基于點(diǎn)安全系數(shù)法的大型堆積體變形滑坡穩(wěn)定性分析

牟 琦 邵 江 楊 濤 張 磊 陳懷林

(1.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 成都 610041; 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院 成都 61000)

位于西南地區(qū)峽谷山區(qū)的大型堆積體滑坡，由于成因復(fù)雜，其堆積物質(zhì)成分多樣，多為土巖混合堆積，其滑移界面也多為碎石、角礫土。由于現(xiàn)階段鉆探取樣技術(shù)限制，難于取到一定數(shù)量具有代表性的土樣，獲得相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)，準(zhǔn)確分析相應(yīng)的滑坡體穩(wěn)定性[1]。而滑坡穩(wěn)定性的確定是進(jìn)行滑坡災(zāi)害分析評(píng)價(jià)和制定有效防治措施的基礎(chǔ)。

隨著工程實(shí)踐的大量應(yīng)用，邊坡穩(wěn)定性分析方法也得到了長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展。數(shù)值模擬分析或剛體極限平衡法，均是在確定擬滑面的基礎(chǔ)上進(jìn)行穩(wěn)定性分析確定，但穩(wěn)定性分析的準(zhǔn)確性依賴于參數(shù)的準(zhǔn)確性[2-5]。

對(duì)于滑坡的治理措施是以對(duì)滑坡現(xiàn)狀的把握為基礎(chǔ)的，對(duì)于正在變形的邊坡，多依靠勘察設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)滑坡的變形特征，定性判定滑坡現(xiàn)階段的大致穩(wěn)定程度，并結(jié)合滑坡的地質(zhì)特征和試驗(yàn)成果，綜合判定滑坡的穩(wěn)定性。

根據(jù)變形特征來(lái)初判滑坡的穩(wěn)定性難度較大，不同的學(xué)者和工程技術(shù)人員，會(huì)給出不同的結(jié)果，王浩等[6]建議劃分為蠕動(dòng)階段(1.05

如何對(duì)滑坡的變形特征從定性轉(zhuǎn)化為定量，通過(guò)對(duì)整個(gè)滑坡體的變形特征進(jìn)行深入細(xì)致地分析，與坡體的局部穩(wěn)定性相結(jié)合，以提升處于變形階段滑坡的穩(wěn)定性分析準(zhǔn)確性具有較好的工程意義。本文采用點(diǎn)安全系數(shù)法[8-9]，用于輔助整個(gè)滑坡的穩(wěn)定性分析，不僅能夠分析出邊坡的失穩(wěn)狀態(tài)和滑面位置，還能很好地反映邊坡的局部穩(wěn)定性。

下面以沙壩2號(hào)滑坡的穩(wěn)定性分析為例進(jìn)行說(shuō)明。

1 滑坡的工程地質(zhì)特征

沙壩2號(hào)滑坡位于雜谷腦河右岸，滑坡長(zhǎng)約370 m、寬約240 m，滑坡前后緣高差約260 m，平均厚度約15 m，總方量約130萬(wàn)m3。G317線K853+200段附近從滑坡體下部穿過(guò)。滑坡區(qū)地形切割劇烈，山高谷深。河谷呈寬緩V形河谷，自然坡度一般為30°～35°。邊坡中上部植被發(fā)育。

滑坡體高程分布2 425～2 980 m，為土質(zhì)斜坡。滑坡體下部主要地層巖性為中生界三疊系新都橋組(T3x)千枚巖、板巖夾薄層砂巖。據(jù)臨近工點(diǎn)鉆孔揭示，坡表覆蓋層厚度15～27 m，由全新統(tǒng)崩坡積層(Q4c+dl)碎、塊石土組成。

