堆積體滑坡穩(wěn)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(xué)建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2.昭通市水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，云南 昭通 657000)

隨著我國水利工程建設(shè)行業(yè)的快速發(fā)展，水庫工程選址向越來越復(fù)雜地質(zhì)條件的區(qū)域推進(jìn)，特別是在我國西南部山區(qū)，滑坡分布廣泛，許多水庫庫區(qū)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(wěn)定與否直接影響到水庫安全運(yùn)行[1- 3]。

滑坡體物理力學(xué)參數(shù)的合理確定是滑坡穩(wěn)定性分析與治理的關(guān)鍵所在。目前所常用的抗剪強(qiáng)度參數(shù)確定方法主要有室內(nèi)及現(xiàn)場試驗(yàn)、工程類比和反演分析3種[4- 5]。山區(qū)滑坡土體性質(zhì)復(fù)雜、均勻性差，采用試驗(yàn)方法需進(jìn)行大量試驗(yàn)才能確定出抗剪強(qiáng)度參數(shù)，而且有時(shí)候給出的試驗(yàn)參數(shù)離散型很大，給工程應(yīng)用帶來很大困難;工程類比法是一種經(jīng)驗(yàn)估算法，與工作者的經(jīng)驗(yàn)有很大的關(guān)聯(lián)，不可能較準(zhǔn)確地得出滑帶土的計(jì)算參數(shù);反算法是確定滑坡體參數(shù)的一種有效的重要方法，通過建立1∶1的真實(shí)模型，在合理確定滑面形態(tài)和滑坡狀態(tài)的條件下，可使反算后所得的相關(guān)參數(shù)有效接近真實(shí)參數(shù)。因此在工程實(shí)踐中常采用反分析方法確定計(jì)算參數(shù)(等效力學(xué)計(jì)算參數(shù))[6]。

1 工程概況及研究區(qū)地質(zhì)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(zhèn)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(qū)河道狹窄，河谷成V字型，地質(zhì)條件較復(fù)雜，滑坡體位于庫區(qū)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?；虑熬壘o鄰河床，受河流沖刷較嚴(yán)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(zhì)特征及成因

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)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(qiáng)度下降，上覆土體沿基巖面突然下滑，進(jìn)而形成滑坡，并埋沒河床及公路，后對(duì)河床及公路埋沒部分進(jìn)行了清理，形成了滑坡前緣陡坎狀地形?，F(xiàn)狀滑坡體前緣土體卸荷松散，常存在淺表層滑動(dòng)，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(zhì)剖面如圖3所示。

圖2 滑坡前緣

圖3 滑坡地質(zhì)剖面(單位:mm)

2 參數(shù)反算

2.1 基本原理

反分析法是已知滑坡的形態(tài)特征、荷載條件、穩(wěn)定系數(shù)及滑面等條件，通過建立穩(wěn)定系數(shù)Fs與抗剪強(qiáng)度參數(shù)с、φ關(guān)系式反算土體的с、φ。反演分析的基本前提[8]：結(jié)合工程實(shí)際地質(zhì)情況確定邊坡穩(wěn)定系數(shù)；調(diào)查研究滑動(dòng)面位置及滑動(dòng)形式；綜合分析造成邊坡失穩(wěn)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(gè)斷面的反算方法

對(duì)于圓弧形滑動(dòng)面一般采用瑞典條分法，即：

(1)

式中，F(xiàn)s—滑坡穩(wěn)定系數(shù)；Wi—第i條塊的單寬自重，kN/m;αi—第i條塊滑動(dòng)面的傾角，(°)；Li—第i條塊滑動(dòng)面長度，m;с—滑動(dòng)面(帶)土的粘聚力，kPa；φ—滑動(dòng)面(帶)土的內(nèi)摩擦角，(°)。

對(duì)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(dòng)面的傾角，(°)；L—滑動(dòng)面長度，m;其余變量含義同前文所述。

對(duì)于折線形滑面，常采用傳遞系數(shù)法求解。

第一步，計(jì)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(jì)算至最后一塊，并令：

En=Wnsinαn+En-1ψn-1-Wncosαntanφn-cnLn

(4)

