基于Slide軟件對邊坡穩(wěn)定性分析

羅衛(wèi)民

(貴州大學(xué) 國土資源部喀斯特環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室，貴陽 550075)

滑坡是常見的地質(zhì)災(zāi)害形式，自2008年以來，由于學(xué)校為擴大教學(xué)設(shè)施，向?qū)W校南西面擴建，進行了挖山切方。由于切方高度較高，切坡坡度較陡，長期以來邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。為確保學(xué)校師生的生命財產(chǎn)安全，需及時對學(xué)校后方邊坡進行治理。

1 地質(zhì)環(huán)境概述

邊坡位于云貴高原東南坡向廣西丘陵過渡地帶，場區(qū)地貌類型為溶蝕峰叢谷地地貌，谷地平緩開闊。區(qū)內(nèi)地形起伏大總體地勢北高南低，東西高，中部低，最高點位于西北側(cè)山頂，海拔高程約808 m；最低點位于中部溝谷，海拔高程約735.3 m，相對高差72.7 m，地形坡度25°～35°。不穩(wěn)定斜坡位于位于學(xué)校教學(xué)樓后側(cè)山體，距離學(xué)校約5～8 m，斜坡高度約10～15 m，斜坡坡度約70～80°，坡頂植被覆蓋較好。坡體因人工開挖，各巖、土層裸露，斜坡類型為巖土質(zhì)滑坡。

1.1 地質(zhì)條件

1.1.1 地層巖性

根據(jù)地面調(diào)查和勘探及搜集有關(guān)區(qū)域地質(zhì)資料，調(diào)查區(qū)出露的主要地層由新至老分別為：第四系殘坡積層(Qel+dl)和二疊系上統(tǒng)吳家坪-長興組(P3w-ch)。

第四系殘坡積土(Qel+dl)基本覆蓋大部分場地，偶見缺失，厚0～5 m，表層多為耕植土，結(jié)構(gòu)松散，其下為粉質(zhì)黏土、碎石土，土層底部多為基巖面的風化碎石。

二疊系上統(tǒng)吳家坪-長興組(P3w-ch)上部為中-厚層燧石團塊灰?guī)r，中部為泥巖、砂巖，下部為中厚-厚層狀含燧石結(jié)核灰?guī)r。

1.1.2 水文地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)多屬風化帶網(wǎng)狀裂隙水，而深部則賦存微弱的層間裂隙水，多具分散排泄的特點。根據(jù)滑坡區(qū)的巖性和地下水的賦存形式、富集情況及水力特征，將地下水劃分為第四系孔隙水、基巖裂隙水兩類。

松散巖類孔隙水：賦存于第四系(Q4)殘坡積層的孔隙內(nèi)，零星分布，富水性弱。第四系松散堆積結(jié)構(gòu)松散，接受大氣降水補給后，基底若為碎屑巖隔水巖層，有利于地下水富集,地下水往往在與基巖接觸帶匯集、運移，土體長期受浸泡而軟化，力學(xué)強度大大降低，滑坡地帶土體常因此失穩(wěn)產(chǎn)生滑坡。另一方面，其孔隙小，地下水流速慢，常形成大的動、靜水壓力，對滑坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。其富水性差。

基巖裂隙水：主要賦存于二疊系上統(tǒng)吳家坪-長興組(P3w-ch)的燧石團塊灰?guī)r、泥巖、砂巖、燧石結(jié)核灰?guī)r。富水性微弱～中等。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)所在區(qū)域大地構(gòu)造位置處于揚子準臺地黔南臺陷之貴定南北向構(gòu)造變形區(qū)，巖層單斜產(chǎn)出，巖層產(chǎn)狀243°∠11°。調(diào)查區(qū)在區(qū)域上地震基本烈度值為Ⅵ度，地震動峰加速度為0.05 g，屬地殼穩(wěn)定區(qū)域。

2 滑坡體特征

2.1 滑坡體形體特征及規(guī)模

滑坡形態(tài)大致為圓弧形，滑坡范圍主要根據(jù)滑坡體裂縫確定，滑坡體發(fā)育高程760～763 m，滑坡體總長為26 m，平均南北寬為65 m，面積約1 690 m2，根據(jù)現(xiàn)有的鉆探揭露，滑體厚約8～12 m，體積約16.9×1 000 m3，滑坡主滑方向為72°，規(guī)模分級屬小型(圖1)。

