某水庫(kù)大壩西側(cè)山體滑坡穩(wěn)定性分析及治理措施

宋京雷，劉剛，施威，徐成華，張春雨，潘長(zhǎng)勝

1. 江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，南京 210018；2. 江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局 第一地質(zhì)大隊(duì)，南京 210041;3. 河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 211100

0 引言

滑坡是一種分布廣泛、多發(fā)性的地質(zhì)災(zāi)害,對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)和各項(xiàng)社會(huì)活動(dòng)以及資源造成極大的損失,因此加強(qiáng)對(duì)滑坡穩(wěn)定性和治理的研究十分必要[1]?；庐a(chǎn)生原因、誘發(fā)因素與發(fā)展機(jī)理復(fù)雜多變，以及滑坡演化過(guò)程的極其不穩(wěn)定等原因使得滑坡災(zāi)害往往難以及時(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)，加之治理成本高，因此滑坡災(zāi)害一直是世界各國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)著力研究的重要工程地質(zhì)難題之一[2]。

目前，巖土工程中常用到的數(shù)值模擬軟件依據(jù)對(duì)介質(zhì)連續(xù)性的假設(shè)不同，可以分為兩大類：基于介質(zhì)連續(xù)假設(shè)的數(shù)值計(jì)算方法，主要包括有限單元法、有限差分法和邊界單元法等；基于介質(zhì)不連續(xù)假設(shè)的數(shù)值計(jì)算方法，主要包括塊體理論、離散單元法和不連續(xù)變形分析等。其中基于快速拉格朗日有限差分法的商業(yè)軟件已被廣泛運(yùn)用于邊坡穩(wěn)定性分析中。向越等[3]采用FLAC3D分析了四川某淺表層土質(zhì)滑坡在不同工況下的穩(wěn)定性,并通過(guò)與采用不平衡推力法得出的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,得出兩種方法所表現(xiàn)出來(lái)的滑坡潛在的變形破壞規(guī)律是一致的結(jié)論。張騫棋[4]結(jié)合Geostudio與FLAC3D兩種基于不同計(jì)算原理的數(shù)值分析軟件，對(duì)比兩種計(jì)算結(jié)果，指出了滑坡應(yīng)力集中與最大變形部位，分析了滑坡形成機(jī)制，預(yù)測(cè)了滑坡發(fā)展趨勢(shì)，并提出了合理的處治方案。王剛[5]以某高陡挖方土質(zhì)邊坡工程為背景，基于FLAC3D軟件，分析了錨桿長(zhǎng)度、間距和傾角等參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，并探討了錨桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。蔣中明等[6]利用FISH函數(shù)對(duì)FLAC3D軟件的非飽和滲流計(jì)算功能進(jìn)一步完善。汪儒鴻等[7]通過(guò)離散元軟件PFC2D模擬土體的結(jié)構(gòu)性，分析了結(jié)構(gòu)性土質(zhì)邊坡的失穩(wěn)變形規(guī)律。胡時(shí)友等[8]利用FLAC3D對(duì)樁長(zhǎng)變化的抗滑短樁加固碎石土滑坡全過(guò)程進(jìn)行三維有限元模擬，研究了抗滑短樁的受力變形特性及樁土相互作用機(jī)理。蔣權(quán)等[9]利用離散元法對(duì)溪洛渡水電站黃坪滑坡的三維滑動(dòng)過(guò)程進(jìn)行模擬，深入分析了滑坡失穩(wěn)后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及規(guī)律。李嘉雨等[10]將 3D EC數(shù)值模擬和層次分析法(AHP)相結(jié)合，并利用“觸發(fā)因素重現(xiàn)周期信息”的方法，制作了川黔線裁縫巖滑坡危險(xiǎn)性分區(qū)圖，確定了滑坡的年失穩(wěn)概率。

