地震作用下黑方台黄土滑坡稳定性分析及治理措施

马学宁

（兰州交通大学 土木工程学院，兰州730070）

0 引 言

我国西北地区受青藏高原隆升的影响，地形起伏大，地质构造错综复杂，地震活动强，频率高.2008年汶川大地震和2010年玉树大地震表明我国地震活动正处于活跃期，地震作用下边坡失稳破坏引起的灾害程度与自然地理、地质构造息息相关.

目前对地震作用下边坡稳定性分析常采用的方法有拟静力法、纽马克法以及动力有限元法等［1－4］.拟静力法是工程上非常常见的方法［2］，其计算简单、方便于工程应用，但是该方法的分析过程是在静荷载下求得的，无法反映动荷载的性质.纽马克法在国外得到了较普遍的应用［3］，但其缺乏破坏标准，无法对稳定性进行判断.动力有限元法是将每一时刻的动应力施加到结构上，按静力方法计算了每个时刻稳定安全系数，最后得出了安全系数随时间的变化曲线，这三种方法各有特点和缺陷.基于此，本文以甘肃省永靖县黑方台黄土滑坡为依托，采用拟静力法的有限元强度折减法和简化毕肖普法对地震作用下该黄土滑坡在加固前后的稳定性进行计算分析.

1 工程概况

1.1 滑坡区自然地理条件和地质条件

甘肃省永靖县的黑方台，属于黄河四级阶地，海拔高度为1700m左右，总面积约为13.44km2.该地带分布有50多个滑坡，彼此叠置、相连，构成了滑坡发育群.滑坡区为3个区域：盐锅集河湾、焦家河湾和黄茨凸岸.滑坡类型最齐全、最密集的地带分布在焦家河湾.

黑方台焦家河湾崖头滑坡全长800m左右，坡体走向NE30°.该段地形最陡（黄土段40°～45°；基岩段35°～50°），高度最大，黄土分布厚度为50～55 m.斜坡前缘空间狭窄，坡脚与公路相邻，路面宽度为7～10m.滑坡所在地带的地震动加速度峰值为0.10g，动力反应谱特征周期为0.45s，地震基本烈度为Ⅶ度.另外，这里交通繁忙、来往行人较多，一旦发生滑坡，将造成严重的灾害.所以分析该滑坡在地震作用下的稳定性，对保证该区域安全意义重大.

该滑坡主要土层组成为：①马兰黄土，厚30m，垂直裂隙发育；②离石黄土，厚18m，颜色较深；③亚粘土，该层较薄，厚约5m；④卵石层，厚约5m；⑤砂泥岩互层，厚约60m左右.

1.2 滑坡的形成条件

依据黑方台地区崖头滑坡的实际情况，经现场调查、分析得出，该滑坡形成的内因为地形地貌、地质构造、地层岩性，外因主要为地震作用、农业灌溉和降雨入渗.

1.2.1 内因

（1）地形地貌

黑方台为黄土台源地貌，地形平整开阔，呈长条形分布，其前缘与黄河相连，坡高100～125m，属斜坡地形，整个坡体上陡下缓，平均坡度约为35°.且该地区植被覆盖率较低，沟壑纵横交错，水土流失非常严重，为黄土滑坡的形成提供了必要的前提.

（2）地层岩性

黑方台地区黄土层的特点：①疏松多孔、东厚西薄且垂直节理发育；②含有较多易溶盐；③土质不均，有粘土夹层；④抗剪强度遇水后显著下降.⑤新黄土干密度较小、孔隙率较大、变形大，而老黄土密度大、渗透性和压缩性较小；⑥砂泥岩遇水易软化、崩解，力学性质较差，属不良滑床.

（3）地质构造

该滑坡地质构造复杂，造就了高陡的边坡，使其基岩裂隙较发育，基岩的完整性很差，增大了基岩的透水性，为黄土滑坡的发育创造了良好的条件.

1.2.2 外因

（1）水的作用

黑方台属中温带半干早气候，年平均气温10.1℃，最低气温－22.6℃，最高气温37.2℃，最大冻深109cm.年均降水293.2mm，以短时间内的集中降水为主，7～9月的降水量约为全年的70%～80%.另外，该区域农业灌溉地表水下渗也是滑坡的另一主要因素.

（2）人为因素

对该地区的黄土滑坡而言，人类活动对滑坡稳定性的影响主要有两方面原因：①开挖山体筑路，改变了坡体原有的平衡状态；②农业灌溉改变了该地区水文地质条件，特别是后者对该滑坡的影响较大.

20世纪60年代中期该地区移民提灌工程，每年提灌5次左右，年均提水量678×104m3.由于漫灌，改变了该区域水文地质条件.目前，黄土层自20 m以下处于饱水软塑状态，卵石层底部形成了潜水层，现有泉眼63处.大面积灌溉和降雨入渗，将对滑坡体造成的影响为：①水的入渗增大了静水压力、动水压力；②水渗至砂泥岩隔水层产生了浮力；③水入渗软化土体，强度降低；④土体体含水量增加，自重增大，下滑力增加.

2 计算原理

2.1 简化毕肖普法

简化毕肖普法求解滑坡稳定安全系数的一般公式为：

式（1）～（3）中：Fs为安全系数，W 为土条重力，N′为土条底边法向有效力，c、φ分别为第i个土条底边有效粘聚力和内摩擦角；Uα为孔隙水压力；α为土条底边倾角；R为土条底切向力的转动半径；f为土条底边法向力转动半径.

同理可得地震作用下简化毕肖普法求解滑坡稳定安全系数的一般公式为：

式中，Q为地震作用力的水平分力；y为水平地震作用力对转动圆心的距离.

