削坡建房對粵東山區(qū)紅色砂巖殘積土邊坡穩(wěn)定性影響研究

何篤偉，宿文姬，張 偉，鄭志文，符詩存

（1.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣州 510640，2.廣東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，廣州 510510）

0 引言

近幾年來，由于廣東地少人多，山區(qū)存在有大量的削坡建房活動，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅廣東省削坡建房超過30 萬處，導(dǎo)致大量崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。在降雨條件下，削坡后的殘積土邊坡穩(wěn)定性急劇下降，極易發(fā)生邊坡失穩(wěn)破壞，引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，造成人員傷亡。因此，研究削坡建房對殘積土邊坡穩(wěn)定性的影響對避免滑坡崩塌等地質(zhì)災(zāi)害具有重要意義。

曾玲玉、方朝豐等[1-2]人的研究成果表明：廣東山區(qū)因山多田少，加上當(dāng)?shù)鼐用竦膫鹘y(tǒng)觀念——居家講究“風(fēng)水”，房子要“靠山”，因此，削坡建房現(xiàn)象屢見不鮮。削坡改變了原有的地質(zhì)條件，損害了自然坡體的穩(wěn)定性，此外，削坡的坡度過大，房屋與坡腳之間的距離過小，再加上坡面保護(hù)措施不當(dāng)?shù)葐栴}，削坡建房后形成的人工邊坡極易發(fā)生山體滑坡、崩塌、泥石流等災(zāi)害。呂生弟、趙志祥等[3]對人工削坡坡度、削坡高度、削坡類型、巖土體結(jié)構(gòu)、變形破壞形態(tài)等關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)了李家水電站壩址區(qū)層狀巖體人工邊坡的三種變形破壞模式。一是順層狀邊坡的順層蠕（滑）移——彎曲變形機(jī)理；二是橫向邊坡的楔體滑動型；三是逆（反）傾層狀邊坡的傾倒（彎曲）一拉裂（折斷）一滑移（坍塌）破壞機(jī)理。張佳佳[4]以玉林地區(qū)為例，利用數(shù)值模擬分析了降雨、削坡對廣西壯族自治區(qū)花崗巖殘積土邊坡的綜合影響，研究了不同自然坡度、削坡坡高及削坡坡度對花崗巖殘積土邊坡穩(wěn)定性的影響。得出了基本結(jié)論：削坡坡高越高，坡度越大，花崗巖殘積土邊坡越不穩(wěn)定；同時(shí)，為廣西玉林花崗巖殘積土分布區(qū)的花崗巖殘積土邊坡提供了合理的削坡坡高和坡度范圍，為地質(zhì)災(zāi)害防治提供了有價(jià)值的指導(dǎo)和建議。JQ Zhuang 等[5]以白鹿臺地滑坡和以往滑坡事件的分析，提出了確定臨界降水閾值和潛在風(fēng)險(xiǎn)距離的方程式，為認(rèn)識和研究該類型滑坡的機(jī)理提供了重要參考，也為該地區(qū)今后的防災(zāi)減災(zāi)工作提供了指導(dǎo)。王浩等[6]利用有限元數(shù)值分析方法對龍巖市永春至永定高速公路沿線超高切邊坡K227的變形過程和破壞特征進(jìn)行分析，數(shù)值結(jié)果表明快速開挖引起的擾動導(dǎo)致潛在的薄弱層被充分暴露，并切斷了坡腳趾處的機(jī)械支撐，巖土的卸荷松弛和強(qiáng)度的減弱導(dǎo)致頂部的拉力裂縫，深層薄弱層的剪切蠕變以及邊坡趾部的沿節(jié)點(diǎn)的剪切。該坡度總體上接近極限平衡狀態(tài)，如果進(jìn)一步開挖或發(fā)生強(qiáng)降雨，穩(wěn)定性可能會突然降低。研究結(jié)論為邊坡減災(zāi)方法提供了思路。綜上所述，已有研究為人工削坡及降雨共同影響下邊坡的穩(wěn)定性提供了多種研究思路和分析方法，并對邊坡防災(zāi)減災(zāi)有很好的指導(dǎo)意義。但是已有研究成果主要集中于路塹高邊坡的研究，對山區(qū)居民削坡建房對殘積土邊坡穩(wěn)定性影響的研究較少。