研究區(qū)水庫(kù)大壩西側(cè)山體滑坡穩(wěn)定性嚴(yán)重威脅庫(kù)區(qū)西側(cè)水利設(shè)施建筑的安全。因此，基于該水庫(kù)大壩西側(cè)山體滑坡項(xiàng)目開(kāi)展滑坡穩(wěn)定性分析及治理措施研究具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文以其為對(duì)象，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、資料收集分析的基礎(chǔ)上，采用FLAC3D數(shù)值模擬方法，對(duì)滑坡治理前后天然和暴雨工況下的滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究，并對(duì)滑坡治理效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，為類似的工程提供相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和借鑒。

1 研究區(qū)滑坡基本特征

1.1 滑坡體形態(tài)及邊界特征

研究滑坡位于水庫(kù)大壩西北側(cè)的鵝山東坡，屬庫(kù)區(qū)內(nèi)部，總體地勢(shì)西高東低，山體坡度上陡下緩，該滑坡平面形態(tài)似“簸箕狀”(圖1)。該滑坡由南側(cè)和北側(cè)兩個(gè)滑坡體組成，滑坡周界明顯，其主滑方向?yàn)?0°。滑坡南北向?qū)捈s250 m，東西向長(zhǎng)約200 m，滑坡平均厚度約7 m，總滑坡方量約231 000 m3?；麦w與其周圍未滑動(dòng)的巖土體在平面上形成鮮明的分界線。

圖1 某水庫(kù)大壩西側(cè)滑坡形態(tài)及邊界特征Fig.1 Landslide morphology and boundary characteristics on west side of a reservoir dam

1.2 滑坡工程地質(zhì)特征及變形特征

研究區(qū)存在南北兩處滑坡,其工程地質(zhì)平面圖如圖2所示。其中南側(cè)滑坡坡腳處有建設(shè)房屋，地層出露具有代表性，因此作為本文研究剖面，其工程地質(zhì)剖面圖如圖3所示?；麦w組成物質(zhì)主要為素填土、粉質(zhì)黏土、碎石土、高嶺土化粉質(zhì)黏土及高嶺石等。滑體厚度隨地層起伏變化，平均厚度約7 m，鉆孔揭露滑床埋深約2.5～12.5 m，主要為風(fēng)化基巖面。該滑坡滑帶土主要為高嶺土化粉質(zhì)黏土及高嶺土，該兩層土沿縱剖面方向普遍分布，最大厚度約為9.4 m，總體厚度約為2 m，土層高嶺土化嚴(yán)重，薄層狀，且具有一定膨脹性，自由膨脹率最大約64%，遇水浸潤(rùn)易軟化，巖土體物理力學(xué)性質(zhì)較差。

圖2 滑坡工程地質(zhì)平面圖Fig.2 Engineering geological plan of landslide

圖3 滑坡典型工程地質(zhì)剖面圖Fig.3 Typical engineering geological section of landslide

滑坡上部山體覆蓋層較薄，下部滑坡土體堆積厚度較大，植被以滑坡后緣形成明顯分界。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘調(diào)查，滑坡后緣與未滑動(dòng)的山體脫離，形成滑坡壁。滑坡后緣下挫規(guī)模較大，滑坡壁頂部與底部最大高差約1.2 m，形成滑坡臺(tái)坎(圖4)?；w及其周邊存在一系列裂縫，裂縫分布密集且規(guī)模較大(圖5)。上部土體失穩(wěn)形成張拉裂縫，下部土體遭受上部土體的擠壓形成張裂縫，部分橫向裂縫兩側(cè)土體在擠壓作用下呈疊瓦式特征展布?；聟^(qū)下部因建設(shè)房屋及修筑道路切坡影響，局部坡面陡立，在雨水沖刷等外力影響下發(fā)生表層土體滑塌，對(duì)坡腳原有擋墻造成破壞。綜合分析，該處滑坡主要體現(xiàn)出推移式滑坡變形特征，在坡腳局部地形陡立處體現(xiàn)出小型牽引式滑坡變形特征。