1994年夏季暴雨后，沙壩2號(hào)滑坡坡表出現(xiàn)側(cè)向及后緣裂縫，側(cè)裂縫最寬時(shí)達(dá)20 cm，后緣裂縫水平位移達(dá)60 cm，垂直錯(cuò)位達(dá)4.2 m，局部坍塌。分析認(rèn)為當(dāng)時(shí)該滑坡誘發(fā)條件為暴雨及滑體中部水溝中的地表水下滲，整體處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。2004年對(duì)該滑坡進(jìn)行了勘察，揭示滑坡體覆蓋層厚約13～25 m，土體成分為含碎石、礫石土，松散～中密，潮濕，遇水極易發(fā)生蠕滑。G317左側(cè)坡體下部及滑坡體前緣坡腳未見(jiàn)明顯變形和破壞痕跡，坡腳II級(jí)階地保留完好，說(shuō)明此滑坡下部是穩(wěn)定的。G317左側(cè)坡體上部覆蓋層在有地下水、暴雨及路塹開(kāi)挖臨空情況下發(fā)生蠕滑變形。2020年，經(jīng)治理后的滑坡再次發(fā)生坡體變形，出現(xiàn)拉裂縫、錯(cuò)臺(tái)、坡面溜滑、抗滑樁推出及前緣臌脹變形特征，滑坡變形范圍影像見(jiàn)圖1。

圖1 沙壩2號(hào)滑坡及坡表裂縫變形范圍影像圖

本文以沙壩滑坡2號(hào)變形體為例，現(xiàn)場(chǎng)鉆取巖土試樣測(cè)試滑帶抗剪強(qiáng)度參數(shù)，依據(jù)典型剖面建立地質(zhì)力學(xué)模型，采用點(diǎn)安全系數(shù)法來(lái)分析滑坡的安全系數(shù)，從而推斷滑坡的滑動(dòng)機(jī)理，并與實(shí)地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，為滑坡治理工作提供參考。

2 滑坡的變形特征

2.1 裂縫分布特征

2號(hào)滑坡整體變形明顯，現(xiàn)處于蠕滑變形階段，由于變形體右前緣公路外側(cè)高擋墻和左前緣公路內(nèi)側(cè)擋墻結(jié)構(gòu)破壞，對(duì)其內(nèi)側(cè)土體的支擋能力明顯降低，在不利因素作用下可能進(jìn)一步發(fā)生變形破壞；加之滑坡體本身局部下錯(cuò)明顯，使得斜坡土體可能沿高陡擋墻臨空面推移剪出，引起進(jìn)一步滑移。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的裂縫進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，并根據(jù)裂縫的發(fā)育密度和分布位置，進(jìn)行分區(qū)的劃分。

公路右側(cè)邊坡上發(fā)育3條走向近平行的裂縫：裂縫L1位于斜坡下部，可見(jiàn)長(zhǎng)度延伸約13 m，寬5～10 cm，可見(jiàn)深度約0.5 m；裂縫L2可見(jiàn)長(zhǎng)度約8 m、寬約15 cm，下錯(cuò)約20 cm；裂縫L3可見(jiàn)長(zhǎng)度約15 m、寬度15～20 cm，下錯(cuò)高度約25 cm。

根據(jù)滑坡的坡表裂縫的分布特征，表明滑坡現(xiàn)階段處于蠕滑擠壓階段，將平面圖分為3個(gè)區(qū)域(見(jiàn)圖1)，分別為上部主動(dòng)推移區(qū)(I區(qū))，中部抗滑區(qū)(II區(qū))，下部剪切變形區(qū)(III區(qū))。

主動(dòng)推移區(qū)(I區(qū))位于滑坡后部，裂縫發(fā)育長(zhǎng)度大，密度高，在勘察期間，可見(jiàn)的長(zhǎng)大顯性裂縫多達(dá)11條，多以張拉裂縫為主，最大可測(cè)裂縫深度達(dá)7 m以上，少量剪切裂縫，且裂縫有明顯的下錯(cuò)，下錯(cuò)高度達(dá)1 m，最長(zhǎng)的為滑坡后緣的邊界裂縫，長(zhǎng)度達(dá)320 m，與臨空方向近平行，與主滑的法向方向相同，具有張拉特性，在5～10 m范圍內(nèi)，平行分布2～3條。

抗滑區(qū)(II區(qū))位于滑坡中部，無(wú)明顯長(zhǎng)大的顯性裂縫，為裂縫的最少分布區(qū)，主要為滑坡兩側(cè)的邊界裂縫，以剪切為主，裂縫方向與主滑方向相同，裂縫兩側(cè)的地表有0.5～1.2 m的高差，也界定了滑坡的分布范圍。