本文基于粵東山區(qū)一典型紅色砂巖殘積土邊坡，通過室內(nèi)試驗(yàn)得到土體物理力學(xué)參數(shù)，采用數(shù)值模擬分析及強(qiáng)度折減法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，研究在無雨、梅雨及暴雨條件下，不同削坡坡度、削坡坡高對紅色砂巖殘積土邊坡穩(wěn)定性的影響，得到了山區(qū)居民削坡建房時(shí)削坡坡度和削坡坡高的限值，為粵東山區(qū)殘積土邊坡地質(zhì)災(zāi)害防治工作提供參考依據(jù)。

1 砂巖殘積土邊坡穩(wěn)定性分析方法

1.1 典型砂巖殘積土邊坡工程概況

河源市紫金縣上璜坑村滑坡地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)位于廣東省東中部的紫金縣水墩鎮(zhèn)，河源市東南部、東江中游東岸。該隱患點(diǎn)位于丘陵地區(qū)，地形起伏稍大，地形切割強(qiáng)烈，山坡原始坡形坡度30°～45°，相對高差約為60 m，為粉質(zhì)粘土（砂巖殘積土）和風(fēng)化砂巖組成的邊坡。紫金縣雨量充沛，1980年至2019年，年均降水量1733.9 mm，大部分地區(qū)年均降水量在1600～1900 mm 之間，最大日降雨量為225.0 mm。紫金縣平均年蒸發(fā)量為1532.6 mm。年蒸發(fā)量最多為1767.7 mm，最少為1319.1 mm。一年中，7～9月蒸發(fā)量最多，平均各月蒸發(fā)量在150 mm 以上；最少是12 月至次年3 月，平均各月蒸發(fā)量均在100 mm以下。

1.2 數(shù)值分析模型與邊界條件

紅色砂巖殘積土邊坡典型地層分布及地形地貌見圖1。

通過該自然邊坡地層分布特征，建立圖2所示數(shù)值分析模型。計(jì)算模型左右邊界采用滾動約束，限制水平位移；底部邊界采用鉸鏈約束。

圖1 紅色砂巖殘積土邊坡典型地層分布及地形地貌圖Fig.1 Typical strata distribution and topographic landform map of red sandstone residual soil slope

圖2 砂巖殘積土邊坡數(shù)值分析模型Fig.2 Numerical analysis model of red sandstone residual soil slope

該模型需考慮梅雨、暴雨條件下邊坡的穩(wěn)定性，因此，滲流分析方案如下：

（1）入滲初始條件

本文采用Fredlund 提出的方法，以年平均降雨量作為邊坡模型入滲量，穩(wěn)態(tài)分析計(jì)算得到的邊坡孔隙水壓力分布作為后續(xù)瞬態(tài)分析的初始滲流場。

（2）邊界條件

①邊坡上表面為雨水入滲邊界；當(dāng)降雨強(qiáng)度小于土體入滲能力時(shí)，假設(shè)雨水全部滲入土體，此時(shí)降雨強(qiáng)度即為入滲流量；當(dāng)降雨強(qiáng)度大于土體入滲能力時(shí)，假設(shè)坡面不產(chǎn)生積水，則為定水頭邊界，水頭值為地表高度。

②在實(shí)際中，地下水滲流可能沿著坡面流出，因此需要將坡面定為逸出邊界，并在計(jì)算中不斷檢查調(diào)整（Potential Seepage Face Review），最終得到正確的逸出面。

③邊坡模型兩側(cè)及底側(cè)均為不透水邊界。

1.3 降雨及人工削坡數(shù)值模擬方案

1.3.1 降雨模擬方案

粵東山區(qū)地處亞熱帶季風(fēng)山地氣候區(qū)，一年中呈現(xiàn)出明顯的三個(gè)降雨特征：3～5 月為多雨季，表現(xiàn)為雨區(qū)廣，強(qiáng)度較大，雨時(shí)長，地質(zhì)災(zāi)害頻有發(fā)生；6～9月為臺風(fēng)暴雨季，表現(xiàn)為臺風(fēng)暴雨或大暴雨，雨量大且集中，強(qiáng)度極大，是地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)期；10月至翌年2月為少雨季，表現(xiàn)為降雨稀少，地質(zhì)災(zāi)害極少發(fā)生。因此，本文選擇梅雨和臺風(fēng)暴雨兩個(gè)典型降雨條件下，研究削坡建房對紅色砂巖殘積土邊坡穩(wěn)定性的影響，降雨數(shù)值模擬方案見表1所示。

