樹坪滑坡切坡抗滑增穩(wěn)優(yōu)化治理數(shù)值模擬研究

吳麗麗，賀可強(qiáng)，全恩厚，全恩偉，朱裕祥，吳遠(yuǎn)鋒

（1.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 青島 266033；2.山東華通路橋工程有限公司，山東 臨沂 273400）

0 引 言

在地形地貌的演變過程中，滑坡作為一種典型的塊體運(yùn)動形式，是一種重大的自然地質(zhì)災(zāi)害，給人們的生產(chǎn)、生活帶來嚴(yán)重威脅［1］。堆積層滑坡是滑坡的一種基本類型，具體指發(fā)生在第四系及近代松散堆積層的一類滑坡，該類滑坡規(guī)模大、突發(fā)性強(qiáng)，容易受多種因素影響，且滑移條件復(fù)雜，在我國滑坡分布中占比較大［2］，尤其是我國的西南、西北地區(qū)和長江三峽庫區(qū)。堆積層滑坡已對我國國民經(jīng)濟(jì)和人民生活等方面造成了極大危害，滑坡的防治問題得到越來越多的重視。

滑坡治理工程中應(yīng)考慮的影響因素主要有滑坡類型、滑坡體積大小、穩(wěn)定性以及滑坡區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造條件、構(gòu)（建）筑物類型及其分布范圍、施工實(shí)施用具和季節(jié)性等，需要采用多種治理形式進(jìn)行綜合治理，如圍截排水、卸載壓腳、打入抗滑樁、高壓注漿、錨固預(yù)應(yīng)力錨索等［3］。對于涉水條件下大型堆積層滑坡的治理，由于滑坡體積大、滑體厚，主要采用切坡卸載和相關(guān)工程措施（堆載、排水、支護(hù)等）綜合治理方法［4-9］。夏艷華等［10］在切坡卸載設(shè)計(jì)中采用傳遞系數(shù)法思想，引入剩余抗滑力概念，利用預(yù)期安全系數(shù)逆向計(jì)算各個(gè)條塊的剩余抗滑力，給出切坡優(yōu)化方案，確定最優(yōu)條件下的切坡位置和規(guī)模；高俊等［11］針對某滑坡治理時(shí)切坡壓腳土方量不平衡問題進(jìn)行研究，為滑坡體設(shè)計(jì)出高壓腳少卸荷、低壓腳多卸荷兩種治理方案并進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)采用低壓腳多卸荷治理方案效果更好，且當(dāng)堆載體積達(dá)到一定程度后，滑坡體的抗滑安全系數(shù)將保持不變?；谂R界壓腳體進(jìn)行滑坡治理可解決切坡土方量與堆載土方量的不平衡現(xiàn)象，降低工程造價(jià)，為實(shí)際工程建設(shè)提供一定的參考價(jià)值。張帆宇等［12］采用物理模型試驗(yàn)及工程地質(zhì)分析的定性分析與FLAC3D數(shù)值模擬定量分析相結(jié)合的方法，全面分析了袁家灣高速公路修建過程中因開挖高陡切坡引發(fā)的順層巖質(zhì)滑坡失穩(wěn)過程和演化機(jī)理，發(fā)現(xiàn)人工改造邊坡會不同程度地影響邊坡地質(zhì)環(huán)境，并導(dǎo)致其他條件對邊坡穩(wěn)定性影響程度也發(fā)生改變，即具有伴生效應(yīng)；周中等［13］選取貴州晴隆典型堆積層邊坡進(jìn)行了現(xiàn)場切坡開挖試驗(yàn)，并同時(shí)進(jìn)行原位監(jiān)測，結(jié)果表明，在切坡開挖的影響下堆積層邊坡偏于發(fā)生淺層牽引式破壞，且滑動變形范圍在坡面的0～4 m，坡面變形最大，從坡面至坡面以下變形逐漸變小。

本文基于上述研究成果和堆積層邊坡切坡卸載過程中的下滑動力變化與變形響應(yīng)特點(diǎn)，選用MIDAS GTS NX有限元軟件及其內(nèi)置的強(qiáng)度折減法對樹坪滑坡A-A剖面優(yōu)化治理方案的抗滑增穩(wěn)效應(yīng)進(jìn)行分析，以期為該滑坡的治理提供參考。

