基于強度折減法的兵團第四師某水庫庫壩區滑坡穩定性評價

邱 曼

（新疆生產建設兵團地質勘查測繪中心，新疆 烏魯木齊 830002）

兵團第四師位于我國西北地區易發生地質災害的新疆伊犁地區。由于獨特的黃土沉積環境和濕潤氣候背景，加之開挖坡體等人類工程活動的日趨頻繁，對地質環境影響很大，往往造成滑坡等地質災害，給人類生產生活造成極大危害。本文以兵團第四師某水庫庫壩區滑坡為研究對象，采用地形測量、地面測繪與調查、井（槽）探、鉆探、巖土試驗等手段，查明滑坡地質環境條件、特征及成因，采用強度折減法對滑坡穩定性進行分析與評價，以期為下一步地質災害勘查設計及施工提供參考。

1 滑坡地質環境條件

1.1 氣象水文

滑坡地處昭蘇盆地西北部，年平均溫度3.5℃，年平均蒸發量1039.7mm，年平均降水量496.1mm，具有典型大陸性氣候特點，區內常年性流水為小也爾門提溝，年均徑流量553×104m3，主要集中在4～9月。

1.2 地形地貌

區內地貌由北向南呈階梯狀分布，分別為構造剝蝕低山丘陵地貌和山前沖洪積平原地貌。構造剝蝕低山丘陵地貌分布于滑坡北側，山勢較陡峻，坡度10°～30°，山體基巖裸露，沖溝發育，坡體上部多分布有殘積土，地形起伏，溝梁相間，地表植被稀疏。山前沖洪積平原地貌分布于低山丘陵區以南，地形平緩。

1.3 地層巖性

區內出露地層主要有新生界新近系和第四系，巖性分述如下：新近系中—上新統為灰綠色、黃褐色、黃棕色、棕紅色泥巖，呈互層狀，以泥巖為主，局部夾薄層砂巖和礫巖；第四系中更新統冰水沉積層為砂礫石，灰白色、稍密—中密，稍濕，磨圓差，分選差，填充粉土，厚0.7～6m；第四系上更新統風積層為黃土狀粉土、局部含礫，土黃色—棕紅色、灰褐色，稍密—中密，稍濕，夾薄層砂礫石透鏡體，厚1.5～14m；第四系全新統沖洪積層為卵礫石，黃褐色、灰白色，稍密—中密，厚3.5～6.5m；第四系全新統滑坡堆積體為黃土狀粉土、粉質粘土、全風化泥巖，土黃色—棕紅色、灰褐色，稍密—中密，稍濕，夾薄層砂礫石透鏡體，厚5～12m。第四系全新統人工填土為黃土狀粉土，土黃色、灰褐色，稍密，稍濕，含少量砂礫石，厚1～4m。

1.4 水文地質條件

區內主要為賦存于第四系松散土中的孔隙水和上層滯水。地下水補給來源主要為大氣降水和庫水入滲，通過黃土裂隙向溝壑排泄，其徑流途徑較短，就地在滑坡所在斜坡的低洼處以泉水或滲水形式排泄于溝谷[1]。

1.5 人類工程活動

區內人類工程活動主要為水庫施工建設。地表多覆蓋第四系風積黃土與第三系泥巖，風化強烈，加之須開挖斜坡修建各類水利設施及施工道路，勢必形成不穩定邊坡，極易產生山體滑坡。

2 滑坡地質特征及成因分析

2.1 滑坡規模、形態及變形活動特征

滑坡滑動面上陡下緩，近似圓弧形，長約270m，滑坡壁坡度較陡，在60°～80°之間，高度20～30m，屬中型復合式土質滑坡。滑坡體兩側、前緣和鼓丘上已產生性質不同的拉張裂縫、擠壓裂縫和剪切裂縫，斜坡面發現大量表層裂縫、半坡前緣鼓脹，中上部變形嚴重，形成3處二級平臺和鼓脹現象。整個滑坡滑動向西偏南，滑坡前緣由于水庫蓄水、坡腳浸水等已發生局部滑動，后期蓄水會加速滑坡體整體變形滑移，南側泄洪渠施工開挖處也已發生滑動，其余部分在降雨等不利因素影響下，也有滑坡風險。

2.2 滑坡結構特征

滑坡體主要為基巖上覆蓋層，覆蓋層主要是粉土、粉質粘土和卵礫石，在河床邊上和山頂上為礫質土，基巖為泥砂巖互層。該區多數區域覆蓋層厚度0～15m，滑動層在覆蓋層和基巖層內都會發生滑動，滑體厚度0～12.8m。滑面主要位于覆蓋層和基巖接觸帶。滑床為泥巖，后部較陡，約40°，中部和前部趨緩，約15°～25°。

2.3 滑坡主要成因分析

（1）巖土體性質與結構：滑坡體結構疏松、垂直裂隙發育、透水性較好，雨水易入滲至下部基巖頂面，在相對隔水的基巖層表面易形成匯水區，使底部黃土飽水軟化，同時泥巖上部遇水微膨脹、泥化、強度降低，易在黃土和基巖接觸帶處形成相對軟弱的外傾層間滑動帶。