圖4 滑坡后緣及臺(tái)坎Fig.4 Landslide trailing edge and platform sill

圖5 滑坡體地表裂縫Fig.5 Surface cracks of landslide

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查及相關(guān)勘察資料，研究區(qū)屬于低山丘陵地貌，地形上整體呈上陡下緩形態(tài)，總體坡度為8°～13°，是產(chǎn)生滑坡的有利地形。地層巖性方面研究區(qū)上覆素填土、粉質(zhì)黏土和碎石土，下伏基巖為石英砂巖及粉砂質(zhì)泥巖，基巖面上部普遍分布有高嶺土化嚴(yán)重的粉質(zhì)黏土層及高嶺土?；鶐r面近似同山體坡向呈現(xiàn)上陡下緩的形態(tài)，當(dāng)汛期大量雨水沿著透水性強(qiáng)的上層覆土入滲到基巖面時(shí)，基巖面上部粉質(zhì)黏土層及高嶺土遇水軟化，形成軟弱夾層，巖土體的力學(xué)參數(shù)降低，抗滑力下降。同時(shí)，該層土具有一定的隔水性，使得上部土體吸水飽和自重增大，最終上覆土層在飽和自重及地下水滲流等作用影響下沿基巖面發(fā)生下滑。滑動(dòng)土體變形擠壓下部土體，使得下部土體下滑力增大，當(dāng)下部土體抗滑力難以維持坡體穩(wěn)定時(shí)便隨上部滑體一并下滑，最終促使該處發(fā)生整體性滑坡。

從外部因素方面來(lái)看，研究區(qū)內(nèi)山體坡腳處有房屋建設(shè)及道路鋪設(shè)等人類工程活動(dòng)，對(duì)坡腳進(jìn)行人工開(kāi)挖，卸除了坡腳處具有壓腳作用的土體，使得坡體抗滑力減小。同時(shí)，人工切坡改變了下部坡體，使得原有平緩的地形局部坡面陡立，為坡體的滑動(dòng)變形提供了有利的臨空條件，最終增加坡體發(fā)生滑動(dòng)變形的可能性。

2 研究區(qū)滑坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)

2.1 模型建立與參數(shù)選取

本文利用AUTOCAD、ANSYS和ANSYS--FLAC3D接口程序等軟件來(lái)輔助FLAC3D建模。根據(jù)水庫(kù)大壩西側(cè)山體滑坡典型剖面的工程地質(zhì)剖面圖，建立計(jì)算模型(圖6)?；缕拭婺Ｐ退介L(zhǎng)度(X向)250 m，豎向高度(Z向)63 m。本次FLAC3D分析中采用Mohr--Coulomb本構(gòu)關(guān)系，通過(guò)野外鉆探取樣、室內(nèi)飽和狀態(tài)下的直剪試驗(yàn)的方法計(jì)算模型中巖土材料基本物理力學(xué)參數(shù)，再根據(jù)前人資料、勘察數(shù)據(jù)和反演綜合確定。計(jì)算模型中各層巖土體的物理力學(xué)參數(shù)具體見(jiàn)表1和表2。通過(guò)計(jì)算該水庫(kù)大壩西側(cè)山體滑坡的南側(cè)滑坡典型剖面在天然工況、暴雨工況下的總位移、塑性區(qū)和最大主應(yīng)力等，從不同角度分析不同工況下研究區(qū)的滑坡穩(wěn)定性。

圖6 滑坡典型剖面計(jì)算模型Fig.6 Calculation model of typical section of landslide

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of soil

表2 巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of rock mass

2.2 總位移分析

研究區(qū)南側(cè)典型剖面天然工況和暴雨工況下的總位移云圖如圖7所示。從圖中可知，坡體變形較大區(qū)域集中在滑坡后緣。天然工況下，滑坡體位移較小，整體位移約2～3 cm，最大位移約4.71 cm，位于坡體的陡緩交界處；暴雨工況下，坡體位移增大，產(chǎn)生明顯滑動(dòng)，整體位移約在1～3 m，最大位移約4.01 m，同樣位于坡體的陡緩交界處。綜上可知，南側(cè)坡體受降雨影響滑動(dòng)更為劇烈。