1 切坡卸載對堆積層邊坡穩(wěn)定性的 影響

1.1 切坡卸載條件下堆積層邊坡下滑動力及變形響應(yīng)演化特征與規(guī)律

堆積層邊坡的切坡卸載過程是一個(gè)穩(wěn)定的單向增加過程，即隨著切坡進(jìn)行，邊坡將由不穩(wěn)定狀態(tài)（或欠穩(wěn)定狀態(tài)）逐漸進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。為了闡明切坡卸載過程對堆積層邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)的影響，設(shè)堆積層邊坡為均質(zhì)體，且該均質(zhì)體呈各向同性，坡體厚度也呈均一變化。將邊坡潛在滑動條塊作為研究對象，堆積層邊坡滑動條塊受力情況如圖1所示。圖1中，Gi為滑動條塊重力；Ri為滑面上的抗滑力；Ni為滑動條塊有效應(yīng)力；ΔPi為下滑動力變化量；Hi為滑動條塊高度；hi為切坡高度；θi為滑面傾角。

由圖1可知，切坡前滑動條塊的下滑力Ta、抗滑力Ra分別為

圖1 堆積層邊坡滑動條塊受力示意圖Fig.1 Stress diagram of sliding strip of accumulation slope

切坡后滑動條塊的下滑力Tb、抗滑力Rb為

式中：c為滑面黏聚力；φ為滑面內(nèi)摩擦角；θ為滑面傾角；l為滑動條塊底面長度；γ為滑動條塊重度。

因此，切坡引起的下滑動力變化量為：

堆積層邊坡切坡卸載時(shí)坡體變形主要受切坡影響，宏觀上表現(xiàn)為卸荷回彈變形，變形發(fā)展主要經(jīng)歷變形趨緩階段和變形穩(wěn)定階段［14］。

變形趨緩階段：隨著切坡卸載進(jìn)行，坡體變形逐漸得到控制，并表現(xiàn)為趨緩變形，坡體穩(wěn)定性得以提高。

變形穩(wěn)定階段：隨著切坡結(jié)束，坡體變形逐漸停止并趨于穩(wěn)定。

另外，依據(jù)堆積層邊坡自身特點(diǎn)和構(gòu)造特征，將邊坡坡體假設(shè)為理想彈塑性。對邊坡坡體進(jìn)行計(jì)算時(shí)，其斷面受力與變形物理參數(shù)均取平均值［15］。依據(jù)彈塑性力學(xué)基本原理，堆積層邊坡切坡卸載引起的下滑動力與位移變化量關(guān)系式為

根據(jù)式（6）～（8）可知

式中：ΔSi、ε-i、σ-i分別為切坡卸載引起的滑動條塊位移變化量、應(yīng)變均值、應(yīng)力均值；E-i為切坡卸載時(shí)相應(yīng)的滑坡體變形模量均值；Vi為滑動條塊體積（單位寬度條件下），Vi＝Hil cosθ。

由式（5）～（9）可知，在其他因素相對不變的情況下，堆積層邊坡切坡引起的邊坡下滑動力變化量與位移變化量主要取決于切坡過程中切坡高度的變化。隨著切坡過程中切坡高度增加，滑坡的下滑動力降低，抗滑力增加，滑坡位移變化量減小?？梢哉J(rèn)為切坡卸載過程是堆積層邊坡下滑動力變化與位移變化的主要動力影響因素。

1.2 切坡卸載條件下堆積層邊坡穩(wěn)定性演化規(guī)律

根據(jù)式（3）～（4）和邊坡穩(wěn)定性極限平衡原理，確定切坡后邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)Fsi為

由式（10）可知，在切坡卸載過程中，只有切坡高度變化量Hi-hi是變化參數(shù)，因此邊坡穩(wěn)定性系數(shù)Fsi與切坡卸載動態(tài)變化過程直接相關(guān)。