（2）地下水：滑坡堆積體內裂縫發育，為雨水、地表水入滲提供了條件[2]。黃土下伏的泥巖為隔水層，地下水長期在上述兩種地層接觸面以上富集，導致接觸面以上一定厚度的黃土飽和，自重增加，強度降低，基巖表面膨脹、軟化形成泥化層，抗滑能力明顯降低，上覆黃土體沿接觸面易發生滑動。

（3）人類工程活動：水庫工程建設開挖斜坡，削坡位置泥巖裸露，無防水措施，在雨水浸泡下，易泥化、軟化，抗剪強度降低，邊坡的開挖，也改變了邊坡原有的應力狀態，對斜坡穩定性產生影響；水庫蓄水后，滑坡坡腳在庫水的浸泡下飽和軟化，在蓄水位波動時會降低滑坡穩定性，隨著水位上下多次變化，會使滑帶土抗剪強度產生累進性折減。

3 滑坡穩定性分析與評價

強度折減法能夠分析從邊坡起始狀態到破壞狀態的變形過程，其是通過對土體剪切強度的逐步減小直至某點計算不再收斂，則將該點定為處于破壞狀態，最大強度折減率即為最小安全系數[3-9]。用于該法中的土體材料模型有摩爾—庫倫、德魯克—普拉格、修正摩爾—庫倫，分析過程中，本構參數除了粘聚力c、內摩擦角φ和膨脹角是可變的，其他均不變。和土體單元相關的參數（粘聚力、內摩擦角、膨脹角）是逐漸減小的，邊坡破壞安全系數（Fs）表達式如下：

式中：τ——壩坡的剪切強度因子；

τf——滑動面上的剪切應力；

SRF——強度折減系數。

3.1 滑坡穩定性計算模型選取

本次有限元計算針對滑坡剖面進行穩定性計算，滑坡坡高近60m。巖土體材料分為粉土、砂礫石、泥巖三部分，本構模型采用摩爾—庫倫。模型坡腳延伸取90m，坡頂延伸取120m，坡體基礎深度取120m。模型網格采用四邊形為主、三角形為輔的混合網格，共剖分6個單元，10650個節點。

3.2 滑坡計算參數選取

以試驗值和經驗值相結合的方式確定滑坡土層計算參數，計算參數見表1。

表1 滑坡土層計算參數表

3.3 滑坡穩定性計算工況選取

計算工況分5種。工況1——現狀工況；工況2——正常蓄水工況；工況3——暴雨（正常蓄水）工況；工況4——地震（正常蓄水）工況；工況5——水位驟降16.7m工況。

3.4 計算結果及評價

依據自然資源部《滑坡防治工程勘查規范》（GB/T32864-2016）滑坡穩定狀態劃分表，見表2，評價確定滑坡穩定狀態，滑坡穩定系數計算結果見表3。

表2 滑坡穩定狀態劃分表

表3 滑坡剖面穩定系數計算結果表

數值分析的滑坡各工況等效剪切應變和水平方向位移結果如圖1～圖10所示。

圖1 現狀邊坡等效剪切應變

圖2 現狀邊坡水平方向位移結果

圖3 正常蓄水等效剪切應變

圖4 正常蓄水水平方向位移結果

圖5 地震工況等效剪切應變

圖6 地震工況水平方向位移結果

圖7 暴雨工況等效剪切應變

圖8 地震工況水平方向位移結果

圖9 水位驟降工況等效剪切應變

圖10 水位驟降工況水平方向位移結果

（1）現狀邊坡工況

（2）正常蓄水（1840m）工況

（3）地震（正常蓄水）工況

（4）暴雨（正常蓄水）工況

（5）水位驟降16.7m（1840m降至1823.3m）工況

計算結果表明：滑坡在現狀工況和正常蓄水工況下處于基本穩定狀態，地震（正常蓄水）工況下為不穩定狀態，暴雨（正常蓄水）工況下為欠穩定狀態，水位驟降（驟降16.7m）工況下為不穩定狀態，預測在發生強烈地震、強降雨或有擾動坡腳的人類工程活動時，會發生滑動。

4 結論

（1）影響滑坡穩定的因素有不利的地形、地層巖性、水文地質條件等，水庫蓄水后浸潤坡腳和地下水抬升是誘發滑坡滑動的主控因素。

（2）根據滑坡現今活動特征，結合穩定性計算結果，綜合評價認為：滑坡現狀及正常蓄水后處于基本穩定狀態，預測發生強烈地震、暴雨或水庫驟降水時滑坡發生較大規模滑動的可能性大。現狀邊坡、正常蓄水及驟降水時滑坡的滑動最有可能是上部滑體發生淺表層滑移，地震及暴雨工況下最有可能是滑坡整個后緣貫通，整體沿滑面滑移。

（3）滑坡一旦發生，滑坡產生的涌浪將對大壩造成威脅，間接威脅溝口居民生命財產安全，并且滑坡滑動后，可能引發滑坡體東側坡體失穩，造成更大危害。

（4）根據滑坡穩定性和發展趨勢，建議對滑坡體局部削方減載，滑坡周界修建截排水溝，滑坡體中下部做抗滑樁支護，坡腳做止水帷幕，對受庫水影響的坡面做防護工程，夯填滑坡體裂縫，防止雨水滲入。