水庫壩肩滑坡滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)確定及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

李永松 趙溫亮 劉宗林 中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司

滑坡是我國最常見的地質(zhì)災(zāi)害，遍布水利、交通、市政各個(gè)行業(yè)，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，工程場址地質(zhì)條件日益惡劣，加上近年極端天氣影響，由此誘發(fā)的滑坡災(zāi)害也逐年增多，造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失十分慘重，因此滑坡災(zāi)害防治是工程建設(shè)中的重點(diǎn)問題。

滑帶土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)直接影響滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)論和滑坡推力的計(jì)算結(jié)果，對(duì)滑坡治理方案的選擇至關(guān)重要，合理選取滑帶土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)是滑坡治理工程成功的第一步?；瑤量辜魪?qiáng)度參數(shù)的選取主要有室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場剪切試驗(yàn)、工程類比、參數(shù)反演等幾種方法。采用單一方法確定滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)往往具有局限性，所得結(jié)果通常不能反映現(xiàn)場實(shí)際情況，文中以某水庫壩肩滑坡為研究對(duì)象，以室內(nèi)試驗(yàn)成果為基礎(chǔ)，采用傳遞系數(shù)法進(jìn)行反演分析驗(yàn)證，并結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，綜合選取滑帶土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，為該滑坡的治理提供依據(jù)。

1.工程概況

1.1 自然地理概況

滑坡位于云貴高原東斜坡的中低山丘陵區(qū)，所在斜坡總體呈后緣陡中部平緩前緣陡坎的地形，前緣為水庫所在沖溝，總體坡向S60°W。區(qū)內(nèi)多年平均降雨量1209.3mm，降水四季分配不均，主要集中在夏季。滑坡發(fā)生變形時(shí)，當(dāng)?shù)爻霈F(xiàn)連續(xù)強(qiáng)降雨，當(dāng)月降雨量較往年同期偏多40%，大氣降水是地下水的主要補(bǔ)給來源。人類工程活動(dòng)主要為開挖左壩肩山體，開挖后未及時(shí)采取有效支擋措施，導(dǎo)致斜坡前緣失去了部分支擋能力，抗滑力降低，對(duì)地質(zhì)環(huán)境影響較大。

1.2 工程地質(zhì)概況

滑坡體內(nèi)分布有風(fēng)化巖體與第四系殘坡積層轉(zhuǎn)化成的滑體土和滑帶土，滑床為震旦系下統(tǒng)南沱組含礫砂巖和板巖?；麦w處于溫泉背斜南側(cè)，地層受斷層和小褶皺影響巖層產(chǎn)狀變化較大，巖層產(chǎn)狀主要為N30°W/SW∠28°，整體傾右岸偏上游?；麦w區(qū)內(nèi)部無區(qū)域性斷裂分布，但小斷層及構(gòu)造、風(fēng)化裂隙較發(fā)育。水文地質(zhì)條件簡單，主要為第四系松散介質(zhì)孔隙水、基巖裂隙水，地下水較貧乏。區(qū)內(nèi)地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35s，地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，對(duì)應(yīng)的地震基本烈度為Ⅵ度，區(qū)域地殼穩(wěn)定。

1.3 滑坡基本特征

滑坡位于水庫左壩肩斜坡，斜坡后緣較陡，中部較緩，斜坡坡度12°～40°，相對(duì)高差135m，滑坡體前緣順河向長約120m，橫河向?qū)捈s210～230m，面積約24000m，滑體平均厚度15.0m，方量37萬m3，屬中型中層土質(zhì)滑坡?；麦w后緣環(huán)狀拉裂縫延伸長度約150m，裂縫垂直錯(cuò)距1.5～2.1m，裂縫后壁物質(zhì)組成為黏土夾少量碎塊石，前緣為壩址開挖形成的近直立狀陡坎地形，揭露了巖土界面，前緣臨空地形為滑坡滑動(dòng)提供了便利條件。干化滑坡屬于推移式滑坡，目前處于蠕滑階段，受降雨、風(fēng)化、人為擾動(dòng)影響可能失穩(wěn)速滑。

滑體物質(zhì)分兩層，表層為黃色可塑狀黏土夾碎礫石，碎塊石粒徑多為2～50mm，以黏土為主，厚度較小。下層以松動(dòng)碎裂巖塊為主，分布范圍廣，物質(zhì)成分為碎塊石與少量黏土混雜，局部夾孤石，碎裂巖塊塊徑較大，一般0.2-0.5m，最大可達(dá)5m以上?；瑤翞辄S色可塑狀～硬塑狀黏土夾碎石，局部呈青灰色、黑色黏土夾巖屑，物理力學(xué)性質(zhì)較差?；瑒?dòng)面位于基巖接觸帶，傾角25～30°，滑床為強(qiáng)風(fēng)化含礫砂巖。