2 實(shí)例分析

2.1 樹坪滑坡工程概況

樹坪滑坡［16］與三峽大壩相距約47 km，位于長江南岸的百福坪背斜東翼，滑坡整體由南至北展布，地形起伏狀態(tài)為南高北低，且陡、緩相間?；麦w縱向（南北）長約800 m，橫向（東北）寬約700 m，面積約55×104m2，厚度約30～70 m，厚度均值約50 m，體積約2 750×104m3。滑坡東側(cè)和中部變形較大，且為主滑區(qū)，體積約為1 575×104m3?；麦w發(fā)育于沙鎮(zhèn)溪背斜近軸部，屬于逆向坡，其地層產(chǎn)狀120°～173°，傾角9°～38°，該滑坡斜坡走向總體上與長江平行。從樹坪滑坡的物質(zhì)組成上分析，其滑體主要組成物質(zhì)為崩坡積碎塊石土，滑坡下部以粉質(zhì)黏土為主；滑帶以碎石角礫的粉質(zhì)黏土為主，其中角礫大部分為砂石、泥巖和泥灰?guī)r?；孪路鶐r是三疊系中統(tǒng)巴東組地層，以紫紅、灰綠色的中厚層狀粉砂巖夾泥巖，以及灰、淺灰色的中厚層狀泥巖為主要成分，剖面圖如圖2所示。樹坪滑坡因與三峽庫區(qū)較近，屬于涉水、大型老滑坡，該滑坡區(qū)域的地表水系來自長江，水位145～175 m，主要受三峽水庫的蓄水控制?；伦冃问加?003年三峽水庫蓄水，因常年水位不斷升降，再加上降雨影響，導(dǎo)致樹坪滑坡產(chǎn)生了較大的累計(jì)變形。

圖2 樹坪滑坡工程地質(zhì)剖面圖Fig.2 Engineering geological sectional drawing of Shuping landslide

為了有效降低滑坡變形速率，2014年對樹坪滑坡進(jìn)行應(yīng)急治理［17］，應(yīng)急治理工程的設(shè)計(jì)工況為：自重+庫水位175～145 m，整體安全系數(shù)1.03，上層滑體、潛在滑體的安全系數(shù)均需達(dá)到1.10；校核工況為：自重+庫水位175～145 m+50 a一遇暴雨，整體安全系數(shù)需達(dá)到1.0，上層滑體與潛在滑體的安全系數(shù)則需達(dá)到1.05。該應(yīng)急治理工程的總體方案為：削方+壓腳+地表排水溝。主要工程量為：每隔20 m高差設(shè)置一級馬道，削方工程土石方開挖體積575 774 m3，壓腳工程土石方回填體積373 962 m3，另外設(shè)計(jì)5條排水溝，總長2 850 m。同時(shí)根據(jù)滑坡規(guī)模和危害程度確定治理工程等級為Ⅰ級。滑坡平面形態(tài)特征見圖3。

根據(jù)《滑坡防治工程勘察規(guī)范》（GB／T 32864-2016）要求，滑坡防治工程的穩(wěn)定狀態(tài)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：F＜1.00時(shí)，滑坡屬于不穩(wěn)定狀態(tài)；1.00≤F＜1.05時(shí)，滑坡屬于欠穩(wěn)定狀態(tài)；1.05≤F＜1.15時(shí)，滑坡屬于基本穩(wěn)定狀態(tài)；F≥1.15時(shí)，滑坡屬于穩(wěn)定狀態(tài)。削坡減載工程中，堆積體或土質(zhì)邊坡高度超過10 m時(shí)，應(yīng)進(jìn)行分級放坡。根據(jù)規(guī)范中對滑坡穩(wěn)定狀態(tài)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及施工技術(shù)的要求可知，有必要對樹坪滑坡提出優(yōu)化治理方案。

