基于傳遞系數法確定滑坡治理削坡減載的工程應用

張雄偉

(昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

邊坡防治工程措施的設計與實施是巖土工程研究的重要內容，它是一套復雜而嚴密的系統工程，行之有效的設計和施工方案，必須建立在對邊坡體巖組特征、附屬環境及坡體潛在破壞模式分析的基礎之上。國際滑坡地質協會將防治工程分為4類：改變斜坡的幾何形態、排水工程、支擋結構物和斜坡內部加固。而國內滑坡防治則分為繞避滑坡、排水、力學平衡和滑帶土改良4類。其中改變邊坡幾何形態與力學平衡下的削坡減載是治理滑坡常用的方法之一，該方法常常與坡腳反壓聯合運用。但工程實踐中受各種條件限制，往往客觀上難以同時實現或僅可堆載部分削方的土石量，除非局部改動線路的平面布置和縱坡。

削方減載是指放緩邊坡率適應巖土工程性質并將滑坡體上部主滑段和牽引段產生剩余下滑力的部分挖去一部分滑體巖土體，以減小滑體重量和下滑力而增大抗滑力的工程，常用于治理處于“頭重腳輕”狀態的推移式滑坡或由于錯落轉化的滑坡體。在工程實踐中，一般采用不平衡推力傳遞系數法進行削坡減載設計。對于推移式滑坡或由于錯落轉化的滑坡一般滑床上陡下緩，前緣傾角緩甚至出現反傾滑段，推力主要源于滑坡近后緣段即頭部，而近前緣段即滑坡的足部則為抗滑段或抗力體。采取后部主滑地段減重的治理方式就是削掉滑坡下滑的推力，可起到阻止滑坡進一步滑動的作用。但應注意不要輕易開挖變形破壞體應力、變形集中部位的滑坡體和牽引式滑坡或者帶有卸載膨脹性質的滑坡，如滑移-彎曲變形破壞體隆起部位往往是應力集中部位，一旦削方將破壞前緣彎曲-拉裂部位，而牽引式滑坡前緣的削方將會破壞阻滑關鍵塊體的支撐引起坡腳應力集中進一步削弱滑體的抗滑力，這些都將可能引起邊坡體整體失穩。

因此，針對不同發展階段的滑坡，應在充分認識滑坡的受力狀態、力學機制以及演化發展過程基礎上確定削坡方量以及在何部位進行削坡，不同的施工方案將直接關系到工程造價的經濟性合理性及其成效性。為獲得經濟合理的方案，在工程實踐中常根據滑坡的地形地質條件和欲達到的目的，使處于當前發展階段的滑坡體穩定系數大于設計要求的安全系數基礎上，一般按滑坡體剪出口剩余下滑力或剩余抗滑力等于0這一條件來搜索最優的削坡位置及規模。如王權等采用傳統的傳遞系數超載法按預期的安全系數核算每一滑塊的剩余下滑力為0確認削坡量的規模。劉忠玉等從優化理論的角度出發，構建邊坡體設計要求的安全系數約束條件下的最小削方量的目標函數，從而求解牽引段和部分主滑段下的某一約束的最優的削坡方案問題。夏艷華等引入剩余抗滑力的概念逆向求解剩余抗滑力為負值的條塊即為削方位置對應的絕對值即為應削除的荷載。鑒于此，該文在滑坡傳統力學破壞機制分析基礎上從滑坡整體和局部角度出發運用傳遞系數法對工程實例進行了削坡減載方量及其部位探究。

1 傳遞系數法

傳遞系數法應用非常廣泛，現已被納入相關的設計規程。但不同規范中根據不同邊坡穩定性的定義提出的計算方法，導致計算得到的剩余下滑力結果存在差異。這種差異出現的原因主要是由于所用公式的適用范圍與技術規范不同，邊坡穩定系數的定義存在差異，而這種差異對邊坡工程的設計可能帶來不利影響。

針對折線型滑坡，現行規范中傳遞系數法的解法有2種：①是建筑邊坡工程技術規范(GB 50330—2013)中的隱式解(強度儲備法)；②是巖體工程勘察規范(GB 5002—2001)中的顯式解(超載法)。

基于強度折減和超載法的2種傳遞系數法計算滑坡穩定性時，僅是式中傳遞系數的定義不同，其穩定性系數表達形式是相同的，不同的式中傳遞系數的如下式：

(1)