剪切變形區(qū)(III區(qū))位于滑坡下部，裂縫分布較多且短小，長(zhǎng)度多為5～15 m，以與滑坡主滑方向近于平行的裂縫為主，多為剪切和壓張裂縫，裂縫少有下錯(cuò)，除這些相對(duì)短小的裂縫外，此區(qū)在地形相對(duì)較陡處，存在多處表淺的溜滑。

通過(guò)裂縫的分布特征，展示了推移式滑坡的坡表變形特征。在推移區(qū)(I區(qū))，是滑坡最先發(fā)生變形的地方，厚度18～20 m，而變形裂縫的特征主要以張拉為主，方向?yàn)榛品较虻姆ㄏ颍腔麦w抗滑力最早小于下滑力的地方，此段也是最早出現(xiàn)蠕滑變形的區(qū)域；在抗滑區(qū)(II區(qū))屬于坡表變形表現(xiàn)最不明顯的區(qū)域，厚度14～17 m，僅兩側(cè)有下錯(cuò)，一般此區(qū)域的變形主要表現(xiàn)在坡表一定范圍，而滑帶在此區(qū)域尚未完全形成貫通，此時(shí)的抗滑力大于下滑力，故坡表變形較少；前部剪切變形區(qū)，總體厚度較小，厚6～8 m，由于坡體變形產(chǎn)生的下滑推力的傳導(dǎo)，導(dǎo)致此段的整體下滑力略大于下滑力，此區(qū)域存在蠕滑變形。

不同區(qū)域的變形特征說(shuō)明了在滑坡不同區(qū)域變形的差異性，局部變形的差異也說(shuō)明了滑坡體局部不同的穩(wěn)定性，而這種區(qū)域的穩(wěn)定性差異在穩(wěn)定性分析中通常難以體現(xiàn)。

2.2 滑坡的變形監(jiān)測(cè)特征

針對(duì)沙壩滑坡已有變形跡象，對(duì)滑坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)邊坡地表及深部位移、地表裂縫、降雨量、地下水位的監(jiān)測(cè)。2號(hào)滑坡監(jiān)測(cè)工作包括4個(gè)一體化GNSS地表位移監(jiān)測(cè)站，3個(gè)一體化裂縫自動(dòng)監(jiān)測(cè)站。監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布置情況見(jiàn)圖2。

圖2 監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布置圖

對(duì)滑坡的監(jiān)測(cè)始于貫通裂縫逐漸形成的過(guò)程中，在不同分區(qū)所布設(shè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其變形見(jiàn)表1。

表1 滑坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移匯總表

由表1可見(jiàn)，在不同的區(qū)域中，不同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)均有不同的位移，說(shuō)明在觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，周界裂縫出現(xiàn)后，坡體的不同區(qū)域均會(huì)出現(xiàn)一定的位移；在不同區(qū)域的位移存在一定的差異，總體而言，位于I區(qū)的位移大于II區(qū)和III區(qū)，但這種位移大小的差異與監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分布位置相關(guān)，不同的監(jiān)測(cè)手段，其測(cè)試結(jié)果見(jiàn)的數(shù)值大小不具有絕對(duì)的對(duì)比性，因裂縫計(jì)是裂縫變化的相對(duì)值，而位移才是坡表監(jiān)測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)變形值；在I區(qū)的裂縫也要大于II區(qū)的裂縫，結(jié)合圖1說(shuō)明在不僅I區(qū)的裂縫數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于II區(qū)，其裂縫的變形也大于II區(qū)。

3 滑坡滑動(dòng)機(jī)理的點(diǎn)安全系數(shù)分析

本文基于美國(guó)Itasca公司研發(fā)的針對(duì)于巖土體等材料進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)受力分析和塑性流動(dòng)分析的有限差分軟件FLAC3D，引入點(diǎn)安全系數(shù)法進(jìn)行數(shù)值分析。以分析滑坡局部穩(wěn)定性的差異變化。

