某山體滑坡穩定性分析及加固設計

張 坤 （安徽省建筑工程質量第二監督檢測站，安徽 合肥 230031）

1 引言

山體常因暴雨、降雨等自然因素而發生滑動，引發既有建筑的損傷，甚至引起工程事故發生[1]。山體邊坡穩定性的分析方法已有很多的理論方法，主要有極限平衡法、極限分析法及以有限元為代表的各種數值方法。在國內外工程領域，幾乎所有的工程規范都是首選與必選極限平衡法。極限平衡法原理簡單、計算方便，可以給出非常直觀的邊坡穩定性指標——安全系數，有利于工程技術人員應用；近百年的國內外工程實踐的經驗積累，為極限平衡法繼續應用提供了極為豐富的參照。因此對于目前及將來的工程實踐，極限平衡法仍是主流的邊坡工程計算與設計的理論基礎[2]。在所有條分法中，Morgenstern-Price（M-P）法[3]和嚴格Janbu法[4]是廣泛采用的嚴格條分法，也是最為著名的基于一般形狀滑動面的穩定性計算方法。

眾多學者也對山體滑坡進行了穩定性分析與加固設計，并取得了一定的研究和實踐成果。如吳洋和蔣雯[5]采用GEO5軟件對南京市具體工程山體滑坡進行了穩定性分析，建立了預警系統，提出了相應的治理措施；朱慧[6]基于全新剪應力本構模型對黃堰塘滑坡進行了穩定性分析，并提出具體治理措施；吳曄和吳柳東[7]基于可靠度理論對巴東縣學堂坪滑坡進行穩定性分析；梁利紅[8]利用Janbu條分法對中層大型土質滑坡進行穩定性分析，揭示了該滑坡的成因；李曉等[9]分析了雞尾山滑坡的發生機制。本文針對具體的工程案例，首先對既有擋土墻進行抗滑移和抗傾覆穩定性進行復核驗算，后采用朱大勇學者所提出的臨界滑動場的M-P法[2]對危險滑坡的三個最危險斷面進行穩定性分析，并根據擋土墻驗算結果和穩定性分析結果對滑坡進行加固設計并提出具體的加固措施，為該山體滑坡安全穩定提供技術方案和理論指導。

2 工程概況

某山體位于浙江省某知名寺廟的東、南及北側（圖1），呈環狀，坡度整體大于30°，山體坡面高程33m～55m；據勘察資料和現場踏勘，邊坡地層主要為粉質黏土加碎石、強風化凝灰巖和中風化凝灰巖；根據室內巖石試驗和已有勘察資料，巖土體的物理力學參數見表1所示。

圖1 邊坡地形圖

物理力學參數表 表1

寺廟初建時已設置砌塊重力式擋土墻（兼護坡）（圖2），形成環形屏蔽，有效地解決了巖體風化、地層滑坡等地質災害。該山體于2007年因暴雨其東北側發生表層土層滑坡，但未造成經濟損失；隨后在發生滑坡區域設置匯水溝和排水溝，擋土墻頂部附近設置截洪溝，截洪溝接入城市排水管網，形成地表排水的排水管網[10]。根據近10年的使用情況，表面巖土體未發生二次滑坡，處理效果良好。但由于擋土墻年代久遠以及已有加固措施已無法滿足現行規范要求，需對該山體邊坡進行穩定性分析和加固設計。

圖2 重力式擋土墻實照

3 穩定性分析

3.1 擋土墻穩定性驗算

根據現場踏勘及原始記錄，該重力式擋土墻平均墻高10m，頂寬約1m，底寬為4m，墻后巖土體重度取19.5kN/m3，巖土體與擋墻墻背摩擦角取17.5°，擋墻底面傾角取8°，擋墻底與地基巖體摩擦系數取0.65，擋墻填充材料為毛石，重度取24kN/m3。根據《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330-2013）[11]相關規定，對該擋墻進行抗滑移和抗傾覆穩定性驗算，分別按下式計算：

式中，Fs為抗滑移穩定系數，Ea為每延米主動土壓力，μ為擋墻底與地基巖土體的摩擦系數，G為自重，其余符號詳見《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330-2013）[4]。

式中，Ft為抗傾覆穩定系數，b為擋墻地面水平投影系數，x0為擋墻中心到墻趾的水平距離，Z為巖土壓力作用點到墻踵的豎直距離，其余符號詳見《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330-2013）[4]。

計算結果詳見表2所示。

穩定性驗算結果 表2

由表2可見，該擋墻的抗滑移和抗傾覆穩定系數分別為3.7649和1.9359，均滿足規范要求；但因年代久遠，擋墻表面的毛石縫隙之間出現孔隙、部分區域出現微裂紋等損傷（圖2），因此需對其進行加固處理，具體詳見第四節。

3.2 邊坡穩定性分析

選取該山體三個最危險斷面，主要采用LB系列邊坡穩定性分析軟件中的臨界滑動場M-P法進行穩定性分析計算[2]，LB系列巖土軟件是由寧波六波巖土環境科技有限公司研發的面向土木、交通、水利、市政工程等領域開發的專業分析軟件（在此感謝寧波六波巖土環境科技有限公司提供的LB系列邊坡穩定性分析軟件和朱大勇學者科研團隊給予本文的支持和幫助）。