一般用傳遞系數法判斷滑坡的穩定狀態，應從滑坡的穩定性系數和剩余下滑力2方面來考慮。但有時會出現穩定性系數已滿足工程要求的穩定安全系數，但剩余下滑力仍大于0的現象而難以評價滑坡的穩定狀態。這主要是未對滑坡空間發展規律即滑坡破壞模式進行系統分析同時傳遞系數法假定了滑體為整體滑動而未從滑坡局部角度考慮其穩定而造成可能局部條塊傳遞拉應力違背土體性質的情況。因此，在運用傳遞系數法進行滑坡穩定評價及治理時應在滑坡破壞模式基礎上進行整體與局部的穩定性評價。

2 滑坡漸進破壞模式

滑坡變形破壞過程與巖土體力學特性緊密相關，其實質就是滑帶力學參數的弱化過程，從而實現量變到質變的過程。滑坡在漸進破壞過程中隨變形累加，在空間上不同部位滑帶力學參數呈現差異性而時間上滑帶力學參數隨滑坡演化發展表現出不同的速率弱化，從前期峰前應力階段過渡到殘余應力階段，而抗剪強度衰減到殘余強度。

邊坡破壞是坡體累積變形發展的最終狀態。邊坡從變形演化發展破壞時空間上包含蠕滑段、過渡段和剪切段3種形態。隨著滑帶變形的增大，經軟化階段(過渡段)后，最終進入剪切階段，見圖1。剪切段是滑坡蠕滑發展的最終階段，而過渡段則是介于另兩者之間的1種滑帶形態即軟化階段。

圖1 滑帶本構曲線

鄒宗興等為更好分析滑坡演化發展歷程從滑坡破壞模式角度出發并建立起力學模型，將滑坡從滑帶空間發展形態劃分為2類：①是滑帶由后緣向前端貫通，破壞前空間上為后端剪切段、前端鎖固，表現為前進式漸進破壞模式，見圖2。該類滑坡通常發生于傾角>20°斜坡中，其演化發展常因坡體后緣張拉應力作用加之地表水入滲加劇斜坡后緣蠕滑向剪切狀態發展；②是滑帶由前緣向后緣逐漸貫通，破壞空間上為前端為剪切段、后端為鎖固段，表現為后退式漸進破壞模式，見圖3。該類滑坡常發生于緩傾角斜坡，滑體中下部有與滑動方向直交的裂縫發育，兩翼剪裂縫位移量自后緣向前緣遞增，在坡腳前緣常見隆起及鼓脹現象。

圖2 前進式滑坡概化模型

圖3 后退式滑坡概化模型

漸進后退式滑坡的破壞區域通常局限于土質邊坡淺表層或破碎風化嚴重的巖體邊坡。而坡腳作為牽引式滑坡的重要阻滑段，坡腳挖方是引發牽引式滑坡的直接原因。前方失去支撐造成坡腳關鍵塊體缺失，短時間內造成坡腳失穩并由前至后塑性區不斷擴大逐步發生土壓破壞，一般歷時較短，見圖4。

圖4 前進式滑坡典型剖面結構圖

推移式滑坡促使邊坡發生變形破壞的作用力主要源自于坡體后緣的下滑段，一般是受邊坡后方加載、地表水的入滲導致邊坡巖土體力學參數的弱化，觸發斜坡由蠕滑向剪切方向發展到最終貫通滑面，一般滑面呈前緩后陡的形態，見圖5。推移式滑坡的中后段一般滑面傾角常較陡，使得滑體產生的下滑力>相應段滑面所能提供的抗滑力，進而先在后緣產生拉張應力區發生拉裂和滑動變形。當變形達到一定程度后，在滑坡體后緣常會形成多級弧形拉裂縫和下錯臺坎破壞跡象。伴隨滑坡后緣滑帶向下擴展，在應力不斷調整的過程中變形逐漸向前緣積累，由于受到前緣鎖骨段的阻擋在抗滑區域產生壓應力集中現象。隨滑移變形量不斷增大，受巖土體自身變形協調的調節在坡腳前緣產生鼓脹、隆起現象，而隨變形不斷累積，最終滑坡前緣發生推移或剪切破壞并伴隨著推移式滑坡整體變形破壞，一般這經歷過程較持久。根據盧應發對推移式滑坡變形破壞理論的研究可將其劃為2種破壞模式：①是整個滑體沿弱面發生的推移破壞；②是后緣沿弱面發生的推移破壞，而前緣局部沿滑體發生剪切破壞。

