树坪滑坡切坡抗滑增稳优化治理数值模拟研究

吴丽丽，贺可强，全恩厚，全恩伟，朱裕祥，吴远锋

（1.青岛理工大学 土木工程学院，山东 青岛 266033；2.山东华通路桥工程有限公司，山东 临沂 273400）

0 引 言

在地形地貌的演变过程中，滑坡作为一种典型的块体运动形式，是一种重大的自然地质灾害，给人们的生产、生活带来严重威胁［1］。堆积层滑坡是滑坡的一种基本类型，具体指发生在第四系及近代松散堆积层的一类滑坡，该类滑坡规模大、突发性强，容易受多种因素影响，且滑移条件复杂，在我国滑坡分布中占比较大［2］，尤其是我国的西南、西北地区和长江三峡库区。堆积层滑坡已对我国国民经济和人民生活等方面造成了极大危害，滑坡的防治问题得到越来越多的重视。

滑坡治理工程中应考虑的影响因素主要有滑坡类型、滑坡体积大小、稳定性以及滑坡区域的地质构造条件、构（建）筑物类型及其分布范围、施工实施用具和季节性等，需要采用多种治理形式进行综合治理，如围截排水、卸载压脚、打入抗滑桩、高压注浆、锚固预应力锚索等［3］。对于涉水条件下大型堆积层滑坡的治理，由于滑坡体积大、滑体厚，主要采用切坡卸载和相关工程措施（堆载、排水、支护等）综合治理方法［4-9］。夏艳华等［10］在切坡卸载设计中采用传递系数法思想，引入剩余抗滑力概念，利用预期安全系数逆向计算各个条块的剩余抗滑力，给出切坡优化方案，确定最优条件下的切坡位置和规模；高俊等［11］针对某滑坡治理时切坡压脚土方量不平衡问题进行研究，为滑坡体设计出高压脚少卸荷、低压脚多卸荷两种治理方案并进行对比，发现采用低压脚多卸荷治理方案效果更好，且当堆载体积达到一定程度后，滑坡体的抗滑安全系数将保持不变。基于临界压脚体进行滑坡治理可解决切坡土方量与堆载土方量的不平衡现象，降低工程造价，为实际工程建设提供一定的参考价值。张帆宇等［12］采用物理模型试验及工程地质分析的定性分析与FLAC3D数值模拟定量分析相结合的方法，全面分析了袁家湾高速公路修建过程中因开挖高陡切坡引发的顺层岩质滑坡失稳过程和演化机理，发现人工改造边坡会不同程度地影响边坡地质环境，并导致其他条件对边坡稳定性影响程度也发生改变，即具有伴生效应；周中等［13］选取贵州晴隆典型堆积层边坡进行了现场切坡开挖试验，并同时进行原位监测，结果表明，在切坡开挖的影响下堆积层边坡偏于发生浅层牵引式破坏，且滑动变形范围在坡面的0～4 m，坡面变形最大，从坡面至坡面以下变形逐渐变小。

本文基于上述研究成果和堆积层边坡切坡卸载过程中的下滑动力变化与变形响应特点，选用MIDAS GTS NX有限元软件及其内置的强度折减法对树坪滑坡A-A剖面优化治理方案的抗滑增稳效应进行分析，以期为该滑坡的治理提供参考。

1 切坡卸载对堆积层边坡稳定性的 影响

1.1 切坡卸载条件下堆积层边坡下滑动力及变形响应演化特征与规律

堆积层边坡的切坡卸载过程是一个稳定的单向增加过程，即随着切坡进行，边坡将由不稳定状态（或欠稳定状态）逐渐进入稳定状态。为了阐明切坡卸载过程对堆积层边坡稳定性状态的影响，设堆积层边坡为均质体，且该均质体呈各向同性，坡体厚度也呈均一变化。将边坡潜在滑动条块作为研究对象，堆积层边坡滑动条块受力情况如图1所示。图1中，Gi为滑动条块重力；Ri为滑面上的抗滑力；Ni为滑动条块有效应力；ΔPi为下滑动力变化量；Hi为滑动条块高度；hi为切坡高度；θi为滑面倾角。