圖1 滑坡范圍及主滑方向

2.2 滑坡體物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)特征

2.2.1 滑 體

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及鉆探情況，分布于整個坡頂，每個鉆探孔均揭露到，揭露厚度3.8～6.2 m，淺鉆探孔揭露平均厚度為5.3 m，呈褐黃色，主要由粉質(zhì)黏土及全風化砂巖組成；土質(zhì)不均，表層粉質(zhì)黏土含量高，底部多為全風化碎石，結(jié)構(gòu)松散，含碎石50%～60%，碎石一般粒徑為2.0～6.0 cm，成分為砂巖為主。由于土體發(fā)生蠕動變形，改變原土體結(jié)構(gòu)，多呈松散～稍密狀，稍濕。

2.2.2 滑 面

根據(jù)目前鉆探結(jié)果以及滑坡特征，坡體巖體風化強度高，為強風化砂巖，物理力學(xué)強度低，故推測滑坡體主要為圓弧滑動?；婵傮w呈圓弧。

2.2.3 滑 床

滑床主要為二疊系上統(tǒng)吳家坪-長興組(P3w-ch)灰?guī)r，巖層產(chǎn)狀250°∠13°，灰?guī)r體較完整，中厚層狀構(gòu)造，屬硬質(zhì)巖組，滑床總體平整，局部彎曲。由于灰?guī)r產(chǎn)狀逆傾，巖體較完整，故不取芯做實驗。

2.3 滑坡成因分析

滑坡主要為強風化巖體滑坡，由于下部失穩(wěn)，加上長期降雨，雨水滲入坡體沿下伏基巖面滑動。由于人類活動的頻繁及近來氣候不規(guī)律的變化加之當?shù)鼐用耖_挖“切腳”而未支擋，引起表層覆蓋層滑動。

綜上所述，現(xiàn)對滑坡進行定性分析：

1) 地表及地下水對滑帶土的控制作用。雨季地表水下滲，附近滑帶土含水量相對較高，便其抗剪能力大大降低，滑坡就沿巖層界限發(fā)生。

2) 滑坡巖體，結(jié)構(gòu)破碎，部分黏土填充，故黏性較差，質(zhì)地疏松。若遇降雨雨水多數(shù)被其吸收，加大了滑坡體的自重。

3) 氣候因素。連降大雨，增加其下滑力，減小其抗滑力。

4) 因當?shù)鼐用裥拗课?，對滑坡進行“切腳”，切坡較陡，使坡體失穩(wěn)滑動，是滑坡滑動的直接誘因。

3 穩(wěn)定性分析及評價

邊坡穩(wěn)定性計算采用畢肖普條分法，分別以傳統(tǒng)計算方法和Slide軟件計算分析，然后對這兩種方法的計算結(jié)果作出比較與評價。

3.1 計算工況及剖面

通過地質(zhì)調(diào)查、勘查、分析表明，該滑坡將沿強風化及中風化交界面滑動，綜合確定滑坡的滑動帶(面)近似呈圓弧型，滑坡區(qū)荷載主要為斜坡自重。因此選取天然、飽水兩種工況來計算，即工況Ⅰ：采取自重，模擬天然狀態(tài)；工況Ⅱ：采取自重+暴雨，模擬飽水狀態(tài)。

計算剖面為1-1′，2-2′，3-3′，剖面布置情況見平面圖2。

圖2 工程地質(zhì)剖面及鉆孔布置圖

3.2 參數(shù)選擇及穩(wěn)定性計算

由于滑體為強風化砂巖巖體破碎，與實驗數(shù)據(jù)相差較大，通過室內(nèi)試驗取得的物理力學(xué)參數(shù)，與現(xiàn)場實際情況相差較大。依據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330-2013)，經(jīng)過參數(shù)反演計算取得物理力學(xué)參數(shù)為：取粉質(zhì)黏土天然狀態(tài)下重度為19.8 kN/m3，黏聚力為35.68 kPa，內(nèi)摩擦角為17.15°；飽水狀態(tài)下為重度為20.6 kN/m3，黏聚力為31.54 kPa，內(nèi)摩擦角為15.21°。取砂巖天然狀態(tài)下重度為25 kN/m3，黏聚力為30.0 kPa，內(nèi)摩擦角為28°；飽水狀態(tài)下重度為25.8 kN/m3，黏聚力為27 kPa，內(nèi)摩擦角為26°。

3.2.1 傳統(tǒng)計算方法

根據(jù)畢肖普圓弧穩(wěn)定系數(shù)(Ks)及滑坡推力(Pi)計算公式和《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330-2013)及相關(guān)規(guī)范進行計算。

滑坡穩(wěn)定系數(shù)計算公式：

式中，F(xiàn)s為滑坡穩(wěn)定性系數(shù)；ci為第i條塊滑面的粘聚力，kPa；φi為第i條塊滑面的內(nèi)摩擦角，(°)；li為第i條塊滑動面的長度，m；θi為第i條塊滑面傾角，(°)，反傾時取負值；Gi為第i條塊自重，kN/m；Ui為第i條塊滑面單位寬度總水壓力，kN/m；Gbi為第i條塊單位寬度豎向附加荷載，kN/m；Qi為第i條塊單位寬度水平荷載，kN/m；γw為水重度，取10 kN/m3，kN/m；n為條塊數(shù)量。

