復(fù)雜地質(zhì)水庫(kù)邊坡滑動(dòng)帶的強(qiáng)度參數(shù)反演及其穩(wěn)定性研究

譚文帥，李雙龍

(1.湖南省水利工程協(xié)會(huì)，湖南長(zhǎng)沙410007；2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410075)

滑坡作為一種典型的重大地質(zhì)災(zāi)害，其影響范圍廣，破壞力極強(qiáng)[1]。因環(huán)境因素變化(如暴雨、地震等)引發(fā)邊坡垮塌事故屢屢發(fā)生，邊坡穩(wěn)定性研究及其防治措施一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的經(jīng)典巖土工程問(wèn)題[2]。巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)對(duì)于邊坡穩(wěn)定性分析極其重要，一般采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)和參數(shù)反演等手段[3]來(lái)獲取巖土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。然而現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)存在經(jīng)費(fèi)投入大、試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)等諸多缺點(diǎn)，室內(nèi)試驗(yàn)精度同樣受試樣擾動(dòng)性、取樣隨機(jī)性等因素影響，越來(lái)越多學(xué)者采用參數(shù)反演手段獲取巖土體的強(qiáng)度參數(shù)[4]，參數(shù)反演不僅經(jīng)濟(jì)同時(shí)所獲得的強(qiáng)度參數(shù)也滿足工程精度要求。

針對(duì)邊坡穩(wěn)定性強(qiáng)度參數(shù)反演方面的分析，已取得較多成果：石崇等[5]采用三維極限平衡方法反算出了瀾滄江古水水電站整崗滑坡堆積體底滑參數(shù)；楊秀萍[6]對(duì)水布埡面板堆石壩的材料參數(shù)進(jìn)行反演，從壩體穩(wěn)定角度研究了大壩的安全性問(wèn)題；李騫[7]等通過(guò)有限元方法對(duì)巖質(zhì)高邊坡進(jìn)行了參數(shù)敏感性反演分析；章朝峰[8]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)結(jié)果對(duì)水電站邊坡進(jìn)行了參數(shù)反演；劉超[9]對(duì)黃土高邊坡的抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行了反演分析，并評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性。

可見(jiàn)，盡管針對(duì)不同邊坡進(jìn)行參數(shù)反演的成果較多，但對(duì)復(fù)雜地質(zhì)水庫(kù)邊坡的參數(shù)反演研究并不多見(jiàn)。復(fù)雜地質(zhì)水庫(kù)邊坡因其覆蓋層厚、地質(zhì)巖層多及坡度較陡等特點(diǎn)一直成為邊坡治理的難點(diǎn)。本文采用Morgenstern-Price法對(duì)長(zhǎng)江中下游某水庫(kù)復(fù)雜地質(zhì)邊坡滑帶強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行反演，基于反演參數(shù)，分析水庫(kù)蓄水深度、抗滑樁加固及開(kāi)挖削坡減載等工況對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響，進(jìn)而為復(fù)雜水庫(kù)邊坡的安全加固治理研究提供參考。

1 邊坡強(qiáng)度參數(shù)反演分析方法

采用參數(shù)反演法對(duì)邊坡抗滑強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行分析要滿足2個(gè)條件：①確定邊坡滑動(dòng)面，并且此滑動(dòng)面作為邊坡臨界滑動(dòng)面；②確定滑動(dòng)面在此狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的反演安全系數(shù)。目前采用的參數(shù)反演分析方法主要有：極限平衡分析方法、有限元法及有限差分法等。極限平衡分析方法將滑坡體分成條塊狀，計(jì)算抗力與荷載的比值，由此得到安全系數(shù)，主要包括Janbu法、簡(jiǎn)化Bishop法及Morgenstern-Price法等方法，而有限元法及有限差分法將整體的無(wú)限問(wèn)題離散成形狀各異的單元體，通過(guò)求解單元體的有限方程來(lái)獲得整體的數(shù)值解，基于有限元法的強(qiáng)度折減法能夠在考慮巖土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的同時(shí)求解邊坡體的安全系數(shù)。本文采用的是極限平衡法中較成熟的Morgenstern-Price法[10]對(duì)滑坡滑帶黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ進(jìn)行反演，Morgenstern-Price法較Janbu法的優(yōu)點(diǎn)是Morgenstern-Price法能處理任意形狀的滑下面，特別適用于復(fù)雜地質(zhì)水庫(kù)邊坡的穩(wěn)定性分析。

