石寮水庫(kù)高邊坡滑塌成因及抗剪強(qiáng)度參數(shù)反演分析

胡昌文，韋 彬，戴智穎

深圳市綜合交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 深圳 518003

高邊坡高度較高，規(guī)模較大，且往往出現(xiàn)在地形地質(zhì)條件復(fù)雜的區(qū)域，如果沒有受到足夠的重視，容易導(dǎo)致各種病害的發(fā)生。因此，高陡邊坡的穩(wěn)定問題成為工程建設(shè)中的常見問題，正確地認(rèn)識(shí)和分析其工程地質(zhì)和巖石力學(xué)特性，對(duì)工程結(jié)構(gòu)的可行性和經(jīng)濟(jì)效益起著至關(guān)重要的作用[1]。

邊坡穩(wěn)定性分析的首要前提是獲得巖土體的力學(xué)參數(shù)，其中黏聚力和摩擦角的選取是關(guān)鍵問題[2-3]。各種確定參數(shù)取值的方法中，反分析方法可以在分析過程中考慮滑坡體實(shí)際受到的內(nèi)、外部作用因素，獲得綜合性更好的參數(shù)反演值[4]，因此，該方法被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐中。聶林等[5]以萬梁高速上一個(gè)具體滑坡為例，構(gòu)建了室內(nèi)大型地質(zhì)力學(xué)模型，進(jìn)而對(duì)參數(shù)反演的方法和步驟進(jìn)行了介紹，通過對(duì)比理論分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性。劉光華等[6]基于FLAC 3D軟件，通過編寫強(qiáng)度折減法進(jìn)行了抗剪強(qiáng)度參數(shù)反演，并將分析結(jié)果與極限平衡法分析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。徐志華等[7]結(jié)合正交試驗(yàn)、遺傳算法等，通過構(gòu)建安全系數(shù)的等值線圖，對(duì)楔形體的結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行了反演。趙洪彬等[8]結(jié)合正交設(shè)計(jì)等多種方法，構(gòu)建了高邊坡巖體力學(xué)反分析模型，與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證了該方法的可行性。萬黎明等[9]采用數(shù)值模擬方法，提出了一種無須假定滑動(dòng)面的參數(shù)反演方法，并以黃土高邊坡為例進(jìn)行了案例分析。

基于以上考慮，文章以石寮水庫(kù)高邊坡滑塌的工程實(shí)例為例，通過分析滑坡的成因、工程地質(zhì)情況，采用極限分析有限元方法對(duì)其滑動(dòng)面強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行反分析，并給出加固建議，可為類似條件下滑坡分析、加固與防護(hù)以及現(xiàn)場(chǎng)施工提供參考。

1 滑坡抗剪強(qiáng)度參數(shù)反分析方法

滑坡抗剪強(qiáng)度參數(shù)的選取是進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析以及工程處置的關(guān)鍵。目前，抗剪強(qiáng)度參數(shù)的確定主要采用試驗(yàn)法、類比法、經(jīng)驗(yàn)法、反分析方法等[10]。反分析方法根據(jù)滑坡的實(shí)際失穩(wěn)狀態(tài)建立穩(wěn)定性分析模型，由已知的穩(wěn)定狀態(tài)，反算出滑坡的綜合抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值[11-12]。該方法可以在分析過程中考慮滑坡體實(shí)際受到的外部作用因素，獲得綜合性更好的參數(shù)反演值，因此在工程實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。

具體實(shí)施過程中，根據(jù)實(shí)際失穩(wěn)狀態(tài)給定目標(biāo)安全系數(shù)（一般取邊坡的極限平衡狀態(tài)即安全系數(shù)為1.0），以滑坡主滑面建立穩(wěn)定性分析模型，通過調(diào)整抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值，使分析模型的安全系數(shù)等于目標(biāo)安全系數(shù)，從而得到參數(shù)反演值。由于需要確定的抗剪強(qiáng)度參數(shù)包括黏聚力（c）和摩擦角（φ）兩個(gè)參數(shù)，為了避免人為給定其中某一個(gè)參數(shù)取值，往往選取2個(gè)滑坡斷面建立分析模型。通過設(shè)置安全系數(shù)為1.0，得到2條c-φ曲線，由c-φ曲線的焦點(diǎn)確定參數(shù)反演值（見圖1）。

圖1 抗剪強(qiáng)度參數(shù)反分析示意圖

2 石寮水庫(kù)高邊坡工程背景及滑塌成因

2.1 石寮水庫(kù)高邊坡概況

石寮水庫(kù)高邊坡位于龍崗區(qū)銅鑼徑水庫(kù)北面的山體，屬丘陵地貌，起止里程K20+840～K20+960，位于線路右側(cè)，邊坡長(zhǎng)120m、寬70m，邊坡最大高度為33m，滑坡面積約3500m2，為一級(jí)高邊坡（見圖2）?；瑒?dòng)區(qū)域?qū)偾鹆甑孛玻露燃s60°。邊坡已滑移，后緣下挫高度為2m，處于不穩(wěn)定狀態(tài)（見圖3）。

