重庆市万州区万元纸厂滑坡稳定性分析与处置

王小委，周福川，黄 霞

(重庆交通大学，重庆 400074)

1 前言

万元纸厂位于重庆市万州区五桥江南新区，该厂滑坡是重庆市三期地质灾害防治工程非应急抢险项目之一。该滑坡整体呈缓长条形斜坡，属于堆积地貌，呈两级台阶状。监测表明滑坡体变形现象明显，民房、公路以及滑体其它部分均存在变形现象，并且在大气降雨，河流水位的变化，冲沟的侵蚀和人类工程活动的共同影响和作用下，滑坡变形有加剧的趋势。考虑到该滑坡可能会对周围居民以及万元纸厂造成威胁，因此，有必要对其稳定性加以分析并采取相应的整治手段，确保人民生命、财产安全。

2 滑坡区自然地理和地质条件

2.1 地理位置和气候条件

万元纸厂滑坡位于万州区，上距三峡库区尾重庆333km，下距库首宜昌市327km，地理坐标范围：X=3410828～3411463，Y=539301～39899。滑坡所在区域属亚热带暖湿气候区，气候温和，雨量充沛，雨热同步，多年平均气温在18℃左右，最低气温-3.7℃，最高气温42.1℃，相对湿度80%，具有四季分明、垂直分带显著的特点。区内常年雨日140天左右，年均降雨量1191.3mm，降雨主要集中在5-9月份，并以暴雨居多，日降雨量可达100mm以上。

2.2 地形地貌

滑坡区及周边分布的地貌单元有构造剥蚀丘陵及山麓斜坡堆积坡积裙。冲沟发育，滑坡前侧为长江侵蚀岸坡，与下侧长江相距约500～1200m。区内地形沿江方向平缓，纵向上呈多级台阶状，至滑坡区南侧后缘为东西走向的脊状延绵低山。滑坡整体呈宽缓长条形斜坡，属于堆积地貌，斜坡坡向320°～330°，坡角5°～42°，呈两级缓台状，分布高程在250～380m之间，如图1所示。

2.3 地层岩性

2.4 水文地质条件

水文地质调查发现，滑坡区地下水按水理性质、水力特性、赋存条件可划分为松散岩类孔隙水和风化基岩裂隙水两类。

(1)松散岩类孔隙水：赋存于第四系堆积层中，主要受降雨及地表水体补给，季节性影响比较大。

图1 万元纸厂滑坡全貌

图2 滑面岩土体

(2)风化基岩裂隙水：赋存于基岩强风化带裂隙中，主要在基岩露头区接受大气降雨或上部松散岩类孔隙水渗入补给。

2.5 地质构造及地震

滑坡区地处川东褶皱束万县复向斜东段近轴部，北临铁锋山背斜，南靠方斗山背斜，未发现明显的断裂构造。根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)及1:400万《中国地震动峰值加速度区划图》(2001)，地震动峰值加速度取为0.05g，抗震设防烈度6度。

3 滑坡体稳定性分析

取该滑坡典型断面进行稳定性计算分析，滑坡断面图如图3所示。根据勘察结果，通过室内试验资料结合经验类比、反演分析法等，确定了滑坡体、滑带和滑床等物理力学参数的稳定性分析建议值，列于表1。

图3 滑坡稳定性计算剖面图

名称状态弹性模量/MPa泊松比重度/(g/cm3)粘聚力/kPa内摩擦角/(°)滑体,粉质粘土夹块碎石松散6.00E+000.26 20.57 23.34 13.40 滑带,粉质粘土夹块碎石松散5.00E+000.30 19.00 20.46 10.40 滑床,中等风化砂岩稍密2.20E+030.21 24.60 860.00 33.00

计算时采用如下三种工况：

工况一：天然工况(自重)；

工况二：暴雨工况(自重+暴雨)；

工况三：地震工况(自重+地震力)。

3.1 采用传递系数法计算滑坡稳定性系数

按上述三种荷载组合形式及计算参数，采用DZ/T 0218—2006《滑坡防治工程勘查规范》提供的传递系数法计算公式计算[1]，结果见表2。

表2 滑坡稳定性计算结果

分析表2可见：滑坡在地震力作用下，稳定性最差，易于发生滑动，在天然状态下处于基本稳定状态，只有极个别块体处于不稳定状态。但是实际勘察发现，滑坡体在自然状态下有多处失稳，居民房屋开裂、道路损毁、管道弯曲变形现象。可见，采用传递系数法计算滑坡的稳定性有局限性，不能完全反映坡体实际情况。

3.2 采用有限元强度折减法计算滑坡稳定性系数

3.2.1 有限元强度折减法原理

所谓强度折减法，就是通过逐渐降低岩土体抗剪强度参数(粘聚力和内摩擦角)直到边(滑)坡达到极限破坏状态为止，其初始强度与极限平衡时的强度比值定义为边(滑)坡的稳定性系数[2,3]。在强度折减计算过程中，将岩土体粘聚力和内摩擦角按如下公式进行折减：

(1)

式中，c、φ分别为坡体材料的粘聚力和内摩擦角；c′、φ′分别为强度折减后的粘聚力和内摩擦角。

必须指出的是，针对上述两个参数c和φ的折减比例至今并无定论，仍处于研究阶段[4,5]，在此我们采用1∶1的折减方式(现阶段通用的折减办法)。

3.2.2 有限元强度折减法中滑坡稳定性判断依据

采用有限元强度折减法计算分析滑坡稳定性的一个关键问题是如何根据计算结果来判断滑坡是否处于破坏状态，后勤工程学院的郑颖人院士在这方面做了较多工作[6,7,8]，总结滑坡失稳判断准则主要有以下3种：