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

2.1.2多斷面平衡方程聯(lián)立反算方法

采用傳遞系數(shù)法列出滑坡斷面的極限平衡方程，聯(lián)立滑坡的2個(gè)或多個(gè)斷面進(jìn)行求解，求解多個(gè)斷面的一系列不同с、φ值組合，用圖解法繪制多個(gè)斷面的с-φ曲線，交點(diǎn)即為反算的強(qiáng)度參數(shù)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(tài)及穩(wěn)定系數(shù)確定

在反分析中穩(wěn)定評(píng)估指標(biāo)主要依據(jù)邊坡變形狀態(tài)來確定。據(jù)調(diào)查，本滑坡2017年曾沿基巖面發(fā)生整體滑動(dòng)，滑動(dòng)面大致呈折線形；現(xiàn)狀滑坡體前緣土體卸荷松散，常存在淺表層滑動(dòng)，滑動(dòng)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(wěn)定固結(jié)狀態(tài)。

本次對(duì)一個(gè)斷面的2個(gè)滑面進(jìn)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(dòng)，滑動(dòng)面近似呈直線；滑坡2017年曾沿基巖面發(fā)生整體滑動(dòng)，滑動(dòng)面大致呈折線形，現(xiàn)狀未見明顯拉裂變形跡象，整體處于穩(wěn)定固結(jié)狀態(tài)。本工程穩(wěn)定系數(shù)見表1[9]，并結(jié)合實(shí)際情況，確定表層滑面穩(wěn)定系數(shù)為1.0，沿基巖面滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)為1.05。

表1 滑坡不同發(fā)育階段的穩(wěn)定系數(shù)

2.3 滑坡土體巖土參數(shù)的確定

2.3.1淺表層滑動(dòng)面參數(shù)反算

使用單一直滑面法對(duì)淺表層滑面進(jìn)行力學(xué)參數(shù)反算，為了分析抗剪強(qiáng)度參數(shù)對(duì)穩(wěn)定性系數(shù)影響的敏感性，根據(jù)表層取樣試驗(yàn)參數(shù)，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(guān)關(guān)系圖如圖6所示。

由圖6(a)可知，內(nèi)摩擦角φ每降低1°，穩(wěn)定系數(shù)Fs值將減小0.019～0.027；由圖6(b)可知，粘聚力c每降低1kPa，穩(wěn)定系數(shù)Fs值將減小0.043～0.051。Fs值隨著c值變化明顯，表明穩(wěn)定系數(shù)Fs值隨c值的變化較φ值敏感。對(duì)砂壤土c值變化較小，結(jié)合剪切試驗(yàn)結(jié)果，c值取13kPa計(jì)算所得一系列穩(wěn)定系數(shù)與實(shí)際情況更契合，綜合分析砂壤土夾碎石、礫石層表土參數(shù)c值取13kPa，對(duì)應(yīng)φ值為18°。

圖6 淺層滑動(dòng)Fs與c、φ關(guān)系曲線

2.3.2整體滑動(dòng)參數(shù)反算

沿基巖折線形滑面滑動(dòng)，采用傳遞系數(shù)法對(duì)該滑面進(jìn)行力學(xué)參數(shù)的反算，同時(shí)對(duì)計(jì)算成果進(jìn)行了敏感性分析，結(jié)果如圖7所示。

由圖7(a)可知，內(nèi)摩擦角φ每降低1°，穩(wěn)定系數(shù)Fs值將減小0.030～0.034；由圖7(b)可知，粘聚力c每降低1kPa，穩(wěn)定系數(shù)Fs將減小0.021～0.028。Fs值隨著φ值變化明顯，表明穩(wěn)定穩(wěn)定系數(shù)Fs值隨φ值的變化較c值敏感，且對(duì)于砂壤土，一般c值變動(dòng)相對(duì)較小，可先假定c值進(jìn)行計(jì)算φ值。

