滑坡支護設(shè)計的幾個問題的探討

印振華，趙云川，饒傳友

（1.中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650051；2.四川電力設(shè)計咨詢有限責任公司，四川 成都 610041）

20世紀初以來，隨著世界人口的不斷增長、人類活動空間范圍的逐漸擴展和工程活動規(guī)模的不斷加大，大型水電站、高速公路、鐵路等工程越來越多，公路、鐵路工程建設(shè)中遇見了大量的地質(zhì)災害，其中的滑坡災害造成了巨大的人員傷害及財產(chǎn)損失，同時由于受到氣候條件惡劣及人類空間范圍擴大的影響，在巖土工程范疇內(nèi)勢必會繼續(xù)面對滑坡等不良地質(zhì)災害。因此如何正確分析滑坡結(jié)構(gòu)，確定滑坡的參數(shù)，選擇適宜的支擋結(jié)構(gòu)組合，計算支擋結(jié)構(gòu)的抗力等，勢必是作為巖土工程師繼續(xù)關(guān)注的焦點。

在滑坡設(shè)計計算中，大量的人為反演參數(shù)和參數(shù)調(diào)整對測試成果產(chǎn)生多樣性、代表性、空間變形性等的影響，不同的人員對于同一個滑坡計算的剩余下滑力不盡相同。本文就滑坡支護設(shè)計中剩余下滑力計算比較關(guān)心的兩三個點：安全系數(shù)與可靠度、剩余下滑力計算、動態(tài)支護設(shè)計，進行較為淺略的介紹，希望越過復雜的問題，簡單地解決問題。并以一、二工程案例為參考計算案例，供大家評判指正。

1 安全系數(shù)與可靠度

在我國，結(jié)構(gòu)可靠性問題的研究始于1950年代中期，于1984年提出《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一標準》，這一標準采用國際上正在發(fā)展和推行的以概率統(tǒng)計理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計方法。1985年建筑科學研究院會同建工、鐵道、公路、港工、水工等五大部門聯(lián)合，開始編制全國的“工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準”。同時，鐵路工程結(jié)構(gòu)、公路工程結(jié)構(gòu)、港口工程結(jié)構(gòu)、水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準均相繼編制。

用荷載效應(yīng)S和抗力R表示的結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)方程為：

當R和S均符合正態(tài)分布的條件下：

表1 可靠度與失效概率的關(guān)系

當功能函數(shù)為Z=R-S，R和S分別服從對數(shù)正態(tài)分布時，中值安全系數(shù)k0與可靠指標的關(guān)系為：

中值安全系數(shù)只與基本變量的平均值有關(guān)，而可靠性指標不但與基本變量的平均值有關(guān)，而且與基本變量的標準差或變異系數(shù)相關(guān)，即與基本變量跟均值的離散程度相關(guān)。安全系數(shù)沒有概率意義。

表2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)的設(shè)計可靠指標

永久邊坡工程（一般工況）安全等級一級、二級、三級穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.35、1.30、1.25。

采用前述公式計算：當中值安全系數(shù)為1.30，可靠度指標為3.2時，抗力和下滑力的變異系數(shù)的組合值為0.08。

這里可假設(shè)下滑力為定值，抗滑力主要由抗剪強度控制，根據(jù)大量的試驗研究成果可知，滑動面的等效內(nèi)摩擦角的標準差一般在2°～5°左右，這里取值2°，分析在中值安全系數(shù)下的可靠度。

由圖1可知：當?shù)刃?nèi)摩擦角為30°的時候，滑坡中值安全系數(shù)條件下的剩余下滑力滿足可靠度3.2的要求，當?shù)刃?nèi)摩擦角度小于30°時，由于變異系數(shù)的增大，會導致可靠度直線下降；因此若是采用試驗或經(jīng)驗值計算參數(shù)時，由于標準差一致的情況下，低角度下工程風險勢必加大。