1)采用力和位移作为滑坡失稳的判断依据，收敛时滑坡处于稳定状态，不收敛时处于失稳状态。

2)采用等效塑性应变或广义塑性应变的分布情况作为滑坡失稳的判断依据，当应变区域从坡脚到坡顶贯通时滑坡处于失稳状态。

3)根据滑坡坡体上的特征点位移与折减系数的关系曲线，将位移曲线出现明显转折点对应的强度折减系数作为滑坡的稳定性系数。

考虑到准则1)和3)在操作上较2)复杂，本文以准则2)作为判断滑坡失稳的依据，以期对万元纸厂滑坡的稳定性作出更为客观的评价。

3.2.3 有限元强度折减法计算滑坡稳定性系数的实现过程

滑坡有限元计算模型的建立。采用大型有限元软件ANSYS对该滑坡进行计算分析，有限元模型如图4所示：

图4 滑坡有限元分析模型

滑坡稳定性计算分析。用有限元强度折减法分别对滑坡在自重和地震力作用下的稳定性进行分析。其中，在进行地震作用下的稳定性分析时，采用SL386—2007《水利水电工程边坡设计规范》推荐的拟静力法沿滑坡的临坡面方向施加一水平方向力，力的大小按式(2)进行求解[9]。

Q=CiCzKhW

(2)

式中：Ci为重要性系数，此处取为1.0；Cz为综合影响系数，取为0.25；Kh为地震峰值加速度，取为0.10g，W为滑块重力。

研究该滑坡稳定性问题时，将岩土体设为理想弹塑性体，本构模型选用等面积的D-P圆准则[10]。其中，在重力场作用下采用等效塑性应变的分布情况作为失稳判断依据求得该断面滑坡的稳定性系数为1.03，此时滑坡等效塑性应变云图如图5所示。同理，在地震力作用下，根据滑坡等效塑性应变云图(如图6)，可取滑坡在地震力作用下的稳定性系数为0.82。根据《公路路基设计规范》的有关规定，确定该断面滑坡的设计安全系数为1.15，即在采用各项工程措施之后，滑坡的稳定性系数应综合考虑不低于1.15，滑坡稳定状态分类见表3。可见在地震等因素诱发下，滑坡将发生滑动，影响周围人群的生命财产安全，因此必须对该段滑坡进行治理。

图5 自重作用下滑坡等效塑性应变云图

图6 地震作用下滑坡等效塑性应变云图

稳定系数Fs稳定状态稳定系数Fs稳定状态<1.0不稳定≥1.05～1.15基本稳定≥1.00～1.05欠稳定≥1.15稳定

4 滑坡治理方案

在有限元模拟分析万元纸厂滑坡稳定性的基础上，提出截排水和支挡相结合的治理措施。

4.1 截排水措施

在滑坡后缘、侧界和中部各设置一道矩形截水沟，断面尺寸定为20cm×20cm；依据排水沟过流量计算公式(3)，计算过流量，并依此确定排水沟尺寸。设置方式为：在滑坡中部通长修筑一道，断面尺寸20cm×20cm。

(3)

截排水沟修筑完毕后，夯实滑坡后缘已出现的裂缝，修整滑坡坡面。

4.2 支挡措施

在滑坡前缘砌筑块石挡墙，墙角呈楔形入土10m，墙高20m，上部宽度4m；滑坡前缘坡面采用锚杆格构加固，各排锚杆长度由上至下分别为18m、15m和12m，间距2m，格构梁断面尺寸30cm×20cm，采用混凝土现浇，布置如图7所示：

图7 滑坡治理的支挡结构布置图

参考文献：

[1]DZ/T 0218—2006,滑坡防治工程勘查规范[S].北京:国土资源部地质环境司,2006.

[2]赵尚毅,郑颖人,时卫明,等.用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数[J].岩土工程学报,2002,24(3):343-346.

[3]张优利,刘胜春,周朋,等.基于强度折减法的隧道洞口土质高仰坡开挖稳定性分析[J].北京交通大学学报,2013,37(3):68-72.

[4]唐芬,郑颖人,杨波.双排抗滑桩的推力分担及优化设计[J].岩石力学与工程学报,2010,29(增1):3162-3168.

[5]唐芬,郑颖人.强度储备安全系数不同定义对稳定系数的影响[J].土木建筑与环境工程,2009,31(3):61-65.

[6]郑颖人.岩土数值极限分析方法的发展与应用[J].岩石力学与工程学报,2012,31(7):1297-1316.

[7]郑颖人,赵尚毅.岩土工程极限分析有限元法及其应用[J].土木工程学报,2005,38(1):91-98.

[8]郑颖人,张玉芳,赵尚毅,等.有限元强度折减法在元磨高速公路高边坡工程中的应用[J].岩石力学与工程学报,2005,24(21):3812-3817.

[9]SL386—2007,水利水电工程边坡设计规范[S].北京:中华人民共和国水利部,2007.

[10]赵杰,邵龙潭.土体结构极限承载力的有限元分析[J].岩石力学与工程学报,20007,26(增1):3183-3189.