圖7 不同工況下總位移云圖Fig.7 Cloud map of total displacement under different conditions

2.3 塑性區(qū)分析

研究區(qū)南側(cè)典型剖面天然工況和暴雨工況下的塑性區(qū)分布云圖如圖8所示。根據(jù)云圖顯示，由高嶺土化嚴(yán)重的粉質(zhì)黏土及高嶺土組成的滑帶土正處于塑性流動(dòng)狀態(tài)。天然工況下，正處于塑性流動(dòng)的區(qū)域尚未貫通，坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)；暴雨工況下，正處于塑性流動(dòng)的區(qū)域擴(kuò)大直至貫通進(jìn)入完全流塑狀態(tài)，高嶺土化嚴(yán)重的粉質(zhì)黏土及高嶺土無(wú)法繼續(xù)承受荷載，坡體失穩(wěn)，產(chǎn)生滑動(dòng)。綜上分析，滑帶土受雨水影響抗剪強(qiáng)度進(jìn)一步降低，土體屈服，塑性流動(dòng)區(qū)域擴(kuò)大直至貫通進(jìn)入完全流塑狀態(tài)，坡體沿著滑動(dòng)面發(fā)生以水平向?yàn)橹鞯幕瑒?dòng)。

圖8 不同工況塑性區(qū)分布云圖Fig.8 Cloud map of plastic zone distribution under different conditions

2.4 最大主應(yīng)力分析

研究區(qū)南側(cè)典型剖面天然工況和暴雨工況下的最大主應(yīng)力云圖如圖9所示。由云圖可知，坡體的應(yīng)力場(chǎng)是均勻分布，且從地表向巖層深部逐步增大，最大主應(yīng)力方向與重力方向相同，均表現(xiàn)為壓應(yīng)力。天然工況下，最大主應(yīng)力的最大值約為0.38 MPa，位于坡體左下角；暴雨工況下，最大主應(yīng)力的最大值約為0.39 MPa，同樣位于坡體左下角。坡頂局部出現(xiàn)拉應(yīng)力，可能是邊界效應(yīng)引起。綜上分析，暴雨工況下，雨水的下滲會(huì)使得土體趨于飽和狀態(tài)，土體的重力相對(duì)自然條件增大，坡體的剪應(yīng)力增大，坡體易失穩(wěn)。

圖9 不同工況最大主應(yīng)力云圖Fig.9 Cloud map of maximum principal stress under different conditions

3 研究區(qū)滑坡治理方案及評(píng)價(jià)

3.1 治理方案

研究區(qū)南側(cè)主滑剖面是治理設(shè)計(jì)的典型剖面，布設(shè)了5排抗滑樁(圖10)。其中2排A型抗滑樁(樁長(zhǎng)10 m，設(shè)計(jì)最大下滑推力500 kN，采用C30混凝土和HRB400的鋼筋)，3排B型抗滑樁(樁長(zhǎng)15 m，設(shè)計(jì)最大下滑推力為630 kN，采用C30混凝土和HRB400的鋼筋)。為了方便計(jì)算，采用FLAC3D自帶的Pile結(jié)構(gòu)單元來(lái)模擬抗滑樁。參照設(shè)計(jì)剖面樁位布置圖，相應(yīng)的在原有模型上加上抗滑樁，同時(shí)在各抗滑樁頂布設(shè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)進(jìn)一步數(shù)值模擬對(duì)滑坡治理效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。治理后模型如圖11所示。

圖10 南側(cè)滑坡典型剖面樁位布置圖Fig.10 Typical profile pile position layout of southern landslide