2 復(fù)雜水庫(kù)邊坡的強(qiáng)度參數(shù)反演

2.1 工程概況

研究對(duì)象為長(zhǎng)江中下游某水庫(kù)一大型復(fù)雜地質(zhì)邊坡，邊坡前緣與水庫(kù)岸坡之間為階地，階面高程435～455 m、寬度約300～400 m、地形平坦開(kāi)闊，階地內(nèi)側(cè)山體地形坡度一般為15°～35°，其中局部為陡坎，邊坡坡面總體走向約290°，局部轉(zhuǎn)為近東西向，傾向北，地形坡度20°～35°，局部沖溝側(cè)坡可達(dá)40°以上，相對(duì)高差約210 m，邊坡全景見(jiàn)圖1。

圖1 邊坡全景

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，從正常蓄水2 a后，滑坡體開(kāi)始出現(xiàn)滑移變形，高邊坡位置出現(xiàn)少量拉裂縫，后經(jīng)大量地質(zhì)鉆孔勘探，最后證實(shí)位于滑坡覆蓋層堆積體和基巖分界面有一粉質(zhì)黏土滑動(dòng)帶存在，見(jiàn)圖2紅線標(biāo)識(shí)。初步認(rèn)為該邊坡產(chǎn)生滑移的主要原因?yàn)椋盒钏畬?dǎo)致滑坡體巖土體地下水位上升，有效應(yīng)力降低，加上邊坡后緣滑帶以上覆蓋層巖土體的推力作用，進(jìn)而導(dǎo)致滑坡體覆蓋層整體向庫(kù)區(qū)滑移，為了進(jìn)一步確定滑動(dòng)帶當(dāng)前滑移狀態(tài)的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，通過(guò)反演手段結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合獲取。

圖2 邊坡典型地質(zhì)巖層剖面示意

2.2 計(jì)算模型

參數(shù)反演需要建立合理模型。以滑坡體最不利二維剖面建立反演計(jì)算模型。本文采用巖土邊坡二維計(jì)算軟件Slide以滑坡體最不利二維剖面建立反演計(jì)算模型，對(duì)復(fù)雜地質(zhì)水庫(kù)滑帶的強(qiáng)度參數(shù)黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ進(jìn)行反演計(jì)算，計(jì)算模型材料屬性分區(qū)包括人工填土層、滑動(dòng)帶(粉質(zhì)黏土層)、沖洪積層(河道淤泥粉質(zhì)黏土)、殘坡積(粉質(zhì)黏土夾碎石層)、崩坡積(崩、塊碎石夾粉土層)、強(qiáng)風(fēng)化基巖(泥巖)及中風(fēng)化基巖(泥巖)。對(duì)于已經(jīng)確定滑動(dòng)面的滑坡，利用Slide可以指定滑動(dòng)面進(jìn)行穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算，本文分析邊坡指定滑動(dòng)面為折線形式。計(jì)算模型見(jiàn)圖3?？紤]滑坡體內(nèi)部地下水的影響，根據(jù)鉆孔水位高程設(shè)置地下水位，反演計(jì)算庫(kù)水位高程為380 m。參考地質(zhì)勘查報(bào)告，各巖土層基本參數(shù)取值見(jiàn)表1。

圖3 Slide參數(shù)反演計(jì)算模型

表1 反演模型基本參數(shù)

2.3 反演狀態(tài)的確定

反分析狀態(tài)的合理確定直接影響到參數(shù)反分析結(jié)果的合理性。根據(jù)滑坡體現(xiàn)場(chǎng)地表裂縫分布及裂縫特征、地表變形和深層變形的空間分布，結(jié)合DL/T 5337—2006《水電水利工程邊坡工程地質(zhì)勘察技術(shù)規(guī)程》表C.2[11]給出的滑坡各發(fā)育階段變形特征描述，最終確定該滑坡體處于蠕動(dòng)階段，其穩(wěn)定系數(shù)為1.00～1.05。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查，同時(shí)考慮邊坡三維空間的富余安全性，綜合確定反演安全系數(shù)為1.05。