圖5 后退式滑坡典型剖面結構圖

3 工程案例

滑坡推力的計算是滑坡治理成敗以及是否經濟合理的重要依據，也是對滑坡的定量評價。工程實踐中對滑坡進行削坡減載設計，考慮研究對象應變軟化特性和滑面的力學性質對邊坡穩定的“貢獻”作用，穩定性評價中滑帶采用峰值強度偏于危險，而采用殘余強度又過于保守，因此考慮滑坡漸進破壞特征及滑帶土空間上力學參數呈現的差異性，根據滑坡漸進破壞演化過程計算滑坡穩定狀態并根據滑帶所處階段進行強度參數選擇。根據研究對象滑坡前緣、后緣裂縫發展規律和變形量等信息表現為推移式滑坡，因此在滑坡漸進破壞模式基礎上對滑坡后緣蠕滑向破壞發展的剪切貫通段取殘余強度，而未發生剪切貫通段的滑坡前緣取峰值強度，同時從整體和局部角度進一步分析推移式滑坡穩定狀態差異性。

以王權等關于大塘灣II號滑坡為研究對象，滑坡體面積為4 000 m2，滑體平均厚度為4 m，體積為16 000 m3，滑坡體為淺層小型土質滑坡，穩定安全系數設定為1.25，滑帶參數見表1。考慮夏艷華等均采用超載法顯式解進行方案治理，為進行對比，該文也采用超載法進行削坡減載設計，現狀滑坡及削坡減載后計算結果見表2和表3。

表1 滑帶參數表

由表2和表3滑坡現狀和削坡減載后計算結果來看，邊坡穩定性系數明顯低于要求的穩定安全系數值且剩余下滑力除條塊1外均大于0。因此，根據現狀滑坡每一滑塊信息利用超載法進行削坡減載設計以使滑坡滿足安全要求。由滑坡體特征，該滑坡屬于推移式滑坡，當前狀態下條塊2屬于臨界狀態條塊，但若滑坡未進行有效的治理防護，其臨界狀態位置會隨滑坡演化過程發生漸變同時穩定性系數也是動態變化的。同時對比劉忠玉等研究成果也是在條塊2位置進行減載，通過計算知當削方到568.357 kN/m，即削減505 kN/m時已滿足安全要求(FS=1.251)，但發現此時最后一條塊剩余下滑力仍大于0，無法判斷滑坡是否達到穩定狀態。

表2 現狀滑坡體剩余推力和穩定性計算結果

表3 削坡減載后滑坡體剩余推力和穩定性計算結果

通過對表2和表3中滑體信息看出，該推移式滑坡主要下滑推力來自條塊2，而條塊1本身是穩定的，但在計算過程中將滑坡統一考慮，按整體穩定性分析進行削方設計，顯然當穩定性系數達到要求時其削方量是偏于危險的。因此，通過求解局部滑坡穩定性系數，將所求得最小滑塊組合的穩定系數作為滑坡的穩定系數，而對應滑塊即為不穩定部分要進行削方的位置，滑坡局部穩定性計算結果見表4。通過表4知滑坡穩定性系數為0.98，即條塊2到最后條塊的組合條塊為滑坡最不穩定部分，故將條塊2前所有條塊滑坡體看作局部的整體，其自身穩定性系數>1.25，且下滑力<0，處于局部穩定狀態，不再歸入到前方滑坡條塊穩定計算。通過對條塊2到最后1條塊進行削方減載設計滿足安全要求時，削方重量為579.57 kN/m，具體計算結果見表5。

表4 求解局部穩定性計算結果

表5 削坡減載后滑坡體剩余推力和穩定性計算結果

由表6可知，該次削方減載方案設計與劉忠玉、夏艷華中的優化設計方案結果比較一致，尤其是與劉忠玉采用最優化理論進行的方案設計結果很是接近，這在一定程度上表明在進行削方減載設計時考慮滑坡漸進破壞模式及滑帶力學參數空間的差異性方是合理的且可靠的。同時從滑坡發展階段考慮該滑坡已發生滑動，因此除對滑坡減重外還應從控制工程和抑制工程的角度出發進行有效的截排水措施和支擋工程方案等相結合的手段，通過滑坡體自身與外界物質、信息和能量的交流控制以及環境改造實現協同穩定。

表6 滑體減載重量及比例計算結果表

4 結 語

(1)對于不同發展階段的邊坡，應充分分析滑坡漸進破壞模式(推移式或前進式)，在滑坡受力狀態分析基礎上確定經濟、合理、安全的削坡方量和削坡位置。

(2)在分析滑坡破壞模式基礎上，對不同發展階段滑坡段選取不同的滑帶力學參數，利用傳遞系數法的思想，借助局部安全系數法，逆向計算條塊的剩余下滑力，可更加真實地反映推移式滑坡各段的實際情況，并準確的評價其穩定性和為不同滑坡分段提供具體的加固處理措施。

(3)該文削方減載方案設計與劉忠玉等優化設計方案結果比較一致，這在一定程度上表明在進行削方減載設計時考慮滑坡漸進破壞模式及滑帶力學參數空間的差異性方是合理的且可靠的。