a)可知，內摩擦角φ每降低1°，穩定系數Fs值將減小0.019～0.027；由圖6(b)可知，粘聚力c每降低1kPa，穩定系數Fs值將減小0.043～0.051。Fs值隨著c值變化明顯，表明穩定系數Fs值隨c值的變化較φ值敏感。對砂壤土c值變化較小，結合剪切試驗結果，c值取13kPa計算所得一系列穩定系數與實際情況更契合，綜合分析砂壤土夾碎石、礫石層表土參數c值取13kPa，對應φ值為18°。

圖6 淺層滑動Fs與c、φ關系曲線

2.3.2整體滑動參數反算

沿基巖折線形滑面滑動，采用傳遞系數法對該滑面進行力學參數的反算，同時對計算成果進行了敏感性分析，結果如圖7所示。

由圖7(a)可知，內摩擦角φ每降低1°，穩定系數Fs值將減小0.030～0.034；由圖7(b)可知，粘聚力c每降低1kPa，穩定系數Fs將減小0.021～0.028。Fs值隨著φ值變化明顯，表明穩定穩定系數Fs值隨φ值的變化較c值敏感，且對于砂壤土，一般c值變動相對較小，可先假定c值進行計算φ值。

圖7 沿基巖滑動Fs與c、φ關系曲線

實踐經驗表明，參照表2[10]按滑體厚度假定粘聚力c值基本符合實際。本工程中滑坡體最大厚度約18m，采用插值法可取粘聚力c為18kPa，采用穩定系數Fs=1.05，可反算得φ值為20°。

表2 滑體厚度與粘聚力c值關系

2.3.3反算參數合理性分析

當土層較淺時，凝聚力c對邊坡穩定起決定性作用，因此淺表層滑動對凝聚力c值變化更敏感，而當土體厚度較大時，摩擦角φ值對邊坡穩定影響更大，因此在整體穩定計算中Fs值隨φ值的變化較c值更敏感，這與我們上面計算結果相符。此外，由于表層土體卸荷松動，相應抗剪強度會減小，這與計算結果一致。綜上所述，抗剪強度c、φ值是合理的。

2.4 各工況滑坡穩定計算及分析評價

采用上述反算的參數(飽和狀態參數對上述參數進行折減)，對滑坡各工況進行穩定計算，滑坡穩定狀態參考《水電工程邊坡工程地質勘察規程》[11]進行評價，成果見表3。

表3 各種工況下穩定性計算成果

經邊坡穩定性計算并結合現狀地質條件分析，本滑坡天然狀態下整體基本穩定，但局部(淺表層)不穩定存在失穩滑動；水庫蓄水后穩定性差；在暴雨、地震、水位驟降情況下不穩定，需對該滑坡采取治理措施。

3 滑坡治理方案探討

本工程采用抗滑樁、錨索等治理方式施工難度大、工程造價高，且治理后受庫水位變化及波浪掏蝕影響大，故不建議采用。而滑坡體以中下部土體較厚，后緣土體較薄，采用削坡減載效果較差，且滑坡體坡面植被發育，邊坡開挖將會對具有坡面防護功能植被造成破壞。相反滑坡體距離大壩與石料場較近，大壩及石料場開挖棄渣料較多，區內土石方調配方便，故采用在邊坡下游使用樞紐區開挖棄渣料回填壓腳處理方式即可以對滑坡進行處理，還可以減少工程棄渣料，優勢明顯，因此本次選擇了造價較低且施工方便的棄渣料回填反壓方式進行處理。

處理方案設計：反壓土體順滑坡腳分布，頂高程為1910m，上、下游坡比為1∶3，采用厚15cm的預制混凝土塊護坡，護坡下設20cm厚的碎石墊層。為確保回填壓腳穩定，在反壓土體下游設一道C15埋石混凝土擋墻，擋墻高5.3m，基礎埋深1.3m，基礎寬4.8m，迎水面坡比1∶0.15，背水面坡比1∶0.4。由于河道狹窄，反壓土體將侵占河道，為滿足施工度汛安全，順河道埋設1根DN2000mm的預制鋼筋混凝土涵管，總長298m，混凝土厚15cm，在回填完成后，在頂部平臺設一排水渠，排水渠斷面尺寸為1.5m×1.8m，采用C25鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚30cm，治理方案設計參如圖8所示。經處理后，滑坡體穩定滿足規范要求，滑坡治理設計是合理的。

圖8 滑坡治理方案設計

4 結論

(1)山區堆積體滑坡土體性質復雜，無法通過室內外剪切試驗準確確定土體力學參數，而反算法所得的相關參數較為合理，可為滑坡治理提供可靠依據。

(2)當滑體厚度較小時，滑坡穩定系數Fs對凝聚力c值變化較敏感，而當滑體厚度較大時，整體穩定計算中Fs值隨φ值的變化較c值更敏感。

(3)由于堆積體滑坡表層土體卸荷松動，土體抗剪強度較小，深部抗剪強度有一定程度增大。

(4)由于反壓法施工速度快，難度小，造價低，在滑坡處治中應用廣泛，特別是存在工程棄渣料或反壓填筑土體易取的地方具有得天獨厚的優勢。該方案可為其它類似滑坡治理提供借鑒。