堆积体滑坡稳定性分析及治理方案探讨

李金成，阮永芬，曹熙平，饶国国

(1.昆明理工大学建筑工程学院，云南 昆明 650500；2.昭通市水利水电勘测设计研究院，云南 昭通 657000)

随着我国水利工程建设行业的快速发展，水库工程选址向越来越复杂地质条件的区域推进，特别是在我国西南部山区，滑坡分布广泛，许多水库库区不可避免存在堆积体滑坡，而滑坡体特别是近坝库岸滑坡的稳定与否直接影响到水库安全运行[1- 3]。

滑坡体物理力学参数的合理确定是滑坡稳定性分析与治理的关键所在。目前所常用的抗剪强度参数确定方法主要有室内及现场试验、工程类比和反演分析3种[4- 5]。山区滑坡土体性质复杂、均匀性差，采用试验方法需进行大量试验才能确定出抗剪强度参数，而且有时候给出的试验参数离散型很大，给工程应用带来很大困难;工程类比法是一种经验估算法，与工作者的经验有很大的关联，不可能较准确地得出滑带土的计算参数;反算法是确定滑坡体参数的一种有效的重要方法，通过建立1∶1的真实模型，在合理确定滑面形态和滑坡状态的条件下，可使反算后所得的相关参数有效接近真实参数。因此在工程实践中常采用反分析方法确定计算参数(等效力学计算参数)[6]。

1 工程概况及研究区地质条件

1.1 工程概况

骑龙沟水库坝址位于云南省彝良县海子镇新场村石道河中游，大坝采用面板堆石坝，最大坝高79.0m。库区河道狭窄，河谷成V字型，地质条件较复杂，滑坡体位于库区中部右岸，距坝址约300m，顺河长约250m，高约80m，厚10～30m，体积约30万m3，为中型覆盖层滑坡。滑坡前缘紧邻河床，受河流冲刷较严重，呈陡坎状，坡面地形坡度30°～50°，滑坡体后缘为峻坡-悬坡地形，基岩出露，滑坡整体样貌如图1所示。

图1 滑坡整体样貌

1.2 滑坡体地质特征及成因

根据现场调查及钻探揭露，该滑坡体原成分属于第四系崩坡积层砂壤土夹碎石、砾石组成[7]，2017年汛期由于坡脚受河流冲刷形成临空面，且雨水沿土体孔隙大量渗入，使得砂壤土逐渐饱和，抗剪强度下降，上覆土体沿基岩面突然下滑，进而形成滑坡，并埋没河床及公路，后对河床及公路埋没部分进行了清理，形成了滑坡前缘陡坎状地形。现状滑坡体前缘土体卸荷松散，常存在浅表层滑动，后缘未见明显拉裂变形迹象，滑坡体前缘如图2所示，滑坡地质剖面如图3所示。

图2 滑坡前缘

图3 滑坡地质剖面(单位:mm)

2 参数反算

2.1 基本原理

反分析法是已知滑坡的形态特征、荷载条件、稳定系数及滑面等条件，通过建立稳定系数Fs与抗剪强度参数с、φ关系式反算土体的с、φ。反演分析的基本前提[8]：结合工程实际地质情况确定边坡稳定系数；调查研究滑动面位置及滑动形式；综合分析造成边坡失稳或变形的各种外力因素。通常有2种反算方法[5]。

2.1.1一个断面的反算方法

对于圆弧形滑动面一般采用瑞典条分法，即：

(1)

式中，Fs—滑坡稳定系数；Wi—第i条块的单宽自重，kN/m;αi—第i条块滑动面的倾角，(°)；Li—第i条块滑动面长度，m;с—滑动面(带)土的粘聚力，kPa；φ—滑动面(带)土的内摩擦角，(°)。

对于单一直滑面，平衡方程为：

(2)

式中，W—滑体的单宽自重，kN/m;α—滑动面的倾角，(°)；L—滑动面长度，m;其余变量含义同前文所述。

对于折线形滑面，常采用传递系数法求解。

第一步，计算第i块滑体的剩余下滑力：

Ei=Wisinαi+Ei-1ψi-1-Wicosαitanφi-ciLi

(3)

第二步，逐块向下传递计算至最后一块，并令：

En=Wnsinαn+En-1ψn-1-Wncosαntanφn-cnLn

(4)

式中，ψi—传递系数，ψi=cos(αi-1-αi)-sin(αi-1-αi)tanφi。

2.1.2多断面平衡方程联立反算方法

采用传递系数法列出滑坡断面的极限平衡方程，联立滑坡的2个或多个断面进行求解，求解多个断面的一系列不同с、φ值组合，用图解法绘制多个断面的с-φ曲线，交点即为反算的强度参数值，如图4所示。

图4 多断面c、φ值反分析图解示意图

2.2 反分析的状态及稳定系数确定

在反分析中稳定评估指标主要依据边坡变形状态来确定。据调查，本滑坡2017年曾沿基岩面发生整体滑动，滑动面大致呈折线形；现状滑坡体前缘土体卸荷松散，常存在浅表层滑动，滑动面近似呈直线，后缘未见明显拉裂变形迹象，滑坡整体处于稳定固结状态。

本次对一个断面的2个滑面进行反算，如图5所示。

图5 滑面示意图

滑坡体前缘土体卸荷松散，常存在浅表层滑动，滑动面近似呈直线；滑坡2017年曾沿基岩面发生整体滑动，滑动面大致呈折线形，现状未见明显拉裂变形迹象，整体处于稳定固结状态。本工程稳定系数见表1[9]，并结合实际情况，确定表层滑面稳定系数为1.0，沿基岩面滑动稳定系数为1.05。