各剖面的穩(wěn)定系數(shù)、穩(wěn)定狀態(tài)及滑坡推力結(jié)果列于表1。

3.2.2 Slide計算分析

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查、勘查以及鉆探揭露情況，按照地質(zhì)資料及勘查報告，使用Slide軟件對邊坡進行建模，然后對所建立的模型進行分析計算，得出最危險滑動面的安全系數(shù)。根據(jù)傳統(tǒng)計算方法得知，剖面2-2′的穩(wěn)定系數(shù)最低。因此，現(xiàn)以剖面2-2′為例進行建模，Slide計算結(jié)果見圖3。

表1 各剖面穩(wěn)定性計算結(jié)果表

3.3 計算結(jié)果對比分析

根據(jù)傳統(tǒng)計算結(jié)果得知，該邊坡在天然工況下處于基本穩(wěn)定；在強降雨飽水工況下處于欠穩(wěn)定-不穩(wěn)定狀態(tài)?，F(xiàn)對剖面2-2′邊坡穩(wěn)定系數(shù)進行討論，運用傳統(tǒng)計算方法在天然工況下得到的穩(wěn)定系數(shù)為1.02，飽水工況下得到的穩(wěn)定系數(shù)為0.95；而運用Slide軟件進行計算分析，得到的穩(wěn)定系數(shù)分別為1.02和0.94。在天然工況下得到的系數(shù)是一致的，在飽水工況的情況下，Slide計算結(jié)果偏小，主要是由于Slide軟件計算采用的方法是搜索算法，在已建好的模型中搜索穩(wěn)定性系數(shù)最小的滑面；而傳統(tǒng)的計算方法則是通過給定的幾個滑弧來計算穩(wěn)定性系數(shù)并取小值得到的。在計算方法上，兩者是相同的，但是Slide的搜索更嚴格，而傳統(tǒng)方法的搜索比較粗糙，因此就會出現(xiàn)Slide的計算結(jié)果比傳統(tǒng)計算方法小的情況。

圖3 未支護邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果

4 滑坡治理建議

根據(jù)勘查區(qū)滑坡的規(guī)模和地形地貌等因素以及Slide軟件推測的最危險滑動面，對滑坡進行針對性的治理。既要治理已受損地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀，又要防止地質(zhì)災(zāi)害的繼續(xù)發(fā)展，從根本上消除該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害體村民、公路、行人、車輛的威脅，確保人民的生命財產(chǎn)安全。

在不影響滑坡周圍建筑前提下，預(yù)計采用“格構(gòu)錨桿工程+截排水溝工程”方案進行工程治理。根據(jù)Slide軟件計算得出的最危險滑動面并使用軟件模擬錨桿加固方案，進一步分析穩(wěn)定系數(shù)，模擬結(jié)果見圖4。

支護方式為末端式錨定，錨定能力為100 kN。第一級錨桿長為12 m，間距3 m，入射角度為20°；第二級錨桿長為9 m，入射角度為20°；第三級錨桿長為6 m，入射角度為20°。

由圖4中可以看出，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)有了較大幅度的提升。天然工況以達到穩(wěn)定狀態(tài)，飽水工況處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但是結(jié)合截水溝，擋墻等方式進行治理，應(yīng)可達到穩(wěn)定狀態(tài)，整體治理方案見圖5。

Slide軟件可以對所建邊坡進行支護模擬并計算其穩(wěn)定系數(shù)，可為工程治理提供良好的建議，減少工程支出，得到最優(yōu)的解決方案。但是支護手段較為單一，無法完全模擬所有的治理手段或方案，今后可在此方面進行提升和改良。

圖4 支護后邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果

圖5 滑坡治理方案工程平面圖

5 結(jié) 論

1) 該滑坡為強風化巖質(zhì)滑坡，由于下部開挖切坡而未支擋導(dǎo)致失穩(wěn)，加之長期降雨，雨水滲入坡體沿下伏基巖面流動，對滑坡的產(chǎn)生形成有利的條件。

2) Slide軟件在使用畢肖普條分法計算邊坡穩(wěn)定系數(shù)時，搜索方法更嚴格，與傳統(tǒng)計算方法相比結(jié)果偏小，得到的結(jié)果較為可靠。但是無法有效反映材料之間復(fù)雜的本構(gòu)關(guān)系，因此需盡可能結(jié)合其他數(shù)值模擬方法加以綜合考慮。

3) Slide軟件能為工程治理方案提供良好的選擇，在不同支護方案之間作對比，可在較大程度上降低工程造價。