3.1 點(diǎn)安全系數(shù)基本原理

點(diǎn)安全系數(shù)法分析滑坡體模型的穩(wěn)定性，計(jì)算過(guò)程分為4個(gè)步驟[10-11]。

1) 全計(jì)算域采用彈性本構(gòu)模型，計(jì)算坡體的應(yīng)力場(chǎng)；選用與坡體材料相應(yīng)的本構(gòu)模型計(jì)算坡體實(shí)際的應(yīng)力場(chǎng)。對(duì)比坡體的應(yīng)力場(chǎng)，計(jì)算滑帶單元的位移增量。

2) 在數(shù)值模型計(jì)算、分析過(guò)程中，坡體的一點(diǎn)發(fā)生塑性破壞，僅表示最危險(xiǎn)截面該點(diǎn)的正應(yīng)力與最大剪應(yīng)力服從屈服準(zhǔn)則，坡體的每個(gè)單元在受力發(fā)生變形時(shí)，均受到相鄰單元的約束作用，需要滿足變形協(xié)調(diào)條件。也就是說(shuō)，坡體內(nèi)部的完全塑性屈服僅表示坡體發(fā)生局部破壞，坡體不一定整體失穩(wěn)，邊坡發(fā)生整體失穩(wěn)的一個(gè)充要條件為截面上全部單元垂直于滑面的正應(yīng)力方向與滑動(dòng)方向的剪應(yīng)力均服從屈服準(zhǔn)則。基于這一原理，建立數(shù)值模型，找出滑坡體的位移等值面。

3) 確定滑面的法向量和切向量：計(jì)算位移等值面的法向量n，各坐標(biāo)分量為nx、ny、nz。計(jì)算六面體八節(jié)點(diǎn)的平均位移v，各坐標(biāo)分量為vx、vy、vz。單元的位移矢量在位移等值面的投影S為單元體滑動(dòng)方向，即

S=(n×v)×n

(1)

向量S單位化后，可得到節(jié)點(diǎn)位移矢量在等值面上的滑動(dòng)方向Sx、Sy、Sz，斜截面上的正應(yīng)力在坐標(biāo)軸上的分量為pnx、pny、pnz，計(jì)算滑面的正應(yīng)力σ和剪應(yīng)力τ為

(2)

4) 計(jì)算單元體的抗剪強(qiáng)度與剪切力大小的比值為點(diǎn)安全系數(shù)Fe

(3)

式中：c為巖土體黏聚力，Pa;φ為巖土體內(nèi)摩擦角，(°)。

計(jì)算各點(diǎn)的點(diǎn)安全系數(shù)值，根據(jù)單元體對(duì)應(yīng)的位移等值面面積對(duì)點(diǎn)安全系數(shù)進(jìn)行面積的加權(quán)平均得坡體的整體安全系數(shù)為

(4)

3.2 計(jì)算模型

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)地質(zhì)勘察，對(duì)實(shí)際地質(zhì)情況加以簡(jiǎn)化，確定出滑體范圍、地質(zhì)條件和滑坡的滑面位置，用FLAC3D建立沙壩滑坡的計(jì)算模型，運(yùn)用八節(jié)點(diǎn)六面體網(wǎng)格單元對(duì)全域進(jìn)行離散，劃分出10 131個(gè)單元，14 705個(gè)節(jié)點(diǎn)。再使用FLAC3D內(nèi)置的命令流對(duì)滑體、滑帶、滑床賦予相應(yīng)的物理力學(xué)參數(shù)，參數(shù)結(jié)合地質(zhì)資料與直剪試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果所選取，具體參數(shù)及取值見(jiàn)表2。

表2 巖土體結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)

數(shù)值模型見(jiàn)圖3，滑體水平坐標(biāo)在60～420 m的范圍內(nèi)。

圖3 滑坡數(shù)值模型

3.3 數(shù)值分析

全計(jì)算域采用彈性本構(gòu)模型，運(yùn)用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到滑坡的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，并分析滑坡的穩(wěn)定性。初始狀態(tài)得到的坡體總位移疊加了坡體自然狀態(tài)的彈性變形與塑性破壞時(shí)的位移分量，因此在強(qiáng)度折減前應(yīng)當(dāng)初始化模型的總位移為0，再對(duì)滑帶的抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減。當(dāng)折減系數(shù)取到一定值時(shí)，滑坡位移云圖見(jiàn)圖4。