圖2 邊坡全景示意

圖3 滑坡后緣下挫

2.2 工程地質(zhì)條件

為了準(zhǔn)確掌握邊坡的工程地質(zhì)條件，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)滑坡區(qū)域進(jìn)行了勘探。根據(jù)勘探結(jié)果得到地層信息，由上而下分為4層。

（1）人工填土層（Qml）。素填土：褐黃、褐灰、褐紅色，稍濕，松散～稍密狀，主要由黏性土組成，含少量碎石。該層整個(gè)場(chǎng)地僅ZK5、ZK11、ZK13等3個(gè)鉆孔見及，層厚0.50～ 1.20m。

（2）第四系坡積層（Q4dl）。粉質(zhì)黏土：褐紅、黃色、稍濕，可～硬塑，不均勻，含較多礫粒。該層整個(gè)場(chǎng)地僅DBZK69、DBZK70（ZK7）、ZK12等3個(gè)鉆孔見及，層厚1.00～2.20m。

（3）第四系殘積層（Q4el）。粉質(zhì)黏土：褐紅、黃色，稍濕，可～硬塑，不均勻，含較多礫粒。該層整個(gè)場(chǎng)地僅ZK12鉆孔見及，層厚2.70m。

（4）石炭系砂巖（C1）。該層為測(cè)水組巖層，堅(jiān)硬巖類，具有層狀構(gòu)造，根據(jù)風(fēng)化程度分為以下情況。①全風(fēng)化砂巖：灰褐色，原結(jié)構(gòu)基本破壞，巖芯呈硬土柱狀，巖質(zhì)松軟，遇水崩解。該層整個(gè)場(chǎng)地僅ZK2、DBZK70（ZK7）、ZK10～ZK13等6個(gè)鉆孔見及，厚度為2.00～9.10m。②強(qiáng)風(fēng)化砂巖：黃褐、灰褐、褐紅色，巖芯呈半巖半土狀，原結(jié)構(gòu)可辨，裂隙發(fā)育，風(fēng)化不均勻，軟硬交替，間夾中風(fēng)化巖塊。該層整個(gè)場(chǎng)地僅ZK2、ZK4～ZK6、ZK10～ZK13、DBZK69、DBZK70（ZK7）等10個(gè)鉆孔見及，厚度為2.10～18.60m。③中風(fēng)化砂巖：灰褐、青灰色，巖芯呈短柱塊狀、塊狀，巖質(zhì)較為新鮮堅(jiān)硬，裂隙發(fā)育，風(fēng)化不均勻，呈軟硬交替狀，間夾強(qiáng)風(fēng)化巖塊。該層整個(gè)場(chǎng)地僅ZK2、ZK4～ZK6、ZK10～ ZK13、DBZK69、DBZK70（ZK7）等10個(gè)鉆孔見及，此層厚度為1.90～16.60m。④微風(fēng)化砂巖：灰褐、青灰色，巖芯呈柱狀，巖質(zhì)新鮮堅(jiān)硬，裂隙發(fā)育，錘擊聲脆。該層整個(gè)場(chǎng)地僅DBZK69等1個(gè)鉆孔見及，揭露厚度為5.20m。

2.3 石寮水庫(kù)高邊坡滑坡成因

通過現(xiàn)場(chǎng)勘探和分析發(fā)現(xiàn)，該邊坡主要屬?gòu)?qiáng)風(fēng)化巖質(zhì)邊坡，邊坡巖體類型為Ⅳ類，風(fēng)化深度大，地質(zhì)測(cè)繪未發(fā)現(xiàn)對(duì)邊坡較大影響的地質(zhì)構(gòu)造?？刂聘哌吰路€(wěn)定性的巖土層及結(jié)構(gòu)面主要為強(qiáng)風(fēng)化砂巖及其層理面，巖層產(chǎn)狀為352°～355°∠54°～62°。

根據(jù)組成高邊坡巖土介質(zhì)空間分布與邊坡坡面傾向、傾角關(guān)系（邊坡設(shè)計(jì)坡向28°），判斷本邊坡原有結(jié)構(gòu)產(chǎn)狀為順向坡，穩(wěn)定性較差，極易變形破壞。由于基巖風(fēng)化深度大，邊坡巖體呈類土質(zhì)狀，原有結(jié)構(gòu)面由于風(fēng)化作用使其對(duì)邊坡穩(wěn)定性的控制作用受到極大弱化，判斷邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)的主要成因是開挖卸載及強(qiáng)降水入滲引起巖土體材料強(qiáng)度參數(shù)弱化，容重增加是主要誘發(fā)因素。