表1 滑坡不同发育阶段的稳定系数

2.3 滑坡土体岩土参数的确定

2.3.1浅表层滑动面参数反算

使用单一直滑面法对浅表层滑面进行力学参数反算，为了分析抗剪强度参数对稳定性系数影响的敏感性，根据表层取样试验参数，с分别取11、12、13、14、15、16kPa，φ分别取15°、16°、17°、18°、19°、20°、21°、22°。得到相关关系图如图6所示。

由图6(a)可知，内摩擦角φ每降低1°，稳定系数Fs值将减小0.019～0.027；由图6(b)可知，粘聚力c每降低1kPa，稳定系数Fs值将减小0.043～0.051。Fs值随着c值变化明显，表明稳定系数Fs值随c值的变化较φ值敏感。对砂壤土c值变化较小，结合剪切试验结果，c值取13kPa计算所得一系列稳定系数与实际情况更契合，综合分析砂壤土夹碎石、砾石层表土参数c值取13kPa，对应φ值为18°。

图6 浅层滑动Fs与c、φ关系曲线

2.3.2整体滑动参数反算

沿基岩折线形滑面滑动，采用传递系数法对该滑面进行力学参数的反算，同时对计算成果进行了敏感性分析，结果如图7所示。

由图7(a)可知，内摩擦角φ每降低1°，稳定系数Fs值将减小0.030～0.034；由图7(b)可知，粘聚力c每降低1kPa，稳定系数Fs将减小0.021～0.028。Fs值随着φ值变化明显，表明稳定稳定系数Fs值随φ值的变化较c值敏感，且对于砂壤土，一般c值变动相对较小，可先假定c值进行计算φ值。

图7 沿基岩滑动Fs与c、φ关系曲线

实践经验表明，参照表2[10]按滑体厚度假定粘聚力c值基本符合实际。本工程中滑坡体最大厚度约18m，采用插值法可取粘聚力c为18kPa，采用稳定系数Fs=1.05，可反算得φ值为20°。

表2 滑体厚度与粘聚力c值关系

2.3.3反算参数合理性分析

当土层较浅时，凝聚力c对边坡稳定起决定性作用，因此浅表层滑动对凝聚力c值变化更敏感，而当土体厚度较大时，摩擦角φ值对边坡稳定影响更大，因此在整体稳定计算中Fs值随φ值的变化较c值更敏感，这与我们上面计算结果相符。此外，由于表层土体卸荷松动，相应抗剪强度会减小，这与计算结果一致。综上所述，抗剪强度c、φ值是合理的。

2.4 各工况滑坡稳定计算及分析评价

采用上述反算的参数(饱和状态参数对上述参数进行折减)，对滑坡各工况进行稳定计算，滑坡稳定状态参考《水电工程边坡工程地质勘察规程》[11]进行评价，成果见表3。

表3 各种工况下稳定性计算成果

经边坡稳定性计算并结合现状地质条件分析，本滑坡天然状态下整体基本稳定，但局部(浅表层)不稳定存在失稳滑动；水库蓄水后稳定性差；在暴雨、地震、水位骤降情况下不稳定，需对该滑坡采取治理措施。

3 滑坡治理方案探讨

本工程采用抗滑桩、锚索等治理方式施工难度大、工程造价高，且治理后受库水位变化及波浪掏蚀影响大，故不建议采用。而滑坡体以中下部土体较厚，后缘土体较薄，采用削坡减载效果较差，且滑坡体坡面植被发育，边坡开挖将会对具有坡面防护功能植被造成破坏。相反滑坡体距离大坝与石料场较近，大坝及石料场开挖弃渣料较多，区内土石方调配方便，故采用在边坡下游使用枢纽区开挖弃渣料回填压脚处理方式即可以对滑坡进行处理，还可以减少工程弃渣料，优势明显，因此本次选择了造价较低且施工方便的弃渣料回填反压方式进行处理。

处理方案设计：反压土体顺滑坡脚分布，顶高程为1910m，上、下游坡比为1∶3，采用厚15cm的预制混凝土块护坡，护坡下设20cm厚的碎石垫层。为确保回填压脚稳定，在反压土体下游设一道C15埋石混凝土挡墙，挡墙高5.3m，基础埋深1.3m，基础宽4.8m，迎水面坡比1∶0.15，背水面坡比1∶0.4。由于河道狭窄，反压土体将侵占河道，为满足施工度汛安全，顺河道埋设1根DN2000mm的预制钢筋混凝土涵管，总长298m，混凝土厚15cm，在回填完成后，在顶部平台设一排水渠，排水渠断面尺寸为1.5m×1.8m，采用C25钢筋混凝土衬砌，衬砌厚30cm，治理方案设计参如图8所示。经处理后，滑坡体稳定满足规范要求，滑坡治理设计是合理的。

图8 滑坡治理方案设计

4 结论

(1)山区堆积体滑坡土体性质复杂，无法通过室内外剪切试验准确确定土体力学参数，而反算法所得的相关参数较为合理，可为滑坡治理提供可靠依据。

(2)当滑体厚度较小时，滑坡稳定系数Fs对凝聚力c值变化较敏感，而当滑体厚度较大时，整体稳定计算中Fs值随φ值的变化较c值更敏感。

(3)由于堆积体滑坡表层土体卸荷松动，土体抗剪强度较小，深部抗剪强度有一定程度增大。

(4)由于反压法施工速度快，难度小，造价低，在滑坡处治中应用广泛，特别是存在工程弃渣料或反压填筑土体易取的地方具有得天独厚的优势。该方案可为其它类似滑坡治理提供借鉴。