2.4 參數(shù)反演

取滑動(dòng)帶黏聚力c反演計(jì)算范圍8～40 kPa(每間隔4 kPa反演計(jì)算一次)，內(nèi)摩擦角反演計(jì)算范圍8°～15°(每間隔1°反演計(jì)算一次)。圖4為黏聚力c=20 kPa、φ=10°計(jì)算方案下的安全系數(shù)示意，各方案反演計(jì)算過(guò)程見(jiàn)表2。

圖4 c=20 kPa、φ=10°計(jì)算安全系數(shù)

由表2可知，在內(nèi)摩擦角反演計(jì)算中，每增加1°，則安全系數(shù)增加約0.08，增幅約為8%，而黏聚力每增加4 kPa，安全系數(shù)增加約0.012，增幅約為1.5%?？梢?jiàn)在該邊坡的強(qiáng)度參數(shù)反演敏感性計(jì)算中，內(nèi)摩擦角的敏感度要比黏聚力更強(qiáng)，內(nèi)摩擦角的取值對(duì)反演參數(shù)合理性的影響更大。

表2 強(qiáng)度參數(shù)反演過(guò)程

圖5給出了各黏聚力與內(nèi)摩擦角反演計(jì)算過(guò)程曲線。由圖可知，在給定不同黏聚力值的情況下，隨著內(nèi)摩擦角的增大，安全系數(shù)的變化規(guī)律基本一致。繪出1.05安全系數(shù)直線，經(jīng)過(guò)插值可得到反演計(jì)算后得到的滑動(dòng)帶強(qiáng)度參數(shù)，同時(shí)綜合滑動(dòng)帶取土室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)最終確定內(nèi)摩擦角10.4°，黏聚力22 kPa，基于反演強(qiáng)度參數(shù)可對(duì)該邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)一步分析。

圖5 c和φ敏感性分析曲線

3 基于反演參數(shù)的穩(wěn)定性分析

通過(guò)以上強(qiáng)度參數(shù)反演計(jì)算得到了該邊坡滑動(dòng)帶強(qiáng)度參數(shù)，為了進(jìn)一步分析環(huán)境變化對(duì)該邊坡穩(wěn)定性的影響以及考察后期工程治理措施的效果，分別研究不同蓄水深度、不同抗滑樁布置形式以及開(kāi)挖削坡對(duì)該邊坡穩(wěn)定性影響規(guī)律。

3.1 蓄水深度對(duì)安全系數(shù)影響規(guī)律

建立以下4種工況：gk1為天然河床水位未蓄水，gk2為蓄水水位高程360 m，gk3為正常蓄水位高程380 m驟降10 m (地下水位來(lái)不及變化)，gk4為正常蓄水位高程380 m加暴雨(地下水位升高2 m)。分別對(duì)上述4種工況進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。由表可知，在天然未蓄水情況下，滑坡體內(nèi)地下水位相比蓄水后要低，因此整個(gè)滑坡體偏向穩(wěn)定，安全系數(shù)為1.076；而隨著蓄水深度的增加安全系數(shù)逐漸降低，在正常蓄水位高程380 m加上暴雨工況，邊坡安全系數(shù)僅為1.029，其主要原因?yàn)樾钏氨┯旯r下地下水位升高，滑坡體巖土體孔隙水壓力增加，有效應(yīng)力降低，進(jìn)而增加失穩(wěn)的可能性。

表3 不同工況計(jì)算結(jié)果

3.2 抗滑樁布置方式對(duì)安全系數(shù)影響規(guī)律

針對(duì)該邊坡出現(xiàn)的滑移現(xiàn)象，為了防止其變形加劇，必須采用工程措施對(duì)其進(jìn)行安全加固。目前針對(duì)邊坡加固整治措施，主要方法包括：①擋土墻；②抗滑樁；③施加金屬錨桿(索)；④添加護(hù)坡等措施。顯然，該邊坡由于主滑動(dòng)帶較深，處于覆蓋層與基巖交界面，在地面以下70～90 m處，并不適合建立擋墻，同時(shí)覆蓋層主要為松散崩坡積黏土夾碎石，基巖裂隙發(fā)育，金屬錨桿也不適用。該邊坡擬采用的加固措施為：在該邊坡后緣較陡位置設(shè)立多排抗滑樁，每排抗滑樁寬度1 m，抗滑樁深度穿過(guò)滑動(dòng)帶交界面位置，抗剪強(qiáng)度為1.2 MPa?？疾觳煌够瑯恫贾眯问綄?duì)安全系數(shù)的影響，建立3種布置形式見(jiàn)圖6，依據(jù)這3種不同布置形式建立不同計(jì)算方案，其計(jì)算結(jié)果安全系數(shù)見(jiàn)表4。