2.2 樹坪滑坡優(yōu)化治理方案選取與數(shù)值建模

2.2.1 優(yōu)化治理方案的選取

本文以減小滑坡后緣下滑力、增加滑坡前緣抗滑力為目的，根據(jù)樹坪滑坡的地形地貌條件以及《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》（DZ／T 0219—2006）中的要求，同時(shí)綜合考慮多種條件，如滑坡地區(qū)地質(zhì)、施工季節(jié)條件等，選取切坡、堆載作為優(yōu)化治理手段，堆載作為安全儲備可提高穩(wěn)定性。該滑坡具體優(yōu)化治理方案為：切坡位置為中部（滑移面呈凸出狀），堆載位置為坡腳，切坡坡形為階梯狀；根據(jù)《邊坡工程處治技術(shù)》［18］中堆積體邊坡坡率參考值并結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，該滑坡切坡參數(shù)為：切坡自上而下分6級（層），單級坡高10 m，坡率為1∶1.75（第1～3層）、1∶2.25（第4～6層），平臺寬5～8 m。樹坪滑坡切坡堆載示意圖如圖4所示。

2.2.2 計(jì)算模型的建立及參數(shù)選取

采用巖土有限元軟件MIDAS GTS NX進(jìn)行數(shù)值模擬，考慮巖體材料的非線性特征，采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行計(jì)算分析，可為巖土工程中的實(shí)際施工提供可靠的技術(shù)支持。以樹坪滑坡典型剖面A-A為原型建立坡體，長度880 m，前后緣高程分別為20.3 m、418 m的計(jì)算模型，概化模型如圖5所示，共劃分5 939個(gè)節(jié)點(diǎn)，5 832個(gè)單元。根據(jù)樹坪滑坡的野外和室內(nèi)試驗(yàn)，通過工程類比，最后確定滑坡的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 樹坪滑坡物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of Shuping landslide

圖5 樹坪滑坡A-A剖面數(shù)值模擬概化模型Fig.5 Generalized model of numerical simulation of Shuping landslide section A-A

2.2.3 計(jì)算工況

為了驗(yàn)證優(yōu)化治理方案的適用性，根據(jù)三峽庫區(qū)水位的調(diào)度方案和實(shí)測降雨量，并考慮樹坪滑坡動態(tài)卸荷、自重應(yīng)力等因素的影響，設(shè)置4種計(jì)算工況，見表2。

表2 計(jì)算工況Tab.2 Calculation conditions

3 結(jié)果分析

3.1 優(yōu)化治理方案的應(yīng)力場分析

優(yōu)化治理方案實(shí)施后，坡體的水平應(yīng)力、豎向應(yīng)力如圖6～7所示。其中，坡體表面的水平應(yīng)力、豎向應(yīng)力均表現(xiàn)為壓應(yīng)力，其大小隨著切坡進(jìn)行有所減小，這是切坡卸荷作用造成的，但整體沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。最大剪應(yīng)力云圖見圖8，坡體各臺階處沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，表明切坡后邊坡不會發(fā)生剪切破壞。

圖6 邊坡切坡后水平應(yīng)力Fig.6 Horizontal stress of slope after cutting

圖7 邊坡切坡后豎向應(yīng)力Fig.7 Vertical stress of slope after cutting

圖8 邊坡切坡后最大剪應(yīng)力Fig.8 Maximum shear stress of slope after cutting

3.2 優(yōu)化治理方案的位移場分析

從宏觀上看，樹坪滑坡發(fā)生的橫向變形大于豎向變形，因此模擬結(jié)果中主要分析坡體的水平方向位移。由于模擬結(jié)果中第1～3切坡層的最大水平位移變化較?。t色區(qū)域范圍為零），第4～6切坡層的最大水平位移變化比較明顯，因此以第4～6層切坡的最大水平位移為例分析其變化規(guī)律。圖9～11所示分別為第4～6切坡層的水平位移，可以看出，邊坡臨空面附近的最大水平位移表現(xiàn)出擴(kuò)大趨勢，且第4、5、6切坡層的最大水平位移紅色區(qū)域分別為9.2%、11.4%、11.3%，第4～5、5～6切坡層最大水平位移變化量分別為2.2%、0.1%，即最大水平位移的變化量呈現(xiàn)出降低趨勢?？梢?，該模擬演化位移特征與切坡卸載條件下堆積層邊坡變形減小的規(guī)律相符。