圖4 滑坡位移云圖(單位：m)

由圖4可知，滑坡整體處于持續(xù)變形中，變形最大位移區(qū)域位于滑體頂部，其次變形較大段位于滑坡下部，中部變形相對(duì)較弱。圖4結(jié)果與現(xiàn)階段的變形有較好的對(duì)應(yīng)。

運(yùn)用FLAC3D內(nèi)置的fish語(yǔ)言編制點(diǎn)安全系數(shù)計(jì)算程序，依據(jù)滑帶應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算點(diǎn)安全系數(shù)，其分布特征見(jiàn)圖5。

圖5 點(diǎn)安全系數(shù)分布

由圖5可見(jiàn)，上部滑帶(50334)約80 m點(diǎn)安全系數(shù)略小于1.05。點(diǎn)安全系數(shù)在整個(gè)滑帶上呈現(xiàn)出上部最小，中部最大，前部居中的分布特征。對(duì)應(yīng)于滑動(dòng)機(jī)理而言，滑坡體呈現(xiàn)出明顯的推動(dòng)式滑移特征，且以滑體中部為主抗滑段。前部滑體穩(wěn)定性稍差，略具牽引式的滑動(dòng)特征。

就整個(gè)滑坡體而言，利用式(4)計(jì)算得到滑坡的整體穩(wěn)定性系數(shù)為1.041，表明盡管滑坡后部穩(wěn)定性較差，基本處于局部失穩(wěn)狀態(tài)，但滑體中部仍具有一定的抗滑能力，導(dǎo)致整個(gè)滑體尚處于暫時(shí)穩(wěn)定階段，還未形成整體失穩(wěn)。

綜合滑體的位移場(chǎng)(見(jiàn)圖4)和點(diǎn)安全系數(shù)場(chǎng)(見(jiàn)圖5)計(jì)算結(jié)果來(lái)看，滑坡的推動(dòng)式機(jī)理明顯，而中部具備主體抗滑作用。結(jié)合圖1裂縫分區(qū)特征可見(jiàn)，坡體宏觀變形與點(diǎn)安全系數(shù)分布規(guī)律總體上一致，均體現(xiàn)了推動(dòng)式的滑動(dòng)機(jī)理。只是在分區(qū)范圍上，二者有一定的差異。

4 結(jié)語(yǔ)

采用點(diǎn)安全系數(shù)法，以沙壩2號(hào)滑坡的穩(wěn)定性分析為例，可得出以下結(jié)論與建議。

1) 對(duì)于出現(xiàn)變形特征的堆積體滑坡穩(wěn)定性分析，可以現(xiàn)場(chǎng)變形調(diào)查為基礎(chǔ)，在充分掌握地質(zhì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合點(diǎn)安全系數(shù)法對(duì)坡體的局部穩(wěn)定性分析與現(xiàn)場(chǎng)位移表現(xiàn)的對(duì)應(yīng)性，使滑坡的穩(wěn)定性分析更具準(zhǔn)確性。

2) 滑坡體的變形和不同位置的穩(wěn)定性具有空間分布的差異性，在滑坡的穩(wěn)定性分析中需要充分考慮。

3) 點(diǎn)安全系數(shù)法對(duì)于分析滑坡體各部分的空間差異性變化，具有較高的有效性。可以進(jìn)一步探索其在滑坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用和滑坡處治中的應(yīng)用。

本文采用點(diǎn)安全系數(shù)法研究沙壩滑坡的滑動(dòng)機(jī)理，數(shù)值分析結(jié)果與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致，這進(jìn)一步驗(yàn)證了點(diǎn)安全系數(shù)法在滑坡滑動(dòng)機(jī)理研究中的準(zhǔn)確性與實(shí)用性，同時(shí)研究結(jié)果為沙壩滑坡的治理工作提供了一定參考。