削坡建房对粤东山区红色砂岩残积土边坡稳定性影响研究

2022-08-03何笃伟宿文姬郑志文符诗存

华南地震 2022年2期

何笃伟，宿文姬，张伟，郑志文，符诗存

（1.华南理工大学土木与交通学院，广州 510640，2.广东省地质环境监测总站，广州 510510）

0 引言

近几年来，由于广东地少人多，山区存在有大量的削坡建房活动，据不完全统计，仅广东省削坡建房超过30 万处，导致大量崩塌、滑坡等地质灾害。在降雨条件下，削坡后的残积土边坡稳定性急剧下降，极易发生边坡失稳破坏，引发地质灾害，造成人员伤亡。因此，研究削坡建房对残积土边坡稳定性的影响对避免滑坡崩塌等地质灾害具有重要意义。

曾玲玉、方朝丰等[1-2]人的研究成果表明：广东山区因山多田少，加上当地居民的传统观念——居家讲究“风水”，房子要“靠山”，因此，削坡建房现象屡见不鲜。削坡改变了原有的地质条件，损害了自然坡体的稳定性，此外，削坡的坡度过大，房屋与坡脚之间的距离过小，再加上坡面保护措施不当等问题，削坡建房后形成的人工边坡极易发生山体滑坡、崩塌、泥石流等灾害。吕生弟、赵志祥等[3]对人工削坡坡度、削坡高度、削坡类型、岩土体结构、变形破坏形态等关系进行了统计分析，总结了李家水电站坝址区层状岩体人工边坡的三种变形破坏模式。一是顺层状边坡的顺层蠕（滑）移——弯曲变形机理；二是横向边坡的楔体滑动型；三是逆（反）倾层状边坡的倾倒（弯曲）一拉裂（折断）一滑移（坍塌）破坏机理。张佳佳[4]以玉林地区为例，利用数值模拟分析了降雨、削坡对广西壮族自治区花岗岩残积土边坡的综合影响，研究了不同自然坡度、削坡坡高及削坡坡度对花岗岩残积土边坡稳定性的影响。得出了基本结论：削坡坡高越高，坡度越大，花岗岩残积土边坡越不稳定；同时，为广西玉林花岗岩残积土分布区的花岗岩残积土边坡提供了合理的削坡坡高和坡度范围，为地质灾害防治提供了有价值的指导和建议。JQ Zhuang 等[5]以白鹿台地滑坡和以往滑坡事件的分析，提出了确定临界降水阈值和潜在风险距离的方程式，为认识和研究该类型滑坡的机理提供了重要参考，也为该地区今后的防灾减灾工作提供了指导。王浩等[6]利用有限元数值分析方法对龙岩市永春至永定高速公路沿线超高切边坡K227的变形过程和破坏特征进行分析，数值结果表明快速开挖引起的扰动导致潜在的薄弱层被充分暴露，并切断了坡脚趾处的机械支撑，岩土的卸荷松弛和强度的减弱导致顶部的拉力裂缝，深层薄弱层的剪切蠕变以及边坡趾部的沿节点的剪切。该坡度总体上接近极限平衡状态，如果进一步开挖或发生强降雨，稳定性可能会突然降低。研究结论为边坡减灾方法提供了思路。综上所述，已有研究为人工削坡及降雨共同影响下边坡的稳定性提供了多种研究思路和分析方法，并对边坡防灾减灾有很好的指导意义。但是已有研究成果主要集中于路堑高边坡的研究，对山区居民削坡建房对残积土边坡稳定性影响的研究较少。

本文基于粤东山区一典型红色砂岩残积土边坡，通过室内试验得到土体物理力学参数，采用数值模拟分析及强度折减法进行边坡稳定性分析，研究在无雨、梅雨及暴雨条件下，不同削坡坡度、削坡坡高对红色砂岩残积土边坡稳定性的影响，得到了山区居民削坡建房时削坡坡度和削坡坡高的限值，为粤东山区残积土边坡地质灾害防治工作提供参考依据。

