基于TM和SRM的滑坡穩(wěn)定性分析及防治研究

張?jiān)撇?，王建收，張鐘遠(yuǎn)

（1.中化地質(zhì)礦山總局貴州地質(zhì)勘查院，貴州 貴陽 550000；2.青島地質(zhì)工程勘察院，山東 青島 266000；3.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650000）

滑坡作為一種常見的地質(zhì)災(zāi)害，往往威脅人們的生命安全、社會生產(chǎn)等，造成一系列經(jīng)濟(jì)損失以及人員傷亡[1]。因此有必要對滑坡災(zāi)害進(jìn)行工程防治，而對滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析是防治的前提。許多學(xué)者在滑坡穩(wěn)定性及其防治領(lǐng)域作了大量研究。呂文斌等[2]以西寧市張家灣滑坡為研究對象，在進(jìn)行充分現(xiàn)場調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合極限平衡法和有限元法，研究了滑坡的形成機(jī)理、發(fā)展過程和剪出口位置，定量評價了該滑坡在天然工況、暴雨工況和地震工況3種不同工況條件下的穩(wěn)定狀態(tài)。董建輝等[3]以梅子坪滑坡為研究對象，通過現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，對滑坡影響因素、變形機(jī)制、破壞模式及穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。黃剛等[4]通過查明滑坡區(qū)的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查及勘探成果，分析該滑坡變形特征、影響因素及形成演化過程，并采用Midas GTS NX有限元分析軟件對滑坡在暴雨工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。杜文舉等[5]以陜西-黃土滑坡為例，利用有限差分法FLAC-3D軟件對在自然和暴雨條件下黃土滑坡的變形進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

本文以石阡縣桐木灣滑坡為研究對象，通過野外地質(zhì)調(diào)查，對該滑坡的特征及影響因素進(jìn)行分析，基于極限平衡的傳遞系數(shù)法和有限元的強(qiáng)度折減法對其進(jìn)行穩(wěn)定性對比分析，并進(jìn)行防治措施對比分析，為該滑坡的防治提供科學(xué)有力的依據(jù)。

1 滑坡特征

石阡桐木灣滑坡全貌及滑坡主軸面分別如圖1、圖2所示?；w主滑方向?yàn)?52°，南北縱長約102 m，東西橫寬約103 m，滑坡面積約0.007 7 km2，滑體厚約2~3 m，滑體滑坡方量約為2.4×104m3。該滑坡后緣位于緩坡地帶，前緣有一溪溝，地表表現(xiàn)為地面及房屋開裂（如圖3），調(diào)查發(fā)現(xiàn)滑體上裂縫L1、L2、L3、L4、L5都為張拉裂縫，且L3裂縫寬度達(dá)4 cm，錯段處還有局部隆起現(xiàn)象，滑坡體土層較薄，基巖為粉砂質(zhì)頁巖，破碎且節(jié)理裂隙發(fā)育?；w主要為殘坡積粉質(zhì)黏土與強(qiáng)風(fēng)化的粉砂質(zhì)頁巖，強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)頁巖破碎且節(jié)理裂隙發(fā)育，孔隙較大，滲水性好?；瑤閺?qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)頁巖與中風(fēng)化粉砂質(zhì)頁巖分界線，巖土破碎，在暴雨情況下巖土參數(shù)下降，為滑坡的形成提供條件?；潞蟊跒閳A弧形，滑坡體上分布不同程度的張拉裂縫，按滑坡性質(zhì)劃分為牽引式滑坡，按滑坡厚度劃分為淺層滑坡?；矠橹酗L(fēng)化粉砂質(zhì)頁巖，基巖穩(wěn)定，滑床為相對隔水層，對滑帶巖土有一定的軟化及侵潤作用。

圖1 滑坡全貌

圖2 滑坡主軸面（A-A'）

圖3 房屋開裂

通過滑坡特征可知，滑體為松散巖土質(zhì)滑坡，滑面為強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)頁巖與中風(fēng)化粉砂質(zhì)頁巖的分界面，呈現(xiàn)為折線型滑動，按滑坡性質(zhì)劃分為堆積層牽引式滑坡。其為松散層、淺層、中型牽引式滑坡，處于蠕變階段。

2 滑坡影響因素分析

該滑坡為推移式滑坡。由于有利滑坡的地形地貌條件、巖層工程性質(zhì)差，修建房屋增加上部荷載以及開挖形成陡坎為滑坡提供臨空面等人類工程活動影響，遇到強(qiáng)降雨且地表排水系統(tǒng)混亂，導(dǎo)致該滑坡的形成。

2.1 不利的地形條件

滑坡體前緣存在一河溝，河溝受河水沖刷切割，左河岸形成一定規(guī)模的臨空面。在暴雨期間，河水流量加大，對其滑坡前緣土體存在一定的沖刷作用?；麦w地形地貌為山地地貌，地貌從高至低呈臺階狀，臺階高度2~3 m，地表臨空面較多，從其地形地貌分析有利于滑坡的形成。