2.滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)確定

2.1 物理力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)

對(duì)滑帶土取樣進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1。其中滑帶土天然重度平均值21.6KN/m，粘聚力51.6kPa，內(nèi)摩擦角27.6°。

表1 滑帶土物理力學(xué)相紙指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

2.2 滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)反演

1）反演原理。反演分析是根據(jù)極限平衡理論，采用傳遞系數(shù)法，在初步分析滑坡現(xiàn)狀變形特征及穩(wěn)定狀態(tài)的基礎(chǔ)上，首先根據(jù)滑坡當(dāng)前的狀態(tài)假定合適的穩(wěn)定系數(shù)，然后通過給定滑帶土的粘聚力c值或內(nèi)摩擦角φ值，反算另一個(gè)值的方法。

2）滑坡穩(wěn)定系數(shù)的確定。假定滑坡穩(wěn)定系數(shù)主要取決于滑坡的發(fā)育階段及目前變形狀態(tài)，應(yīng)根據(jù)滑坡變形的發(fā)展階段，尤其是滑坡前后緣的變形特征綜合選取干化滑坡5月初始變形時(shí)，后壁拉裂縫延伸長度約150m，寬約0.5m，裂縫垂直錯(cuò)距1.5～2.1m，前緣局部出現(xiàn)小型滑塌，隨后滑坡變形跡象變緩，8月因強(qiáng)降雨出現(xiàn)新的變形跡象，綜合判定，滑坡在天然狀態(tài)下基本穩(wěn)定，在暴雨飽和狀態(tài)下可能整體滑動(dòng)，因此反演分析時(shí)穩(wěn)定系數(shù)按照0.9～1.0計(jì)算。

3）參數(shù)敏感性分析。為評(píng)價(jià)滑坡穩(wěn)定性對(duì)滑帶土粘聚力和內(nèi)摩擦角的敏感程度，利用圖1所示剖面，滑帶土粘聚力選用15～35kPa，內(nèi)摩擦角選用5°～25°，對(duì)滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，滑坡穩(wěn)定系數(shù)隨著粘聚力和內(nèi)摩擦角的變化如圖2所示，分析圖中斜率可知，滑坡穩(wěn)定性對(duì)粘聚力敏感性較低，對(duì)內(nèi)摩擦角敏感性較高。因此反演計(jì)算時(shí)，先給定粘聚力C值，再反算內(nèi)摩擦角φ值。

圖1 滑坡的滑動(dòng)面特征（2-2剖面）

圖2 滑坡穩(wěn)定系數(shù)隨抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化圖

4）反演分析結(jié)果。根據(jù)分析，滑坡主要滑動(dòng)模式為覆蓋層沿基巖接觸面滑動(dòng)破壞。利用平行于主滑方向的2-2剖面和3-3剖面，滑坡穩(wěn)定系數(shù)分別取為0.90、0.95、1.0，給定不同粘聚力c值對(duì)滑帶土的內(nèi)摩擦角進(jìn)行反演分析，計(jì)算結(jié)果如表2、圖3所示。

表2 不同穩(wěn)定系數(shù)取值下的抗剪強(qiáng)度參數(shù)

粘聚力C 值采用試驗(yàn)成果乘以折減系數(shù)0.75，即C=51.7k P a×0.75=38.8kPa，對(duì)應(yīng)的內(nèi)摩擦角采用反演值，根據(jù)圖3所示內(nèi)摩擦角-粘聚力關(guān)系曲線，可得采用反演分析時(shí)滑帶土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)：粘聚力=38.8kPa，內(nèi)摩擦角=17.6°～21.2°。

圖3 內(nèi)摩擦角-粘聚力關(guān)系曲線

2.3 滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)綜合選取

根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，該地區(qū)黏土夾碎石天然狀態(tài)下粘聚力C=4 0k Pa～50kPa，內(nèi)摩擦角φ=23°～24°。飽和狀態(tài)下粘聚力C=30kPa～40kPa，內(nèi)摩擦角φ=18°～20°。

滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值的影響因素較多，采用室內(nèi)試驗(yàn)確定抗剪強(qiáng)度指標(biāo)時(shí)，會(huì)受到樣品質(zhì)量、試驗(yàn)人員操作規(guī)范程度、剪切速率等因素影響，而且取樣位置和取樣數(shù)量存在局限性，室內(nèi)試驗(yàn)得到的指標(biāo)僅能代表局部范圍某一狀態(tài)的參數(shù)，難以反映滑坡整體穩(wěn)定狀態(tài)。反演分析是根據(jù)滑坡的邊界條件、工程地質(zhì)條件確定的滑坡穩(wěn)定系數(shù)，反算滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的方法，計(jì)算所得參數(shù)符合滑坡整體穩(wěn)定狀態(tài)，但是滑坡穩(wěn)定系數(shù)取值受人為經(jīng)驗(yàn)因素影響大，結(jié)合地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)值后，可以使抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值更為可靠。綜合考慮室內(nèi)試驗(yàn)、反演分析、地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)，得到滑帶土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)為：天然狀態(tài)粘聚力c=45kPa，內(nèi)摩擦角φ=23.3°，飽和狀態(tài)粘聚力c=35kPa，內(nèi)摩擦角φ=18.8°。

3.滑坡穩(wěn)定性計(jì)算與評(píng)價(jià)

滑坡的主要滑動(dòng)模式為滑坡體沿基覆界面整體滑動(dòng)，采用不平衡推力傳遞法，選取主滑方向上的兩個(gè)剖面進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和滑坡推力計(jì)算。計(jì)算時(shí)，滑坡體的地面線及滑面均簡化為折線，按如下四種工況計(jì)算。工況Ⅰ：考慮基本荷載，不考慮地表水下滲對(duì)滑帶土的影響，取天然狀態(tài)參數(shù)；工況Ⅱ：考慮基本荷載+暴雨荷載，考慮地表水下滲對(duì)滑體和滑帶土的影響，取飽和狀態(tài)參數(shù)；工況Ⅲ：考慮基本荷載+地震荷載，考慮天然狀態(tài)下受地震力作用的影響，取天然狀態(tài)參數(shù)；工況Ⅳ：考慮基本荷載+暴雨荷載+地震荷載，同時(shí)考慮暴雨引起地表水下滲和承受地震力的不利作用，取飽和狀態(tài)參數(shù)值。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，基本工況時(shí)滑坡介于基本穩(wěn)定和穩(wěn)定狀態(tài)之間，地震工況時(shí)，滑坡介于欠穩(wěn)定與基本穩(wěn)定之間；降雨工況和降雨+地震工況計(jì)算時(shí)，滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。這一結(jié)論與滑坡現(xiàn)在的變形狀態(tài)相符，驗(yàn)證了綜合考慮室內(nèi)試驗(yàn)、反演分析和地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值的合理性。

暴雨工況滑坡穩(wěn)定系數(shù)明顯降低，相比工況1，暴雨條件下穩(wěn)定系數(shù)下降21.7%～22.2%，由此可見，滑坡穩(wěn)定性對(duì)降雨入滲比較敏感，大氣降雨是誘發(fā)滑坡發(fā)生整體變形的主要原因。同時(shí)計(jì)算結(jié)果也表明，滑坡穩(wěn)定控制工況為工況二，若要使穩(wěn)定安全系數(shù)達(dá)到1.25，需提供抗滑力較大，其中2-2剖面需提供水平抗滑力為9141kN/m。

4.結(jié)論

通過對(duì)滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值的研究及穩(wěn)定性計(jì)算評(píng)價(jià)，可以得出如下結(jié)論。

（1）滑坡穩(wěn)定系數(shù)對(duì)滑帶土的內(nèi)摩擦角敏感程度大于粘聚力，反演分析時(shí)，可先根據(jù)試驗(yàn)資料確定粘聚力，再反演計(jì)算內(nèi)摩擦角。

（2）綜合考慮室內(nèi)試驗(yàn)、反演分析和地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)后，建議滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)值為：天然狀態(tài)粘聚力c=45kPa，內(nèi)摩擦角φ=23.3°，飽和狀態(tài)粘聚力c=35kPa，內(nèi)摩擦角φ=18.8°?；路€(wěn)定性計(jì)算結(jié)果與滑坡現(xiàn)狀變形特征相符，驗(yàn)證了滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值的合理性。

（3）根據(jù)滑坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，滑坡在天然工況和地震工況下處于欠穩(wěn)定和穩(wěn)定之間，在暴雨工況和暴雨+地震工況下，滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

表3 滑坡穩(wěn)定性及滑坡推力計(jì)算結(jié)果

（4）暴雨工況時(shí)滑坡穩(wěn)定系數(shù)相比基本工況明顯降低，滑坡的穩(wěn)定性對(duì)降雨入滲敏感，大氣降雨是誘發(fā)滑坡發(fā)生整體變形的主要原因。