1 砂岩残积土边坡稳定性分析方法

1.1 典型砂岩残积土边坡工程概况

河源市紫金县上璜坑村滑坡地质灾害隐患点位于广东省东中部的紫金县水墩镇，河源市东南部、东江中游东岸。该隐患点位于丘陵地区，地形起伏稍大，地形切割强烈，山坡原始坡形坡度30°～45°，相对高差约为60 m，为粉质粘土（砂岩残积土）和风化砂岩组成的边坡。紫金县雨量充沛，1980年至2019年，年均降水量1733.9 mm，大部分地区年均降水量在1600～1900 mm 之间，最大日降雨量为225.0 mm。紫金县平均年蒸发量为1532.6 mm。年蒸发量最多为1767.7 mm，最少为1319.1 mm。一年中，7～9月蒸发量最多，平均各月蒸发量在150 mm 以上；最少是12 月至次年3 月，平均各月蒸发量均在100 mm以下。

1.2 数值分析模型与边界条件

红色砂岩残积土边坡典型地层分布及地形地貌见图1。

通过该自然边坡地层分布特征，建立图2所示数值分析模型。计算模型左右边界采用滚动约束，限制水平位移；底部边界采用铰链约束。

图1 红色砂岩残积土边坡典型地层分布及地形地貌图Fig.1 Typical strata distribution and topographic landform map of red sandstone residual soil slope

图2 砂岩残积土边坡数值分析模型Fig.2 Numerical analysis model of red sandstone residual soil slope

该模型需考虑梅雨、暴雨条件下边坡的稳定性，因此，渗流分析方案如下：

（1）入渗初始条件

本文采用Fredlund 提出的方法，以年平均降雨量作为边坡模型入渗量，稳态分析计算得到的边坡孔隙水压力分布作为后续瞬态分析的初始渗流场。

（2）边界条件

①边坡上表面为雨水入渗边界；当降雨强度小于土体入渗能力时，假设雨水全部渗入土体，此时降雨强度即为入渗流量；当降雨强度大于土体入渗能力时，假设坡面不产生积水，则为定水头边界，水头值为地表高度。

②在实际中，地下水渗流可能沿着坡面流出，因此需要将坡面定为逸出边界，并在计算中不断检查调整（Potential Seepage Face Review），最终得到正确的逸出面。

③边坡模型两侧及底侧均为不透水边界。

1.3 降雨及人工削坡数值模拟方案

1.3.1 降雨模拟方案

粤东山区地处亚热带季风山地气候区，一年中呈现出明显的三个降雨特征：3～5 月为多雨季，表现为雨区广，强度较大，雨时长，地质灾害频有发生；6～9月为台风暴雨季，表现为台风暴雨或大暴雨，雨量大且集中，强度极大，是地质灾害易发期；10月至翌年2月为少雨季，表现为降雨稀少，地质灾害极少发生。因此，本文选择梅雨和台风暴雨两个典型降雨条件下，研究削坡建房对红色砂岩残积土边坡稳定性的影响，降雨数值模拟方案见表1所示。

表1 降雨模拟方案Table 1 Rainfall simulation scheme

1.3.2 削坡方案

粤东山区人工边坡地质灾害的调查结果表明，粤东山区居民削坡建房时，削坡高度均在6～15m之间，削坡坡度则在50°～70°之间；直线型人工边坡因其施工方便，操作简单，削坡建房时被大量采用，占比超过人工削坡坡形一半以上；人工削坡特征具体统计情况见表2。

表2 粤东砂岩残积土边坡人工削坡特征统计Table 2 Statistics on the characteristics of artificial slope cutting of sandstone residual soil slope in eastern Guangdong

因此，削坡模拟方案以人工削坡坡形为直线型，削坡坡度为50°、55°、60°、65°以及70°，削坡坡高为：6 m、9 m、12 m、以及15 m 的工况进行正交，得出相应的数值分析模型；人工削坡模拟方案见表3所示。