圖11 研究滑坡典型剖面治理后模型Fig.11 Model of typical section of landslide after treatment

3.2 總位移及塑性區(qū)分析

圖12為治理后研究區(qū)南側(cè)典型剖面天然和暴雨工況下的總位移云圖。通過(guò)治理前后云圖對(duì)比可直觀看出，滑坡通過(guò)抗滑樁加固后，坡體位移明顯減小。天然工況下，坡體的整體位移約1～2 mm，最大位移約2.08 cm，坡體后排抗滑樁受土體擠壓存在1～2 cm位移，坡體前排抗滑樁受土體擠壓較小，無(wú)明顯位移；暴雨工況下，整體位移約在2～5 cm，最大位移約10.42 cm，坡體后排抗滑樁受土體擠壓作用變大，位移增大了約4 cm，坡體前排抗滑樁無(wú)明顯變化。綜上分析，隨著抗滑樁發(fā)揮防治作用，坡體下部已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，坡體上部的下滑趨勢(shì)已經(jīng)得到有效控制。

圖12 治理后不同工況總位移云圖(單位：m)Fig.12 Cloud map of total displacement under different conditions after treatment

圖13為治理后研究區(qū)南側(cè)典型剖面在天然和暴雨工況下的塑性區(qū)分布云圖。通過(guò)治理前后塑性區(qū)云圖對(duì)比可知，隨著抗滑樁的埋入，治理之前的塑性區(qū)得到有效的縮減，僅在滑坡后緣有少量分布?？够瑯跺^固段已經(jīng)深入基巖，因此后緣處少量塑性區(qū)不會(huì)對(duì)滑坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。綜上分析，土體與抗滑樁已經(jīng)構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)。

圖13 治理后不同工況塑性區(qū)分布云圖Fig.13 Cloud map of plastic zone distribution under different conditions after treatment

3.3 抗滑樁監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移分析

圖14和圖15為天然工況和暴雨工況下樁頂各位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平方向和豎直方向的位移曲線圖。從圖中可以看出，抗滑樁水平位移曲線整體呈先上升后收斂的趨勢(shì)，抗滑樁豎直位移變化較小，在3 mm以內(nèi)。隨著抗滑作用的發(fā)揮，坡體位移得到有效的控制。通過(guò)曲線對(duì)比分析可以得到，坡體后排抗滑樁位移明顯大于坡體前排抗滑樁位移，可知坡體上部抗滑樁承受的滑坡推力更大，發(fā)揮主要抗滑作用，符合設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)。通過(guò)水平方向和豎直方向位移曲線對(duì)比可知，抗滑樁水平方向位移較大，主要承擔(dān)滑坡下滑推力的水平分力，對(duì)坡體水平方向的變形起著主要控制作用。

圖14 不同工況樁頂X方向位移Fig.14 X-direction displacement of pile top under different conditions

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)某水庫(kù)大壩西側(cè)滑坡為典型的土質(zhì)滑坡，滑動(dòng)面普遍分布高嶺土化嚴(yán)重的粉質(zhì)黏土及高嶺土，其遇水軟化易形成軟弱夾層。在強(qiáng)降雨等因素作用下，軟弱夾層抗剪強(qiáng)度降低，坡體容易沿著該軟弱夾層面滑動(dòng)，發(fā)生滑坡地質(zhì)災(zāi)害。

(2)通過(guò)FLAC3D模擬分析可知，研究區(qū)南側(cè)典型剖面在暴雨工況下，坡體產(chǎn)生劇烈滑動(dòng)，最大位移達(dá)4.01 m，主要沿水平方向，塑性區(qū)貫通形成滑動(dòng)面，坡體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)采用多排抗滑樁治理滑坡。通過(guò)FLAC3D模擬治理后的典型剖面變化，結(jié)果表明南側(cè)典型剖面在天然工況下的最大位移由4.71 cm減小到2.08 cm；暴雨工況下的最大位移由4.01 m減小到10.42 cm；同時(shí)塑性區(qū)也得到有效控制?？够瑯吨卫砘滦Ч^為理想，研究區(qū)內(nèi)滑坡不會(huì)再對(duì)山體下部水利設(shè)施造成影響，達(dá)到預(yù)期治理效果。