当采用抗滑桩等方法加固边坡时，在稳定性计算时，把抗滑桩的加固作用以抗滑力的形式考虑到抗滑力矩中.

2.2 基于拟静力法的有限元强度折减法

在理想弹塑性有限元计算中，强度折减法是将边坡岩土体抗剪强度参数逐渐降低，直到其达到破坏为止，可以得到破坏滑动面（可以求解坡面塑性应变和位移）和边坡的安全系数Fs［5－6］.在强度折减法计算中，按如下公式对土体粘聚力和内摩擦角进行折减：

式中：c、φ分别为土体粘聚力和内摩擦角；c′、φ′分别为折减后的土体粘聚力和内摩擦角.

采用拟静力法的有限元强度折减法对地震作用下边坡的稳定性进行计算时，地震作用按《水利水电工程边坡设计规范》（SL386－2007）推荐的计算公式（a＝Ci·Cz·Kh，Kh为地震峰值加速度；Ci为重要性系数；Cz为综合影响系数）进行求解，地震加速度施加在边坡坡面的水平方向上.

3 滑坡体模型及稳定性分析

3.1 整治前滑坡模型及稳定性分析

取黑方台焦家崖头滑坡主轴断面进行稳定性分析，断面如图1所示.滑坡体物理力学指标如表1所示，表中马兰、离石黄土和亚粘土的内摩擦角和粘聚力为不排水试验强度指标.

图1 滑坡主轴断面图（单位：m）

表1 滑坡岩土体物理力学指标

二维滑坡有限元模型边界条件为：侧面施加水平方向约束，底面在水平和竖直方向都施加约束；模型上的荷载为：竖直方向施加重力加速度g，临坡面水平方向施加加速度a，加速度a＝Ci·Cz·Kh，取Ci＝1.0、Cz＝0.25；g＝9.8m／s2，由于滑坡所在地段的地震峰值加速度为0.10g，动反应谱特征周期为0.45s，地震基本烈度为7度，所以取Kh＝0.10 g.图2为ANSYS软件建立的平面有限元模型.

图2 滑坡平面有限元模型

分别采用简化毕肖普法和有限元强度折减法对地震作用下滑坡整治前的稳定性进行了计算.计算结果表明，由简化毕肖普法得到的稳定安全系数为0.915；由有限元强度折减法求得当强度折减系数为0.94时，在坡脚到坡顶范围内出现了塑性区，坡面上642号和651号节点水平位移与强度折减系数的关系曲线如图3所示，可见，这两个位置水平方向的位移发生较大的突变.

图3 滑坡上特征点水平方向位移与强度关系

采用简化毕肖普法和有限元强度折减法计算的滑坡稳定安全系数和对应的稳定状态如表2所示［9］，有限元强度折减法计算的稳定安全系数为0.94，与简化毕肖普法得到的稳定安全系数0.915差别不大.参考《公路路基设计规范》（JTGD30－2004）中的规定，取该滑坡的设计稳定安全系数为1.15，依据计算结果可知，在地震作用下该滑坡处于滑动状态，需对该滑坡进行加固处理.

表2 地震作用下滑坡对应的稳定状态

3.2 整治后滑坡模型及稳定性分析

3.2.1 整治措施

目前，对黄土滑坡加固的方法很多，主要有抗滑桩或抗滑挡墙、锚索以及多种加固方法的结合等［10－12］.

通过对焦家崖头滑坡的特征和稳定性等进行详细研究，并结合滑坡现状、位置、规模、性质、特征，拟采用如下方法对其加固：①对滑坡后缘出现的裂缝填塞夯实，并对坡面进行修整；②在滑坡前缘布设抗滑桩并设置集水井、渗水竖井与平孔结合排水（设置集水井、渗水竖井，间距约为50m.集水井井径为3 m，深度为40m.渗水竖井打到砾石层中，井径为1.0m，且在井中填入如粗砂、砾石等渗透性较好的材料，并与平孔结合，平孔以竖井为中心的扇形布设）的措施.抗滑桩断面尺寸为3.0m×2.0m，桩长为20.0m，桩间距为6.0m，在桩外侧设置护面；滑坡主轴断面整治方案如图4所示.

图4 滑坡主轴断面整治方案

3.2.2 模型建立及稳定性分析

整治后滑坡平面有限元计算模型见图5.抗滑桩的弹性模量取23GPa，泊松比为0.16，密度为2.5g／cm3，其它参数不变.

图5 滑坡加固后有限元模型

表3为两种不同方法求得的地震作用下滑坡稳定安全系数及其对应的稳定状态，可见，滑坡加固后由有限元强度折减法计算的地震作用下滑坡的安全系数为1.42，简化毕肖普法计算的稳定安全系数为1.34，均大于设计稳定安全系数1.15，即加固后的滑坡是稳定的，且具有较高的安全储备.

表3 滑坡加固后地震作用下对应的稳定状态

4 结 论

本文结合甘肃省永靖县黑方台焦家崖头滑坡工程实例，采用简化毕肖普法和强度折减法对滑坡在地震作用下的稳定性进行了计算分析，得到以下结论：

（1）用简化毕肖普法和有限元强度折减法计算地震作用下滑坡加固前的安全系数分别为0.915和0.94，小于1.15，即该滑坡在地震作用下处于不稳定状态，需进行加固处理.

（2）滑坡整治措施采用抗滑桩并结合集水井、渗水竖井和平孔排水，对加固后的滑坡在地震作用下的稳定性进行了计算分析，由简化毕肖普法和强度折减法计算得到的稳定安全系数分别为1.34和1.42，大于设计安全系数1.15，即加固后的滑坡是稳定的，且有较高的安全储备.

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