表3 人工削坡模拟方案Table 3 Artificial slope cutting simulation scheme

按照《滑坡防治设计规范》（GB/T 38509-2020）中，根据滑坡灾害可能造成的经济损失和威胁对象等因素进行划分（见表4），无特殊情况时人工削坡后形成的人工边坡可归为Ⅲ级滑坡防治工程。

表4 滑坡防治工程重要性等级划分表Table 4 Classification of importance level of landslide prevention and control works

1.4 土体参数

根据室内试验数据，岩土层计算参数（表5），土水特征曲线（SWCC）试验数据（脱湿曲线）（表6）如下所示。

表5 红色砂岩岩土体计算参数取值Table 5 Calculation parameters of red sandstone rock and soil mass

表6 各级基质吸力下对应的红色砂岩残积土体积含水率Table 6 Volume moisture content of red sandstone residual soil under matrix suction at all levels

试验数据采用Van Genuchen 模型进行拟合，其表达式为：

式（1）中：θ 为体积含水率；θs为饱和体积含水率；θr为残余体积含水率；ψ 为基质吸力（kPa）；a、n、m 为拟合参数，通常可取m =( )n - 1 /n，此时VG模型简化为Mualem 模型只有两个拟合参数，形式简单，应用方便，是岩土工程中常用的模型。

考虑基质吸力对非饱和渗透系数的影响，非饱和渗透系数函数使用Van Genuchten-Mualem 模型进行拟合（式（2））。

式（2）中：a 为与进气值有关的参数；n、m 为拟合参数，取m =( )n - 1 /n。红色砂岩残积土边坡非饱和渗流分析时各岩土层的计算参数见表7。

表7 各岩土层非饱和渗流计算参数Table 7 Unsaturated seepage calculation parameters of rock and soil layers

1.5 稳定性评价方法

根据红色砂岩残积土边坡各岩土层抗剪强度参数，采用强度折减法求取边坡稳定系数，进行边坡稳定性分析。强度折减法是将岩土体抗剪强度参数c、φ 值同时除以一个折减系数F，得到折减后的岩土体抗剪强度c′、φ′值；不断改变折减系数F，当边坡处于临界状态时，边坡将发生破坏，此时的F被称为边坡的稳定系数，具体公式为：

运用有限元强度折减法研究分析边坡的稳定性时，得到的稳定安全系数以及临界滑动面等结果与传统的稳定性分析方法得到的结果比较接近，误差较小，强度折减法可以作为边坡稳定性分析方法进行运用[7]。本文采用强度折减法计算边坡稳定系数时，将岩土体假设成理想弹塑性体，本构模型采用Mohr - Coulomb 准则。边坡失稳判定依据为：当边坡失稳破坏时，部分岩土体滑出，产生较大的位移和塑性变形，边坡破坏的特征为位移和塑性应变处于无限塑性流动状态，在计算中表现为不收敛。

2 人工削坡对红色砂岩残积土边坡稳定性影响分析

根据前文中降雨及人工削坡数值模拟方案，采用Midas GTS NX岩土分析软件，计算各种人工削坡工况下红色砂岩残积土边坡的稳定系数。表8为有无降雨条件下自然边坡的稳定性，表9、表10及表11分别为人工削坡后无雨、梅雨和暴雨条件下人工削坡后红色砂岩残积土边坡稳定系数变化情况。

表8 红色砂岩残积土自然边坡稳定系数变化表Table 8 Variation of natural slope stability coefficient of red sandstone residual soil

表9 人工削坡后无雨条件下红色砂岩残积土边坡稳定系数Table 9 Slope stability coefficient of red sandstone residual soil without rain after manual slope cutting

表10 人工削坡后梅雨条件下红色砂岩残积土边坡稳定系数Table 10 Stability coefficient of red sandstone residual soil slope under plum rains condition after artificial slope cutting