表1 降雨模擬方案Table 1 Rainfall simulation scheme

1.3.2 削坡方案

粵東山區(qū)人工邊坡地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查結(jié)果表明，粵東山區(qū)居民削坡建房時(shí)，削坡高度均在6～15m之間，削坡坡度則在50°～70°之間；直線型人工邊坡因其施工方便，操作簡單，削坡建房時(shí)被大量采用，占比超過人工削坡坡形一半以上；人工削坡特征具體統(tǒng)計(jì)情況見表2。

表2 粵東砂巖殘積土邊坡人工削坡特征統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics on the characteristics of artificial slope cutting of sandstone residual soil slope in eastern Guangdong

因此，削坡模擬方案以人工削坡坡形為直線型，削坡坡度為50°、55°、60°、65°以及70°，削坡坡高為：6 m、9 m、12 m、以及15 m 的工況進(jìn)行正交，得出相應(yīng)的數(shù)值分析模型；人工削坡模擬方案見表3所示。

表3 人工削坡模擬方案Table 3 Artificial slope cutting simulation scheme

按照《滑坡防治設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 38509-2020）中，根據(jù)滑坡災(zāi)害可能造成的經(jīng)濟(jì)損失和威脅對象等因素進(jìn)行劃分（見表4），無特殊情況時(shí)人工削坡后形成的人工邊坡可歸為Ⅲ級滑坡防治工程。

表4 滑坡防治工程重要性等級劃分表Table 4 Classification of importance level of landslide prevention and control works

1.4 土體參數(shù)

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，巖土層計(jì)算參數(shù)（表5），土水特征曲線（SWCC）試驗(yàn)數(shù)據(jù)（脫濕曲線）（表6）如下所示。

表5 紅色砂巖巖土體計(jì)算參數(shù)取值Table 5 Calculation parameters of red sandstone rock and soil mass

表6 各級基質(zhì)吸力下對應(yīng)的紅色砂巖殘積土體積含水率Table 6 Volume moisture content of red sandstone residual soil under matrix suction at all levels

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Van Genuchen 模型進(jìn)行擬合，其表達(dá)式為：

式（1）中：θ 為體積含水率；θs為飽和體積含水率；θr為殘余體積含水率；ψ 為基質(zhì)吸力（kPa）；a、n、m 為擬合參數(shù)，通?？扇 =( )n - 1 /n，此時(shí)VG模型簡化為Mualem 模型只有兩個(gè)擬合參數(shù)，形式簡單，應(yīng)用方便，是巖土工程中常用的模型。

考慮基質(zhì)吸力對非飽和滲透系數(shù)的影響，非飽和滲透系數(shù)函數(shù)使用Van Genuchten-Mualem 模型進(jìn)行擬合（式（2））。

式（2）中：a 為與進(jìn)氣值有關(guān)的參數(shù)；n、m 為擬合參數(shù)，取m =( )n - 1 /n。紅色砂巖殘積土邊坡非飽和滲流分析時(shí)各巖土層的計(jì)算參數(shù)見表7。

表7 各巖土層非飽和滲流計(jì)算參數(shù)Table 7 Unsaturated seepage calculation parameters of rock and soil layers

1.5 穩(wěn)定性評價(jià)方法

根據(jù)紅色砂巖殘積土邊坡各巖土層抗剪強(qiáng)度參數(shù)，采用強(qiáng)度折減法求取邊坡穩(wěn)定系數(shù)，進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析。強(qiáng)度折減法是將巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)c、φ 值同時(shí)除以一個(gè)折減系數(shù)F，得到折減后的巖土體抗剪強(qiáng)度c′、φ′值；不斷改變折減系數(shù)F，當(dāng)邊坡處于臨界狀態(tài)時(shí)，邊坡將發(fā)生破壞，此時(shí)的F被稱為邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，具體公式為：