圖9 第4層切坡水平位移Fig.9 Horizontal displacement of cutting slope in the fourth layer

圖10 第5層切坡水平位移Fig.10 Horizontal displacement of cut slope of the fifth layer

圖11 第6層切坡水平位移Fig.11 Horizontal displacement of cut slope of the sixth layer

3.3 優(yōu)化治理方案的塑性區(qū)及穩(wěn)定性分析

切坡后坡體的有效塑性區(qū)見圖12。由圖12可以看出，切坡坡體表面塑性區(qū)不明顯，沒有擴(kuò)展和貫通趨勢。通過強(qiáng)度折減法計(jì)算得出的穩(wěn)定性系數(shù)見圖13，可以看出，隨著切坡進(jìn)行，穩(wěn)定性系數(shù)逐步升高，與前述位移場變化結(jié)果吻合。

圖12 邊坡切坡后有效塑性區(qū)Fig.12 Effective plastic zone of slope after cutting

圖13 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨切坡變化時(shí)序曲線Fig.13 Time series curve of slope stability coefficient changing with cut slope

3.4 不同計(jì)算工況下穩(wěn)定性模擬結(jié)果分析

通過MIDASGTSNX有限元軟件內(nèi)置的強(qiáng)度折減法對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，得出各計(jì)算工況下應(yīng)急治理工程與本文優(yōu)化治理方案的整體穩(wěn)定性系數(shù)，見表3。

表3 各計(jì)算工況穩(wěn)定性系數(shù)與切方量Tab.3 Stability coefficient and cutting volume of each calculation condition

從表3可以看出，工況2、3條件下應(yīng)急治理工程穩(wěn)定性系數(shù)滿足要求（F≥1.15）；在175 m水位和實(shí)測工況條件下，穩(wěn)定性系數(shù)下降，分別處于欠穩(wěn)定（1.00≤F＜1.05）和基本穩(wěn)定狀態(tài)（1.05≤F＜1.15）。本文提出的優(yōu)化治理方案在各計(jì)算工況下穩(wěn)定性系數(shù)均滿足要求（F≥1.15），這與堆積層邊坡在切坡卸載條件下坡體穩(wěn)定性增加的規(guī)律相符。由前文可知，應(yīng)急治理工程的切方量為575 774 m3，優(yōu)化治理方案的切方量為531 647 m3，與應(yīng)急治理工程相比切方量降低了8%。由上述結(jié)果可以看出，本文提出的優(yōu)化治理方案對樹坪滑坡起到了良好的抗滑增穩(wěn)效果，且具有較好的適用性。

4 結(jié) 論

（1）堆積層邊坡的切坡卸載過程是一個(gè)單向增加穩(wěn)定性的過程，該類邊坡的抗滑增穩(wěn)效應(yīng)表現(xiàn)為：下滑動力減小，變形響應(yīng)降低。其中，下滑動力變化量主要受切坡高度、邊坡傾角、坡體物理力學(xué)性質(zhì)等因素影響，切坡過程中切坡高度變化是堆積層滑坡下滑動力最明顯的動態(tài)變化因素，說明切坡卸載過程是影響該類邊坡穩(wěn)定性的主要因素。

（2）隨著樹坪滑坡切坡進(jìn)行，坡體表面的水平應(yīng)力、豎向應(yīng)力均表現(xiàn)為壓應(yīng)力，壓應(yīng)力值因切坡卸載作用減小，切坡完成后的最大剪應(yīng)力沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，不會發(fā)生剪切破壞；隨著切坡進(jìn)行，位移變化量開始降低，穩(wěn)定性系數(shù)逐步升高，體現(xiàn)了切坡卸載對樹坪滑坡坡體產(chǎn)生的抗滑增穩(wěn)效應(yīng)。

（3）為驗(yàn)證樹坪滑坡優(yōu)化治理方案的適用性，對4種計(jì)算工況下的優(yōu)化治理方案與應(yīng)急治理工程穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，由模擬結(jié)果可知，各計(jì)算工況下優(yōu)化治理方案的穩(wěn)定性能滿足要求，切坡方量也比應(yīng)急治理工程降低了8%。