采用臨界滑動場的M-P法，分別考慮地下水和無地下水兩種工況，對三個最危險斷面（編號斷面1、斷面2和斷面3）其進行穩定性分析，計算結果如圖3～圖5所示。

圖3 斷面1的計算結果

圖4 斷面2的計算結果

圖5 斷面3的計算結果

由圖3～圖5可見，不考慮地下水工況下，斷面1、斷面2和斷面3的安全系數分別為1.187，1.267和1.519；考慮地下水工況下，其安全系數分別為1.007、1.102和1.037；可見，不考慮地下水工況下，斷面1的安全系數小于1.25，斷面2和斷面3的安全系數均大于1.25；但考慮地下水作用，該山體邊坡的三個斷面穩定性系數均小于1.25，則處于不穩定狀態。考慮到寺廟所處地理位置位于我國南方地區，地下水豐富且每年均經歷多次臺風暴雨，因此需對該滑坡進行相應的加固設計，以確保滑坡的穩定性和安全性。

4 加固設計及措施

該山體呈環狀且整體坡度大于30°，山體表層土在降雨、雨水浸泡等因素的影響下，易于發生滑坡。山體發生滑坡的最大誘因是雨水的作用，特別是減少山體表層泥土在雨水浸泡下自重增加發生泥石流災害風險。具體做法：防止地表雨水進入滑坡區，可在滑坡邊緣外3～5m范圍處設置截水溝，并在滑坡區內坡面修筑排水溝；清理已有截水溝和排水溝溝槽，保證排水順暢；另一方面，1999年在建設期已修建砌塊重力式擋土墻來保證邊坡穩定。從使用至今來看，擋土墻上發現裂縫現象，需要修補和加固，采用擋墻處錨桿和格構梁加固方案。因此，本文結合工程現狀，主要從2個方面針對性進行加固治理：采用邊坡截、排水治理以消除和減輕雨水的危害以及針對現有擋土墻，在擋墻處錨桿格構梁加固，以加固現有擋土墻。具體如下。

4.1 邊坡排水設計

該邊坡發生滑坡的最大誘因是降水。具體措施：如圖6所示，在易發生滑坡區外側及滑坡中部分別設置一道C30混凝土截水溝，沿線路方向每隔10m設伸縮縫一道，縫寬0.02m，縫內用瀝青麻筋全斷面填塞；利用東側擋土墻上已有一條排水溝進行改擴建為C30混凝土截水溝，形成長期穩定的有組織的排水，減少地表自由雨水對擋土墻及邊坡的沖刷，從而有效地減少山體表層泥土層因雨水浸泡引起泥石流、山體滑坡及擋土墻失穩現象。

圖6 截水溝平面布置

對于截排水溝的具體斷面尺寸，需要對其進行計算設計，設計標準按50年一遇24h最大降雨量不漫溢、不淤設計；根據《暴雨強度計算標準》（DNJ/T13）中有關該寺廟所在地的暴雨設計公式計算出暴雨強度為2500L/s·hm2；根據截排水溝平面布置統一為二級截面設計，截排水溝過水斷面設計流量按匯水流量的1.2倍計：Ⅰ級截面的最大匯水面積6000m2，最大匯水流量為 1.3m3/s；設計流量1.5m3/s：Ⅱ級截面的最大匯水面積3800m2，最大匯水流量為 0.8m3/s；設計流量0.96m3/s：截面設計中截水溝縱坡率統一取0.05，混凝土砌塊底面的粗糙系數n取值為0.017，安全超高取0.15m。

通過計算得到兩級截、排水溝斷面尺寸為Ⅰ級：底寬0.8m，開口寬1.2m，深0.7m；Ⅱ級：底寬0.65m，開口寬1.0m，深0.6m；其中Ⅰ級截水溝長度為181m；Ⅱ級截水溝長度為232m。

4.2 擋墻錨桿加固

采用錨桿+格構梁+深部排水孔綜合措施對既有擋墻進行加固，其加固長度總計66m，如圖7所示；其中1-1剖面位置15m區域布置3排錨桿，2-2剖面33m范圍布置2排錨桿，3-3剖面18m范圍布置3排錨桿。具體如下：

圖7 擋墻加固治理布置圖

①長錨桿桿體采用HRB400級Φ28螺紋鋼筋，開孔直徑不小于90mm，孔深應長于錨桿300mm，注漿采用水泥靖江或水泥砂漿；

②設置縱橫連續梁，設計梁截面500×500mm，C30混凝土澆筑，縱橫梁間距與錨桿間距和排距保持一致，縱橫梁節點即為錨桿的錨頭位置，框架梁布置間距為3×3m；

③深部排水孔采用直徑100mm的PVC管，仰斜6°布置，頭部外伸長度超過坡體表面至排水溝處不小于80mm；插入坡體內管體按照50mm排距，每排鉆4個孔徑15mm透水孔，梅花形布設，管底及透水孔均用土工布包扎。

5 結論

針對某寺廟東、南和北側環形山體，對既有擋土墻進行抗滑移和抗傾覆穩定性驗算，得到其穩定性滿足現行規范要求；采用臨界滑動場的M-P法對危險滑坡的三個危險斷面進行穩定性分析，結果表明，不考慮地下水工況下，三個斷面對應的安全系數分別為1.187，1.267和1.519；考慮地下水工況下，其安全系數分別為1.007、1.102和1.037，判定穩定性不滿足要求；在穩定性評價基礎上提出采用錨桿+格構梁+深部排水孔綜合措施，保證了該山體的穩定性和寺廟的安全性。