由图1可知，切坡前滑动条块的下滑力Ta、抗滑力Ra分别为

图1 堆积层边坡滑动条块受力示意图Fig.1 Stress diagram of sliding strip of accumulation slope

切坡后滑动条块的下滑力Tb、抗滑力Rb为

式中：c为滑面黏聚力；φ为滑面内摩擦角；θ为滑面倾角；l为滑动条块底面长度；γ为滑动条块重度。

因此，切坡引起的下滑动力变化量为：

堆积层边坡切坡卸载时坡体变形主要受切坡影响，宏观上表现为卸荷回弹变形，变形发展主要经历变形趋缓阶段和变形稳定阶段［14］。

变形趋缓阶段：随着切坡卸载进行，坡体变形逐渐得到控制，并表现为趋缓变形，坡体稳定性得以提高。

变形稳定阶段：随着切坡结束，坡体变形逐渐停止并趋于稳定。

另外，依据堆积层边坡自身特点和构造特征，将边坡坡体假设为理想弹塑性。对边坡坡体进行计算时，其断面受力与变形物理参数均取平均值［15］。依据弹塑性力学基本原理，堆积层边坡切坡卸载引起的下滑动力与位移变化量关系式为

根据式（6）～（8）可知

式中：ΔSi、ε-i、σ-i分别为切坡卸载引起的滑动条块位移变化量、应变均值、应力均值；E-i为切坡卸载时相应的滑坡体变形模量均值；Vi为滑动条块体积（单位宽度条件下），Vi＝Hil cosθ。

由式（5）～（9）可知，在其他因素相对不变的情况下，堆积层边坡切坡引起的边坡下滑动力变化量与位移变化量主要取决于切坡过程中切坡高度的变化。随着切坡过程中切坡高度增加，滑坡的下滑动力降低，抗滑力增加，滑坡位移变化量减小。可以认为切坡卸载过程是堆积层边坡下滑动力变化与位移变化的主要动力影响因素。

1.2 切坡卸载条件下堆积层边坡稳定性演化规律

根据式（3）～（4）和边坡稳定性极限平衡原理，确定切坡后边坡的稳定性系数Fsi为

由式（10）可知，在切坡卸载过程中，只有切坡高度变化量Hi-hi是变化参数，因此边坡稳定性系数Fsi与切坡卸载动态变化过程直接相关。

2 实例分析

2.1 树坪滑坡工程概况

树坪滑坡［16］与三峡大坝相距约47 km，位于长江南岸的百福坪背斜东翼，滑坡整体由南至北展布，地形起伏状态为南高北低，且陡、缓相间。滑坡体纵向（南北）长约800 m，横向（东北）宽约700 m，面积约55×104m2，厚度约30～70 m，厚度均值约50 m，体积约2 750×104m3。滑坡东侧和中部变形较大，且为主滑区，体积约为1 575×104m3。滑坡体发育于沙镇溪背斜近轴部，属于逆向坡，其地层产状120°～173°，倾角9°～38°，该滑坡斜坡走向总体上与长江平行。从树坪滑坡的物质组成上分析，其滑体主要组成物质为崩坡积碎块石土，滑坡下部以粉质黏土为主；滑带以碎石角砾的粉质黏土为主，其中角砾大部分为砂石、泥岩和泥灰岩。滑坡下伏基岩是三叠系中统巴东组地层，以紫红、灰绿色的中厚层状粉砂岩夹泥岩，以及灰、浅灰色的中厚层状泥岩为主要成分，剖面图如图2所示。树坪滑坡因与三峡库区较近，属于涉水、大型老滑坡，该滑坡区域的地表水系来自长江，水位145～175 m，主要受三峡水库的蓄水控制。滑坡变形始于2003年三峡水库蓄水，因常年水位不断升降，再加上降雨影响，导致树坪滑坡产生了较大的累计变形。

图2 树坪滑坡工程地质剖面图Fig.2 Engineering geological sectional drawing of Shuping landslide

为了有效降低滑坡变形速率，2014年对树坪滑坡进行应急治理［17］，应急治理工程的设计工况为：自重+库水位175～145 m，整体安全系数1.03，上层滑体、潜在滑体的安全系数均需达到1.10；校核工况为：自重+库水位175～145 m+50 a一遇暴雨，整体安全系数需达到1.0，上层滑体与潜在滑体的安全系数则需达到1.05。该应急治理工程的总体方案为：削方+压脚+地表排水沟。主要工程量为：每隔20 m高差设置一级马道，削方工程土石方开挖体积575 774 m3，压脚工程土石方回填体积373 962 m3，另外设计5条排水沟，总长2 850 m。同时根据滑坡规模和危害程度确定治理工程等级为Ⅰ级。滑坡平面形态特征见图3。

根据《滑坡防治工程勘察规范》（GB／T 32864-2016）要求，滑坡防治工程的稳定状态评价标准为：F＜1.00时，滑坡属于不稳定状态；1.00≤F＜1.05时，滑坡属于欠稳定状态；1.05≤F＜1.15时，滑坡属于基本稳定状态；F≥1.15时，滑坡属于稳定状态。削坡减载工程中，堆积体或土质边坡高度超过10 m时，应进行分级放坡。根据规范中对滑坡稳定状态的评价标准及施工技术的要求可知，有必要对树坪滑坡提出优化治理方案。

