強降雨條件下滑坡穩定性分析及防治措施研究

左韻琳，黃東曉

(1.濟南市水利工程服務中心，山東 濟南 250013； 2.沂沭河水利管理局劉家道口水利樞紐管理局，山東 臨沂 276004)

我國存在大量的地質災害，主要包括滑坡、崩塌和不穩定斜坡，其中滑坡災害占2/3以上，因此，分析和研究滑坡穩定性具有重要的意義[1- 4]。國內學者對此進行了一些研究，主要有：文獻[5- 6]以某地區滑坡區域為研究對象，采用一定的方法對滑坡特征和影響因素進行了分析，結果表明滑塌區在降雨條件下導致坡體飽和，處于欠穩定狀態，需要進一步治理和監測。文獻[7- 8]以某堆積層邊坡為研究對象，采用Geo-Studio軟件對強降雨條件下邊坡降雨入滲規律及其穩定性進行了分析，結果表明，降雨對坡腳影響最大，其次是坡頂，最小的是坡體中部，且邊坡穩定系數隨著降雨持續時間的增大而減小。文獻[9- 10]以某實際工程為例，對滑坡的成因及誘發因素進行分析，得到了滑坡形成的原因，對滑坡區進行了穩定性計算，并針對滑坡提出了合理的治理措施。本文主要以山東地區某滑坡為研究對象，采用數值模擬的方法對天然狀態和強降雨條件下滑坡變形和穩定性進行了分析，并提出了一些防治措施，研究結果可為類似滑坡防治提供參考和借鑒。

1 工程概況

某滑坡位于山東省境內，處于構造侵蝕溶蝕區，邊坡坡度為25°～35°，在溝谷形成狹窄的通道。該滑坡裂隙后緣高程為856m，坡腳高程為718m，相對高差為138m。滑體最大長度為234m、最大寬度為72m、總面積為3.4萬m2。滑體主要為崩坡積層堆積物，厚度為9.8～23.1m。數值模擬方法作為一種簡單有效的方式，在邊坡分析中得到了廣泛應用。為了對該滑坡提出有針對性的防治措施，下文采用數值模擬方法進行研究。

2 數值模擬分析方法

2.1 模型建立

將三維模型導入FLAC軟件中得到數值模型，如圖1所示。

圖1 數值模型圖

模型的長280m、寬320m、最大高度為260m、最低高度為14m，共分為基巖和滑體2個部分。模型除上邊界外，其他邊界均進行位移約束，均采用摩爾-庫倫本構模型，共有118756個節點和584562個單元，圖1(b)給出了典型截面I-I′剖面。

天然狀態和強降雨條件2種工況的巖土體的物理力學參數見表1—2。

表1 天然狀態下巖土體的物理力學參數

表2 強降雨條件下巖土體的物理力學參數

2.2 監測點設置

為了對該邊坡在天然狀態和強降雨狀態下的穩定特性進行監測，在模型Ⅰ-Ⅰ′剖面滑體上設置1#～5#監測線，在1#、2#和5#監測線上分別設置3個監測點，在3#和4#監測線上分別設置4個監測點，如圖2所示。

圖2 監測點布設圖

3 數值結果分析

3.1 天然狀態下滑坡穩定性分析

3.1.1位移分析

采用邊坡模型對天然狀態下的滑坡穩定性進行分析，得到天然狀態下的邊坡總位移云圖和Ⅰ-Ⅰ′剖面位移云圖，如圖3所示。

圖3 天然狀態下邊坡位移云圖

由圖3(a)可知，天然狀態下滑坡最大位移值為21.7mm，最大位移主要集中在滑體后部；由圖3(b)可知，Ⅰ-Ⅰ′剖面上最大位移值為21.3mm，同樣發生滑體的后部。綜上可知，重力作用下滑體前緣臨空方向上的位移變形最大，但位移變形水平整體上較小。

為了更加準確地分析滑體變形規律，對天然狀態下Ⅰ-Ⅰ′剖面上不同監測線上面的位移監測點進行分析，如圖4所示。

圖4 天然狀態下監測點總位移監測曲線

由圖4可知，在天然狀態下，1#、4#和5#監測線處的滑坡位移相對較大，即主要變形發生在滑坡體的前緣和后部位置處。滑坡前緣1#監測線上的最大位移值為16.0mm，滑坡后部位置4#和5#監測線上的最大位移值為17.2mm，且從滑坡表面到滑體內部，位移值逐漸減小，越靠近基巖處位移越小，在與基巖交匯處滑體位移基本為零。綜上可知，天然狀態下，該滑坡變形主要發生在滑坡體的前緣和后部位置處，且滑體表面變形最為明顯，在與基巖交匯處滑體位移基本為零，整體上滑體穩定性良好。

3.1.2應力分析

模型最大主應力分布云圖如圖5所示。

圖5 最大主應力分布云圖

由圖5可知，從滑坡表面沿深度方向最大主應力值均勻增大，未發生應力突變現象，且整個模型均表現為壓應力。因此，從應力狀態來看，天然狀態下滑體最大主應力處于較低水平，且整體受壓，未發生應力突變和集中現象，滑體整體穩定性較好。