2.2 不利的巖土組合

滑坡體巖土構(gòu)成也是滑坡發(fā)生的間接因素之一，土層較薄，滑坡體巖層破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，滑坡體極有可能沿巖石強(qiáng)風(fēng)化與中風(fēng)化分界線滑動。

2.3 人工活動

由于當(dāng)?shù)鼐用駥Ψ课莸男蘅様U(kuò)建與場地的限制，幾乎每戶都是屋前高填方，屋后高切方，增加了滑體上部荷載及臨空面，加上地表排水的混亂，地表水體下滲到滑坡巖土體中，軟化巖土體，同時受地表水體沖刷作用，增大滑體自身重度，造成滑坡形成。

2.4 極端暴雨氣候

根據(jù)當(dāng)?shù)鼐用穹从?，滑坡發(fā)生前，該區(qū)域連續(xù)降雨，且雨量較大，地表水沖刷滑坡巖土體，增加滑體自身質(zhì)量度，軟化滑帶巖土體抗剪指標(biāo)，造成滑坡形成。

3 穩(wěn)定性分析

3.1 計(jì)算工況及參數(shù)選取

工況Ⅰ為自重+地表荷載，工況Ⅱ?yàn)樽灾?地表荷載+暴雨?；掠?jì)算參數(shù)根據(jù)試驗(yàn)值及反演綜合確定見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)及滑帶參數(shù)

3.2 傳遞系數(shù)法（TM）

3.2.1 計(jì)算模型

滑坡潛在滑帶形態(tài)呈折線型，采用不平衡推力傳遞系數(shù)法計(jì)算滑坡穩(wěn)定性系數(shù)和推力，計(jì)算剖面如圖4所示，按（GB 50330—2013）《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[6]采用折線行滑動法穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算公式：

圖4 計(jì)算剖面

式中：Pn為第n條塊單位寬度剩余下滑力（kN/m）；Pi為第i計(jì)算條塊與第i+1計(jì)算條塊單位單位寬度剩余下滑力（kN/m）；當(dāng)Pi＜0時（i＜n）時取Pi=0；Ti為第i條塊單位寬度重力及其他外力引起的下滑力（kN/m）；Ri為第i計(jì)算條塊單位寬度重力及其他外力引起的抗滑力（kN/m）；ψi-1為計(jì)算條塊對第i計(jì)算條塊的傳遞系數(shù)。

3.2.2 計(jì)算結(jié)果

在天然狀態(tài)下，滑波穩(wěn)定性系數(shù)為1.169，小于1.20，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。在飽水狀態(tài)下，滑波整體穩(wěn)定性系數(shù)為1.026，小于1.05，大于1.0，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，詳細(xì)結(jié)果見表2。

計(jì)算結(jié)果表明，影響滑坡穩(wěn)定性的主要因素是滑帶強(qiáng)風(fēng)化巖體飽和軟化，強(qiáng)風(fēng)化巖體抗剪強(qiáng)度降低，與現(xiàn)場實(shí)際情況基本一致。

3.3 強(qiáng)度折減法（SRM）

選取滑坡主軸剖面（A-A'剖面）進(jìn)行數(shù)值模擬，采用Midas GTX NX軟件中的強(qiáng)度折減法，將計(jì)算剖面劃分為網(wǎng)格單元，根據(jù)表1參數(shù)取值和表2荷載分布情況，分別模擬工況Ⅰ、工況Ⅱ條件下桐木灣滑坡的穩(wěn)定性。模擬結(jié)果如圖5、圖6所示，工況Ⅰ穩(wěn)定性系數(shù)為1.156，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，工況Ⅱ穩(wěn)定性系數(shù)為1.013，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。強(qiáng)度折減法計(jì)算的穩(wěn)定性系數(shù)比傳遞系數(shù)法較低，強(qiáng)度折減法計(jì)算云圖與調(diào)查顯示的裂縫L1、L3、L4實(shí)際變形情況相吻合。

表2 剖面滑坡折線滑動穩(wěn)定性計(jì)算

圖5 工況Ⅰ（Fs=1.156）

圖6 工況Ⅱ（Fs=1.013）

4 防治措施

根據(jù)防治方案的優(yōu)越性與缺陷，分別從安全性、施工可行性、經(jīng)濟(jì)合理性3個方面進(jìn)行比選。

4.1 安全性

方案一：截排水溝+擋土墻工程是針對滑坡體治理的主動防治方案，其中截排水溝無論采用現(xiàn)澆砼或漿砌片石修筑，其施工安全性風(fēng)險較低；由于滑體為殘破積土、回填土及強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)頁巖，在擋土墻施工過程中，其安全風(fēng)險主要有一點(diǎn)，由于場地限制，擋土墻作業(yè)面開挖，由于殘破積土、回填土加強(qiáng)分化層厚度將近5 m，開挖過程中可能出現(xiàn)次生垮塌現(xiàn)象。而擋土墻距房屋較近，需嚴(yán)格控制開挖作業(yè)面坡度，不能在作業(yè)面2 m范圍內(nèi)堆放材料，再做好作業(yè)面地面排水工作。如做到上述措施，該擋土墻施工的安全風(fēng)險仍在可控范圍。方案一的安全性總體可行。