3 抗剪強(qiáng)度參數(shù)反演分析與加固設(shè)計(jì)建議

3.1 抗剪強(qiáng)度參數(shù)反演分析

為了獲取滑坡的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，以供加固設(shè)計(jì)參考，選取該邊坡典型斷面K20+920和K20+900滑動(dòng)后的幾何形狀建立分析模型（見圖4、圖5），利用極限分析有限元方法進(jìn)行參數(shù)反分析。

圖4 K20+920斷面圖（單位：m）

圖5 K20+900斷面圖（單位：m）

根據(jù)滑坡失穩(wěn)后的穩(wěn)定狀態(tài)，假設(shè)滑動(dòng)后坡體處于極限狀態(tài)，即目標(biāo)安全系數(shù)為1.0，通過修改抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值，利用極限分析有限元方法使分析模型的安全系數(shù)結(jié)果為1.0，得到K20+920斷面和K20+900斷面的c-φ曲線（見圖 6）。

圖6 K20+920斷面和K20+900斷面c-φ曲線

由圖6可知，2個(gè)斷面的c-φ曲線相交于一點(diǎn)，即當(dāng)強(qiáng)度參數(shù)取該點(diǎn)所代表的參數(shù)值時(shí)，2個(gè)不同斷面均處于極限平衡狀態(tài)。根據(jù)反分析原理，該交點(diǎn)取值即為反分析結(jié)果，因此取滑動(dòng)后坡體滑動(dòng)面的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別為c=34kPa、φ=12.5°。根據(jù)K20+920斷面和K20+900斷面建立模型，代入反演得到的參數(shù)值進(jìn)行穩(wěn)定性分析得出相應(yīng)的結(jié)果（見圖7）。

圖7 基于反演參數(shù)的邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果

采用反演參數(shù)值進(jìn)行計(jì)算得到K20+900斷面安全系數(shù)為0.994，K20+920斷面安全系數(shù)為0.973，表明滑坡處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，極易發(fā)生滑動(dòng)，與實(shí)際失穩(wěn)的情況相符。由此，證明參數(shù)反演值較為合理，可以用于后續(xù)分析。

3.2 滑坡處治加固設(shè)計(jì)

通過上述分析可知，該高邊坡屬于順向坡，為了提高坡體穩(wěn)定性，可分級(jí)分段放坡開挖，利用錨桿、格構(gòu)梁并輔以坡面植被支護(hù)。同時(shí)，應(yīng)避免雨季施工，必須做好邊坡的地表、地下水排水措施，邊坡坡頂需設(shè)置山坡截水溝，坡面設(shè)計(jì)排水孔，平臺(tái)設(shè)置平臺(tái)排水溝，開挖時(shí)應(yīng)做好相關(guān)應(yīng)急處理邊坡預(yù)案。施工時(shí)可結(jié)合監(jiān)理工程師意見，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整，根據(jù)巖體質(zhì)量、節(jié)理裂隙的發(fā)育情況變化，及時(shí)做好動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和信息化施工工作。主要包括以下內(nèi)容：

（1）抗滑樁采用鉆孔樁，樁徑為1200mm，樁頂通長(zhǎng)設(shè)置800mm×1400mm鋼筋混凝土冠梁。

（2）樁間板：樁間設(shè)置18cm厚擋土板，與抗滑樁通過植筋錨固連接。

（3）伸縮縫設(shè)置：沿坡面縱向每30m左右設(shè)置一道，縫寬為20mm，內(nèi)填塞瀝青麻絮或?yàn)r青木板，沿內(nèi)外頂三方填塞深度不小于15cm。

（4）泄水孔設(shè)置：泄水孔采用φ100mmPVC管，間距按3m×3m梅花形布設(shè)，要求最下一排泄水孔高出常水位30cm以上。

（5）錨索采用Φ15.24mm（1860MPa）高強(qiáng)度、低松弛鋼絞線編制。

4 結(jié)論

文章通過對(duì)石寮水庫(kù)高邊坡的地質(zhì)條件、滑坡成因、參數(shù)反演等進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）該邊坡主要屬?gòu)?qiáng)風(fēng)化巖質(zhì)邊坡，邊坡巖體類型為Ⅳ類，控制高邊坡穩(wěn)定性的巖土層及結(jié)構(gòu)面主要為強(qiáng)風(fēng)化砂巖及其層理面，且該邊坡巖體呈半巖半土狀，雖然結(jié)構(gòu)面由于風(fēng)化作用使其對(duì)邊坡穩(wěn)定性的控制作用受到弱化，但其仍然是主要控制因素。

（2）采用極限分析有限元方法基于失穩(wěn)后滑坡斷面對(duì)其滑動(dòng)面強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行反分析，獲得了滑動(dòng)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值。

（3）該高邊坡屬于順向坡，為了提高坡體穩(wěn)定性，建議分級(jí)分段放坡開挖，利用錨桿、格構(gòu)梁并輔以坡面植被支護(hù)。