運(yùn)用有限元強(qiáng)度折減法研究分析邊坡的穩(wěn)定性時(shí)，得到的穩(wěn)定安全系數(shù)以及臨界滑動面等結(jié)果與傳統(tǒng)的穩(wěn)定性分析方法得到的結(jié)果比較接近，誤差較小，強(qiáng)度折減法可以作為邊坡穩(wěn)定性分析方法進(jìn)行運(yùn)用[7]。本文采用強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡穩(wěn)定系數(shù)時(shí)，將巖土體假設(shè)成理想彈塑性體，本構(gòu)模型采用Mohr - Coulomb 準(zhǔn)則。邊坡失穩(wěn)判定依據(jù)為：當(dāng)邊坡失穩(wěn)破壞時(shí)，部分巖土體滑出，產(chǎn)生較大的位移和塑性變形，邊坡破壞的特征為位移和塑性應(yīng)變處于無限塑性流動狀態(tài)，在計(jì)算中表現(xiàn)為不收斂。

2 人工削坡對紅色砂巖殘積土邊坡穩(wěn)定性影響分析

根據(jù)前文中降雨及人工削坡數(shù)值模擬方案，采用Midas GTS NX巖土分析軟件，計(jì)算各種人工削坡工況下紅色砂巖殘積土邊坡的穩(wěn)定系數(shù)。表8為有無降雨條件下自然邊坡的穩(wěn)定性，表9、表10及表11分別為人工削坡后無雨、梅雨和暴雨條件下人工削坡后紅色砂巖殘積土邊坡穩(wěn)定系數(shù)變化情況。

表8 紅色砂巖殘積土自然邊坡穩(wěn)定系數(shù)變化表Table 8 Variation of natural slope stability coefficient of red sandstone residual soil

表9 人工削坡后無雨條件下紅色砂巖殘積土邊坡穩(wěn)定系數(shù)Table 9 Slope stability coefficient of red sandstone residual soil without rain after manual slope cutting

表10 人工削坡后梅雨條件下紅色砂巖殘積土邊坡穩(wěn)定系數(shù)Table 10 Stability coefficient of red sandstone residual soil slope under plum rains condition after artificial slope cutting

表11 人工削坡后暴雨條件下紅色砂巖殘積土邊坡穩(wěn)定系數(shù)Table 11 Stability coefficient of red sandstone residual soil slope under rainstorm after artificial slope cutting

由表8、表9、表10 及表11 可知，紅色砂巖殘積土邊坡經(jīng)過人工削坡后，邊坡的穩(wěn)定性顯著降低；而在梅雨或暴雨條件下，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)加劇減小，大部分人工削坡工況下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)小于邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，沒有達(dá)到《滑坡防治設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 38509-2020）中對Ⅲ級滑坡防治工程的要求（表12），即無雨工況下：Fs≥1.2；有雨工況下Fs≥1.15。

表12 滑坡抗滑穩(wěn)定設(shè)計(jì)安全系數(shù)取值表Table 12 Safety factor values for stability design of landslide

2.1 削坡坡高對邊坡穩(wěn)定性的影響分析

由表9、表10及表11可以得到以下結(jié)論：

（1）6 m 削坡坡高的邊坡穩(wěn)定系數(shù)在三種工況下均小于9 m 削坡坡高邊坡，這是因?yàn)橄髌缕赂咻^小時(shí)，削坡土方量較小，邊坡上覆巖土體重量較大，土體的下滑力較大，在坡角處容易形成應(yīng)力集中，從而在坡腳處更易破壞。因此，6 m 削坡坡高的邊坡穩(wěn)定系數(shù)更低，邊坡穩(wěn)定性更差，這與實(shí)際情況相符。

（2）削坡坡高大于9 m 時(shí)，在一定削坡坡度下，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)隨著削坡坡高的增大而顯著降低，這說明當(dāng)紅色砂巖殘積土邊坡在較高坡高的人工削坡影響下，邊坡穩(wěn)定較差。

分析以上數(shù)值模擬結(jié)果可知，削坡坡高顯著影響紅色砂巖殘積土邊坡的穩(wěn)定性；即使在50°削坡坡度、6 m 削坡坡高的工況下，紅色砂巖殘積土邊坡的穩(wěn)定系數(shù)也明顯減小，即邊坡穩(wěn)定性明顯變差。根據(jù)《滑坡防治設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 38509-2020）中對Ⅲ級滑坡防治工程的要求，對于自然坡度為40°左右的紅色砂巖殘積土邊坡，可以給出如下人工削坡建議：