方案二：搬遷措施是針對滑坡體治理的被動防治方案，通過對滑坡體危害對象（住戶）的整體搬遷達(dá)到防治目的，整體搬遷過程中只需注意路上的交通安全即可，基本不存在安全隱患。

4.2 施工可行性

方案一：截排水溝+擋土墻工程?；聟^(qū)距縣城約6 km，距水泥廠及砂石場較近，其材料購買地均較近；距滑坡區(qū)內(nèi)有鄉(xiāng)村公路通過、且主干路面均已硬化，施工材料通過貨車能直接運(yùn)輸?shù)絽^(qū)內(nèi)。區(qū)內(nèi)已通電，該區(qū)緊靠溝渠，施工用水可直接從溝渠中抽取、施工用電可直接向當(dāng)?shù)鼐用耠娋W(wǎng)搭接。在實(shí)地調(diào)查過程中已確定滑體最大剪出口處，如果占道具有擋土墻施工的平臺，滑坡后緣及兩側(cè)主要為耕地，修筑截、排水溝不會造成其房屋損壞。通過對當(dāng)?shù)卮迕竦拿裨L及村委會調(diào)查，當(dāng)?shù)卮迕駥υ摴こ瘫容^支持；通過上述對材料來源，材料運(yùn)輸，施工用水、電，施工平臺、百姓支持、勞動力等多方面的調(diào)查分析，綜合認(rèn)為方案一施工可行性較高。

方案二：整體搬遷。滑坡區(qū)內(nèi)住戶有25戶，90%住戶的房屋為2～3層的磚混結(jié)構(gòu)，如果進(jìn)行整體搬遷，其拆遷工作量、材料運(yùn)輸工作量較大，在外購置宅基地的難度太大，而據(jù)當(dāng)?shù)卣从常浇褵o適合這么多居民住戶的集中安置點(diǎn)。另外，對當(dāng)?shù)乩?、中、青不同年代的人進(jìn)行訪問調(diào)查，當(dāng)?shù)卮蟛糠志用瘢ㄌ貏e是中、老年人）對搬遷具有強(qiáng)烈的抵觸情緒，認(rèn)為這是世代居住之地，搬遷后生活、生產(chǎn)上有諸多不便。因此，對該區(qū)進(jìn)行整體搬遷的方案可行性較低。

4.3 經(jīng)濟(jì)合理性

方案一：截排水溝+擋土墻工程。按國家下發(fā)的治理費(fèi)用預(yù)算，治理費(fèi)用比國家預(yù)算稍高。一次投入的經(jīng)濟(jì)合理性較高。

方案二：整體搬遷。按國家及當(dāng)?shù)匮a(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)，約為90萬元；按綠化率、三通工程占地面積進(jìn)行合計(jì)，結(jié)合重新選址的征地面積，按國家及貴州省地方補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，費(fèi)用約68萬元，合計(jì)約158萬元，尚未包括對原住區(qū)內(nèi)經(jīng)果林的補(bǔ)償費(fèi)用、平場三通費(fèi)用、搬遷協(xié)調(diào)工作費(fèi)用和青苗補(bǔ)償?shù)绕渌M(fèi)用。方案二是一項(xiàng)耗時、耗精力、耗資金的工程，直接投入的費(fèi)用多，隱形投入的資金較高，其經(jīng)濟(jì)合理性較差。

通過上述二個方案的比選，推薦以“截排水溝+擋土墻工程”作為桐木灣滑坡治理方案。

5 結(jié)論

（1）該滑坡為推移式滑坡。由于滑坡的地形地貌條件、巖層工程性質(zhì)差，修建房屋增加上部荷載以及開挖形成陡坎為滑坡造成臨空面等人類工程活動影響，強(qiáng)降雨且地表排水系統(tǒng)混亂導(dǎo)致該滑坡的形成。

（2）在工況Ⅰ條件下，TM計(jì)算Fs=1.169，SRM計(jì)算的Fs=1.156，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；在工況Ⅱ下，TM計(jì)算Fs=1.026，SRM計(jì)算的Fs=1.013，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；SRM法計(jì)算的穩(wěn)定性系數(shù)較低。

（3）該滑坡治理考慮安全性、施工可行性、經(jīng)濟(jì)合理性3個方面，方案比選后推薦“截排水溝+擋土墻工程”的治理方案。