圖7 沿基巖滑動(dòng)Fs與c、φ關(guān)系曲線

實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，參照表2[10]按滑體厚度假定粘聚力c值基本符合實(shí)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(wěn)定系數(shù)Fs=1.05，可反算得φ值為20°。

表2 滑體厚度與粘聚力c值關(guān)系

2.3.3反算參數(shù)合理性分析

當(dāng)土層較淺時(shí)，凝聚力c對(duì)邊坡穩(wěn)定起決定性作用，因此淺表層滑動(dòng)對(duì)凝聚力c值變化更敏感，而當(dāng)土體厚度較大時(shí)，摩擦角φ值對(duì)邊坡穩(wěn)定影響更大，因此在整體穩(wěn)定計(jì)算中Fs值隨φ值的變化較c值更敏感，這與我們上面計(jì)算結(jié)果相符。此外，由于表層土體卸荷松動(dòng)，相應(yīng)抗剪強(qiáng)度會(huì)減小，這與計(jì)算結(jié)果一致。綜上所述，抗剪強(qiáng)度c、φ值是合理的。

2.4 各工況滑坡穩(wěn)定計(jì)算及分析評(píng)價(jià)

采用上述反算的參數(shù)(飽和狀態(tài)參數(shù)對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行折減)，對(duì)滑坡各工況進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，滑坡穩(wěn)定狀態(tài)參考《水電工程邊坡工程地質(zhì)勘察規(guī)程》[11]進(jìn)行評(píng)價(jià)，成果見表3。

表3 各種工況下穩(wěn)定性計(jì)算成果

經(jīng)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算并結(jié)合現(xiàn)狀地質(zhì)條件分析，本滑坡天然狀態(tài)下整體基本穩(wěn)定，但局部(淺表層)不穩(wěn)定存在失穩(wěn)滑動(dòng)；水庫蓄水后穩(wěn)定性差；在暴雨、地震、水位驟降情況下不穩(wěn)定，需對(duì)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(jià)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(fā)育，邊坡開挖將會(huì)對(duì)具有坡面防護(hù)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(qū)內(nèi)土石方調(diào)配方便，故采用在邊坡下游使用樞紐區(qū)開挖棄渣料回填壓腳處理方式即可以對(duì)滑坡進(jìn)行處理，還可以減少工程棄渣料，優(yōu)勢明顯，因此本次選擇了造價(jià)較低且施工方便的棄渣料回填反壓方式進(jìn)行處理。

處理方案設(shè)計(jì)：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(yù)制混凝土塊護(hù)坡，護(hù)坡下設(shè)20cm厚的碎石墊層。為確保回填壓腳穩(wěn)定，在反壓土體下游設(shè)一道C15埋石混凝土擋墻，擋墻高5.3m，基礎(chǔ)埋深1.3m，基礎(chǔ)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(shè)1根DN2000mm的預(yù)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(tái)設(shè)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(shè)計(jì)參如圖8所示。經(jīng)處理后，滑坡體穩(wěn)定滿足規(guī)范要求，滑坡治理設(shè)計(jì)是合理的。

圖8 滑坡治理方案設(shè)計(jì)

4 結(jié)論

(1)山區(qū)堆積體滑坡土體性質(zhì)復(fù)雜，無法通過室內(nèi)外剪切試驗(yàn)準(zhǔn)確確定土體力學(xué)參數(shù)，而反算法所得的相關(guān)參數(shù)較為合理，可為滑坡治理提供可靠依據(jù)。

(2)當(dāng)滑體厚度較小時(shí)，滑坡穩(wěn)定系數(shù)Fs對(duì)凝聚力c值變化較敏感，而當(dāng)滑體厚度較大時(shí)，整體穩(wěn)定計(jì)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(dòng)，土體抗剪強(qiáng)度較小，深部抗剪強(qiáng)度有一定程度增大。

(4)由于反壓法施工速度快，難度小，造價(jià)低，在滑坡處治中應(yīng)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(dú)厚的優(yōu)勢。該方案可為其它類似滑坡治理提供借鑒。