（1）應(yīng)盡量避免在砂巖殘積土自然邊坡坡角處進(jìn)行小于削坡坡高小于6 m 的人工削坡；坡角處大坡度、低坡高的削坡活動會大大降低紅色砂巖殘積土邊坡的穩(wěn)定性。因此，當(dāng)無法避免在坡角處進(jìn)行低坡高削坡時(shí)，削坡坡度應(yīng)小于60°；

（2）當(dāng)邊坡削坡坡高分別為9 m、12 m 時(shí)，削坡坡度應(yīng)分別控制在70°、50°；

（3）不建議裸坡高度高于12 m 的人工削坡建房活動；當(dāng)削坡高度大于12 m時(shí)，應(yīng)采用分級削坡。

2.2 削坡坡度對邊坡穩(wěn)定性的影響分析

由表9、表10及表11可以發(fā)現(xiàn)：

（1）無雨、梅雨及暴雨工況作用下，削坡坡高固定時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)均隨著切坡坡度的增大而逐漸減小，這是因?yàn)榛乱讖妮^陡的臨空面的滑出，臨空面越陡，臨空面處的滑動土下滑力更大。

（2）在無雨、梅雨兩種工況下，削坡坡高小于9 m 時(shí)，紅色砂巖殘積土邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨著削坡坡度的增大而近似線性減?。幌髌缕赂叽笥?2 m 時(shí)，紅色砂巖殘積土邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨削坡坡度增大而大幅度減小，這說明削坡坡高大于12 m 時(shí)，削坡坡度對紅色砂巖殘積土邊坡穩(wěn)定性影響很大；此時(shí)，削坡坡度越大，邊坡更容易出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，從而引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。

（3）在暴雨工況，6 m 削坡坡高情況下，在削坡坡度大于65°時(shí)，紅色砂巖殘積土邊坡的穩(wěn)定系數(shù)急劇減小，這是因?yàn)榈拖髌缕赂咔闆r下，邊坡表層殘積土厚度較厚，利于雨水入滲邊坡土體，當(dāng)削坡坡度較大時(shí)，便極易從削坡處形成剪出口，從而導(dǎo)致邊坡破壞。

綜上所述，人工削坡的坡度對紅色砂巖殘積土邊坡的穩(wěn)定性影響很大，在一定削坡坡高條件下，削坡坡度越大，紅色砂巖殘積土邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)越低。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，對于自然坡度為40°左右的紅色砂巖殘積土邊坡，可以給出如下人工削坡建議：

（1）當(dāng)削坡坡度分別為50°、55°、60°時(shí)，削坡坡高應(yīng)分別控制在12 m、9 m、9 m以內(nèi)；

（2）不建議削坡坡度超過65°。

3 結(jié)論

本文選取了粵東山區(qū)一典型紅色砂巖殘積土邊坡，探討了在無雨、梅雨及暴雨條件下，不同削坡坡度、削坡坡高在無雨及降雨工況下對紅色砂巖殘積土邊坡穩(wěn)定性的影響，總結(jié)如下：

（1）人工削坡的坡高顯著影響紅色砂巖殘積土邊坡的穩(wěn)定性，應(yīng)盡量避免在砂巖殘積土自然邊坡坡角處進(jìn)行削坡坡高小于6 m 的人工削坡；當(dāng)邊坡削坡坡高分別為9 m、12 m 時(shí)，削坡坡度應(yīng)分別控制在70°、50°；并且不建議裸坡高度高于12 m的人工削坡建房活動；當(dāng)削坡高度大于12m 時(shí)，應(yīng)采用分級削坡。

（2）人工削坡的坡度對紅色砂巖殘積土邊坡的穩(wěn)定性影響很大，為避免發(fā)生滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，當(dāng)削坡坡度分別為50°、55°、60°時(shí)，削坡坡高應(yīng)分別控制在12 m、9 m、9 m 以內(nèi)；此外，不建議削坡坡度超過65°。

（3）本文選取了粵東山區(qū)一典型紅色砂巖殘積土邊坡，計(jì)算了在無雨、梅雨及暴雨條件下，不同削坡坡度、削坡坡高對紅色砂巖殘積土邊坡穩(wěn)定性的影響，研究結(jié)果與實(shí)際調(diào)查結(jié)果相符，對實(shí)際工程有一定指導(dǎo)意義。