3.1.3最大剪切應變增量和塑性區分析

為了對天然狀態下滑體的變形和破壞位置進行直觀分析，給出了Ⅰ-Ⅰ′剖面最大剪切應變增量云圖和塑性區分布云圖，如圖6—7所示。

圖6 Ⅰ-Ⅰ′剖面最大剪切應變增量云圖

由圖6可知，天然狀態下滑坡的剪切應變增量主要出現在滑坡后部和滑坡前緣坡腳附近，在與基巖交匯處剪切作用基本沒有出現。由圖7可知，天然狀態下滑坡塑性區同樣主要分布在滑坡后部和滑坡前緣坡腳附近，滑坡中部和后部基本未出現塑性區，且已有的塑性區基本為之前循環出現的剪切破壞單元(shear-p)。此外，通過強度折減法計算得到的天然狀態邊坡安全系數為1.32。綜上，從剪切應變增量和塑性區來看，此時滑坡是穩定的。

圖7 Ⅰ-Ⅰ′剖面塑性區分布云圖

3.2 強降雨條件下滑坡穩定性分析

3.2.1位移分析

采用邊坡模型對強降雨條件下的滑坡穩定性進行分析，得到強降雨條件下的邊坡總位移云圖和Ⅰ-Ⅰ′剖面位移云圖，如圖8所示。

圖8 強降雨條件下邊坡位移云圖

由圖8(a)可知，強降雨條件下滑坡最大位移值為200.0mm，是天然狀態最大位移的9.2倍，最大位移主要集中在滑體前緣；由圖8(b)可知，Ⅰ-Ⅰ′剖面上最大位移值為200.0mm，同樣發生滑體的前緣。綜上可知，強降雨條件下滑體前緣首先發生較大的滑動變形，繼而牽引滑體后部發生變形破壞。

為了更加準確地分析滑體變形規律，對強降雨條件下Ⅰ-Ⅰ′剖面上不同監測線上面的位移監測點進行分析，如圖9所示。

圖9 強降雨條件下監測點總位移監測曲線

由圖9可知，在強降雨條件下，滑坡位移主要發生在1#和2#監測線處，其中1#監測線滑坡位移最大，即主要變形發生在滑坡體的前緣位置處。滑坡前緣1#監測線上的最大位移值為108.5mm，2#監測線上的最大位移值為35.0mm，從滑坡表面到滑體內部，位移值逐漸減小，越靠近基巖處位移越小。綜上可知，強降雨條件下，該滑坡變形主要發生在滑坡體的前緣位置處，且滑體變形量較大，認為此時滑坡前緣已發生滑移破壞，此時滑坡整體處于不穩定狀態。

3.2.2應力分析

模型最大主應力分布云圖如圖10所示。

圖10 最大主應力分布云圖

由圖10可知，從滑坡表面沿深度方向最大主應力值均勻增大，未發生有應力突變現象，且整個模型均表現為壓應力。因此，從應力狀態來看，強降雨條件下滑體最大主應力與天然狀態下相差不大。

3.2.3最大剪切應變增量和塑性區分析

為了對強降雨條件下滑體的變形和破壞位置進行直觀分析，給出了Ⅰ-Ⅰ′剖面最大剪切應變增量云圖和塑性區分布云圖，如圖11—12所示。

圖11 Ⅰ-Ⅰ′剖面最大剪切應變增量云圖

由圖11可知，強降雨條件下滑坡的剪切應變增量主要出現在滑坡前緣處，且在與基巖交界面形成了一條剪切帶，說明此時滑移面已經形成；由圖12可知，強降雨條件下滑體均出現塑性區，且塑性區除了出現正在剪切破壞單元(shear-n)，還在滑坡前緣、后緣和中部發生了張拉破壞。此外，通過強度折減法計算得到的強降雨條件下邊坡安全系數為0.94。綜上可知，強降雨條件下該滑坡非常不穩定，會出現滑坡破壞。

圖12 Ⅰ-Ⅰ′剖面塑性區分布云圖

4 滑坡防治措施分析

歷年的氣象數據表明，山東地區年降雨量較為充沛，且具有降雨集中和降雨歷時較長等特點，加劇了滑坡災害的出現，應盡快對其進行防護加固。根據地質特點，本文提出2種滑坡治理措施。

(1)采用坡面排水+設置抗滑樁方案。工程實踐表明，抗滑樁在滑坡治理工程中作用明顯，配合坡面排水能實現較好地防治效果。對于抗滑樁，建議在高程約861m處設置1排抗滑樁，抗滑樁的設計推力值為1140kN/m。對于坡面排水，在滑坡體的后緣和滑坡中部位置設計2條截水溝，同時在滑坡體的側緣設計2條地表排水溝，排水方向為由北側向南側排水。該方案的優點是不用改變現有滑坡形狀，直接進行支護；缺點是施工成本較高，施工難度系數較大。

(2)采用坡上居民搬遷+定時滑坡變形監測。為了更好地消除滑坡災害產生的安全影響，建議對坡上5戶居民進行搬遷，同時在滑坡體上布設變形監測設備和預警設備，對滑坡變形進行及時監測，為地質災害部門提供決策參考。

5 結論

本文主要以山東地區某滑坡為研究對象，采用數值模擬的方法對天然狀態和強降雨條件下滑坡變形和穩定性進行了分析，得到以下結論。

(1)天然狀態下滑坡是穩定的，強降雨條件下，滑體變形量急速增大，滑體出現塑性破壞，邊坡安全系數為0.94，滑坡前緣已發生滑移破壞，繼而會導致滑坡后部繼續發生變形破壞，此時滑坡整體處于不穩定狀態。

(2)采用“坡面排水+設置抗滑樁加固”和“坡上居民搬遷+定時滑坡變形監測”均是可行治理方案，應綜合考慮做出決策。

(3)需要指出的是，滑坡的治理要因地制宜，要充分了解當地的地質條件，有針對性的提出滑坡防治措施。