圖6 3種抗滑樁布置形式

計(jì)算方案安全系數(shù)僅①布置形式1.052僅②布置形式1.053僅③布置形式1.053①+②布置形式1.055①+③布置形式1.055②+③布置形式1.056

由安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果(表4)可知，采用①形式抗滑樁進(jìn)行加固，較邊坡反演狀態(tài)，安全系數(shù)只增加了0.002，采用②、③形式安全系數(shù)增加了0.003，可見(jiàn)②、③形式位置的滑坡土體形成的向下推力要更大，主要是由于此部位滑動(dòng)帶上部覆蓋層坡度較陡所致。當(dāng)采用2種形式同時(shí)布置時(shí)，最佳組合形式為②+③布置形式，比邊坡原始狀態(tài)安全系數(shù)增加了0.006。總體來(lái)說(shuō)，由于滑坡體量較大，產(chǎn)生向下滑移推力巨大，設(shè)立抗滑樁并沒(méi)有顯著效果，同時(shí)也并不經(jīng)濟(jì)，抗滑樁深度大也導(dǎo)致施工困難。

3.3 開(kāi)挖削坡對(duì)安全系數(shù)影響規(guī)律

根據(jù)該滑坡的滑移模式，滑坡滑移的主要原因?yàn)榛麦w后緣較陡巖土體產(chǎn)生巨大推力，結(jié)合水庫(kù)蓄水引起的地下水位上升等因素致使滑坡體產(chǎn)生階段性滑移變形。由此進(jìn)一步確立了通過(guò)開(kāi)挖削坡方式來(lái)提高該邊坡安全穩(wěn)定的加固辦法。開(kāi)挖削坡是指對(duì)邊坡后緣坡度大的邊坡巖土體進(jìn)行開(kāi)挖，降低邊坡下滑力達(dá)到增加邊坡安全性的目的。對(duì)該邊坡采用開(kāi)挖削坡的處理方式進(jìn)行加固，圖7為開(kāi)挖后的邊坡示意。對(duì)開(kāi)挖后的邊坡進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8。

由圖8可知，開(kāi)挖削坡后的邊坡安全系數(shù)達(dá)到1.262，較邊坡反演狀態(tài)安全系數(shù)增加了0.212，增幅約為20%。根據(jù)DL/T 5337—2006《水電水利工程邊坡工程地質(zhì)勘察技術(shù)規(guī)程》表C.2中所述，該邊坡在開(kāi)挖削坡后安全系數(shù)為1.262，處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，可見(jiàn)開(kāi)挖削坡對(duì)該邊坡安全加固作用效果明顯。

圖7 開(kāi)挖削坡示意

圖8 開(kāi)挖削坡計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

本文采用二維極限平衡分析方法Morgenstern-Price法對(duì)長(zhǎng)江中下游某水庫(kù)復(fù)雜地質(zhì)邊坡滑動(dòng)帶強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行反演，基于反演參數(shù)，研究了蓄水深度、抗滑樁加固布置形式及開(kāi)挖削坡減載等工況對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響，得到以下結(jié)論。

a) 該復(fù)雜地質(zhì)水庫(kù)邊坡強(qiáng)度參數(shù)反演計(jì)算表明，滑動(dòng)帶強(qiáng)度參數(shù)內(nèi)摩擦角為10.4°，黏聚力為22 kPa，并且內(nèi)摩擦角的敏感度要比黏聚力更強(qiáng)，內(nèi)摩擦角的取值對(duì)反演參數(shù)合理性的影響更大。

b) 邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)隨著水庫(kù)蓄水深度增加而降低。在正常蓄水位+暴雨工況，該邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.029，因此，有必要在滑坡體內(nèi)做好排水設(shè)施以防強(qiáng)降雨期間滑坡體進(jìn)一步滑移。

c) 設(shè)立抗滑樁對(duì)該邊坡的安全加固作用沒(méi)有顯著效果，而開(kāi)挖削坡對(duì)提高該邊坡安全穩(wěn)定作用效果明顯，開(kāi)挖削坡后的邊坡安全系數(shù)達(dá)到1.262，較邊坡反演狀態(tài)安全系數(shù)增加了0.212，增幅約為20%，處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。