表11 人工削坡后暴雨条件下红色砂岩残积土边坡稳定系数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，红色砂岩残积土边坡经过人工削坡后，边坡的稳定性显著降低；而在梅雨或暴雨条件下，边坡的稳定性系数加剧减小，大部分人工削坡工况下的边坡稳定系数小于边坡稳定安全系数，没有达到《滑坡防治设计规范》（GB/T 38509-2020）中对Ⅲ级滑坡防治工程的要求（表12），即无雨工况下：Fs≥1.2；有雨工况下Fs≥1.15。

表12 滑坡抗滑稳定设计安全系数取值表Table 12 Safety factor values for stability design of landslide

2.1 削坡坡高对边坡稳定性的影响分析

由表9、表10及表11可以得到以下结论：

（1）6 m 削坡坡高的边坡稳定系数在三种工况下均小于9 m 削坡坡高边坡，这是因为削坡坡高较小时，削坡土方量较小，边坡上覆岩土体重量较大，土体的下滑力较大，在坡角处容易形成应力集中，从而在坡脚处更易破坏。因此，6 m 削坡坡高的边坡稳定系数更低，边坡稳定性更差，这与实际情况相符。

（2）削坡坡高大于9 m 时，在一定削坡坡度下，边坡的稳定系数随着削坡坡高的增大而显著降低，这说明当红色砂岩残积土边坡在较高坡高的人工削坡影响下，边坡稳定较差。

分析以上数值模拟结果可知，削坡坡高显著影响红色砂岩残积土边坡的稳定性；即使在50°削坡坡度、6 m 削坡坡高的工况下，红色砂岩残积土边坡的稳定系数也明显减小，即边坡稳定性明显变差。根据《滑坡防治设计规范》（GB/T 38509-2020）中对Ⅲ级滑坡防治工程的要求，对于自然坡度为40°左右的红色砂岩残积土边坡，可以给出如下人工削坡建议：

（1）应尽量避免在砂岩残积土自然边坡坡角处进行小于削坡坡高小于6 m 的人工削坡；坡角处大坡度、低坡高的削坡活动会大大降低红色砂岩残积土边坡的稳定性。因此，当无法避免在坡角处进行低坡高削坡时，削坡坡度应小于60°；

（2）当边坡削坡坡高分别为9 m、12 m 时，削坡坡度应分别控制在70°、50°；

（3）不建议裸坡高度高于12 m 的人工削坡建房活动；当削坡高度大于12 m时，应采用分级削坡。

2.2 削坡坡度对边坡稳定性的影响分析

由表9、表10及表11可以发现：

（1）无雨、梅雨及暴雨工况作用下，削坡坡高固定时，边坡稳定系数均随着切坡坡度的增大而逐渐减小，这是因为滑坡易从较陡的临空面的滑出，临空面越陡，临空面处的滑动土下滑力更大。

（2）在无雨、梅雨两种工况下，削坡坡高小于9 m 时，红色砂岩残积土边坡稳定系数随着削坡坡度的增大而近似线性减小；削坡坡高大于12 m 时，红色砂岩残积土边坡稳定系数随削坡坡度增大而大幅度减小，这说明削坡坡高大于12 m 时，削坡坡度对红色砂岩残积土边坡稳定性影响很大；此时，削坡坡度越大，边坡更容易出现失稳破坏，从而引发地质灾害。

（3）在暴雨工况，6 m 削坡坡高情况下，在削坡坡度大于65°时，红色砂岩残积土边坡的稳定系数急剧减小，这是因为低削坡坡高情况下，边坡表层残积土厚度较厚，利于雨水入渗边坡土体，当削坡坡度较大时，便极易从削坡处形成剪出口，从而导致边坡破坏。

综上所述，人工削坡的坡度对红色砂岩残积土边坡的稳定性影响很大，在一定削坡坡高条件下，削坡坡度越大，红色砂岩残积土边坡的稳定性系数越低。根据数值模拟结果，对于自然坡度为40°左右的红色砂岩残积土边坡，可以给出如下人工削坡建议：

（1）当削坡坡度分别为50°、55°、60°时，削坡坡高应分别控制在12 m、9 m、9 m以内；

（2）不建议削坡坡度超过65°。