圖1 等效內(nèi)摩擦角與可靠度的關(guān)系

2 滑坡剩余下滑力計算公式推導

滑坡的剩余下滑力計算是滑坡支擋設(shè)計的關(guān)鍵，對工程造價影響大。在這里我們可以將滑坡穩(wěn)定系數(shù)計算公式內(nèi)的參數(shù)分為形狀參數(shù)、強度參數(shù)、力學參數(shù)；采用高精度測量和合理適量的勘探工作可降低參數(shù)的變異系數(shù)；滑坡的力學參數(shù)主要包括外力參數(shù)和重力參數(shù)，這些量值也是可以被較為準確地測量和計算的；而對剩余下滑力影響較大的是滑坡的強度參數(shù)，強度參數(shù)主要為粘聚力和內(nèi)摩擦角，這兩個參數(shù)主要表現(xiàn)在空間上的變異性，不同測試手段或不同測試人員的測試成果存在較大差異性，因此在現(xiàn)有的知識水平、方法手段上很難降低強度參數(shù)的變異性；

無論是圓弧形滑動面、平面滑動面、還是折線型滑動面計算滑坡的穩(wěn)定系數(shù)，均是采用了形狀系數(shù)、力學參數(shù)和強度參數(shù)；而我們基于滑坡狀態(tài)的反算的過程，推算出不同的強度參數(shù)，再正向計算剩余下滑力，這里僅以平面滑動邊坡的剩余下滑力計算公式推導為例。

從上述平面滑動公式可知，抗滑力受到形狀參數(shù)、力學參數(shù)和強度參數(shù)的組合影響，而滑動力僅僅受形狀參數(shù)和力學參數(shù)的影響。

這樣計算的剩余下滑力可靠度有待驗證，因此就需要測試滑坡土體的強度參數(shù)，看是否有弱化或強化的可能，由此需要分析力學參數(shù)是否有增加或減小的可能?；聫姸葏?shù)的最關(guān)鍵影響因素就是水的作用，因此需做好水對滑坡強度參數(shù)影響的控制，采用建議的剩余下滑力計算和根據(jù)力學參數(shù)調(diào)整的局部修正可滿足滑坡支擋設(shè)計的需要。

3 動態(tài)支護設(shè)計

動態(tài)設(shè)計需要大量的監(jiān)測、技術(shù)人員投入等，且具有一定的風險性，因此動態(tài)支護設(shè)計需要人員技術(shù)水平高，且投入技術(shù)成本大，一般適用于大型或超大型滑坡。

4 工程案例

（1）川東某紅層軟弱夾層滑坡。由于形狀參數(shù)和力學參數(shù)的變異系數(shù)組合肯定可滿足小于0.08，因此計算剩余下滑力可為（1.35-1.00）＊3500=1225kN/m，即使考慮巖體滑坡可能為脆性破壞，將可靠度指標取值調(diào)整為3.7，組合變異系數(shù)按照0.08計算，滑坡的穩(wěn)定安全系數(shù)提高0.05后，計算剩余下滑力為（1.40-1.00）＊3500=1400kN/m。

（2）某公路邊坡滑坡。某老滑坡主軸長約155m，寬約110m，滑坡平均厚度約17m，體積約25萬方左右，滑坡系以灰?guī)r為母巖的崩坡積、坡洪積體。

采用狀態(tài)計算一般工況剩余下滑力：

表3 一般工況下的剩余滑力

從該工程案例可知：采用反算強度參數(shù)計算的剩余下滑力與采用本文建議的基于狀態(tài)的剩余下滑力計算結(jié)果基本一致。

5 結(jié)論

本文通過對滑坡支擋設(shè)計較為重要的安全系數(shù)及剩余下滑力的分析和推導得出以下幾點結(jié)論：

（1）滑坡的強度參數(shù)受試驗取樣、實際空間差異性等因素的影響，變異性大，滑坡采用安全系數(shù)方法不能完全保證工程安全，建議采用可靠度理論作為滑坡設(shè)計的依據(jù)；

（2）滑坡的剩余下滑力的計算中，建議避開變異系數(shù)大的強度參數(shù)，采用基于狀態(tài)的剩余下滑力計算公式，同時建議參考規(guī)程規(guī)范對該部分進行調(diào)整；

（3）大型和超大型滑坡的動態(tài)設(shè)計其實是對形態(tài)的調(diào)整，經(jīng)濟性與風險性并存；

（4）巖質(zhì)滑坡可靠度指標建議按照結(jié)構(gòu)的脆性破壞取值，同理可適量提高中值安全系數(shù)；

（5）工程案例表面采用新的計算公式計算剩余下滑力可實現(xiàn)過程清晰，結(jié)論簡單可靠；

（6）本文所提供的思路可為滑坡支護設(shè)計提供借鑒。