2.2 树坪滑坡优化治理方案选取与数值建模

2.2.1 优化治理方案的选取

本文以减小滑坡后缘下滑力、增加滑坡前缘抗滑力为目的，根据树坪滑坡的地形地貌条件以及《滑坡防治工程设计与施工技术规范》（DZ／T 0219—2006）中的要求，同时综合考虑多种条件，如滑坡地区地质、施工季节条件等，选取切坡、堆载作为优化治理手段，堆载作为安全储备可提高稳定性。该滑坡具体优化治理方案为：切坡位置为中部（滑移面呈凸出状），堆载位置为坡脚，切坡坡形为阶梯状；根据《边坡工程处治技术》［18］中堆积体边坡坡率参考值并结合相关工程经验，该滑坡切坡参数为：切坡自上而下分6级（层），单级坡高10 m，坡率为1∶1.75（第1～3层）、1∶2.25（第4～6层），平台宽5～8 m。树坪滑坡切坡堆载示意图如图4所示。

2.2.2 计算模型的建立及参数选取

采用岩土有限元软件MIDAS GTS NX进行数值模拟，考虑岩体材料的非线性特征，采用强度折减法进行计算分析，可为岩土工程中的实际施工提供可靠的技术支持。以树坪滑坡典型剖面A-A为原型建立坡体，长度880 m，前后缘高程分别为20.3 m、418 m的计算模型，概化模型如图5所示，共划分5 939个节点，5 832个单元。根据树坪滑坡的野外和室内试验，通过工程类比，最后确定滑坡的物理力学参数如表1所示。

表1 树坪滑坡物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of Shuping landslide

图5 树坪滑坡A-A剖面数值模拟概化模型Fig.5 Generalized model of numerical simulation of Shuping landslide section A-A

2.2.3 计算工况

为了验证优化治理方案的适用性，根据三峡库区水位的调度方案和实测降雨量，并考虑树坪滑坡动态卸荷、自重应力等因素的影响，设置4种计算工况，见表2。

表2 计算工况Tab.2 Calculation conditions

3 结果分析

3.1 优化治理方案的应力场分析

优化治理方案实施后，坡体的水平应力、竖向应力如图6～7所示。其中，坡体表面的水平应力、竖向应力均表现为压应力，其大小随着切坡进行有所减小，这是切坡卸荷作用造成的，但整体没有出现应力集中现象。最大剪应力云图见图8，坡体各台阶处没有出现应力集中现象，表明切坡后边坡不会发生剪切破坏。

图6 边坡切坡后水平应力Fig.6 Horizontal stress of slope after cutting

图7 边坡切坡后竖向应力Fig.7 Vertical stress of slope after cutting

图8 边坡切坡后最大剪应力Fig.8 Maximum shear stress of slope after cutting

3.2 优化治理方案的位移场分析

从宏观上看，树坪滑坡发生的横向变形大于竖向变形，因此模拟结果中主要分析坡体的水平方向位移。由于模拟结果中第1～3切坡层的最大水平位移变化较小（红色区域范围为零），第4～6切坡层的最大水平位移变化比较明显，因此以第4～6层切坡的最大水平位移为例分析其变化规律。图9～11所示分别为第4～6切坡层的水平位移，可以看出，边坡临空面附近的最大水平位移表现出扩大趋势，且第4、5、6切坡层的最大水平位移红色区域分别为9.2%、11.4%、11.3%，第4～5、5～6切坡层最大水平位移变化量分别为2.2%、0.1%，即最大水平位移的变化量呈现出降低趋势。可见，该模拟演化位移特征与切坡卸载条件下堆积层边坡变形减小的规律相符。

图9 第4层切坡水平位移Fig.9 Horizontal displacement of cutting slope in the fourth layer

图10 第5层切坡水平位移Fig.10 Horizontal displacement of cut slope of the fifth layer

图11 第6层切坡水平位移Fig.11 Horizontal displacement of cut slope of the sixth layer

3.3 优化治理方案的塑性区及稳定性分析

切坡后坡体的有效塑性区见图12。由图12可以看出，切坡坡体表面塑性区不明显，没有扩展和贯通趋势。通过强度折减法计算得出的稳定性系数见图13，可以看出，随着切坡进行，稳定性系数逐步升高，与前述位移场变化结果吻合。

图12 边坡切坡后有效塑性区Fig.12 Effective plastic zone of slope after cutting

图13 边坡稳定性系数随切坡变化时序曲线Fig.13 Time series curve of slope stability coefficient changing with cut slope

3.4 不同计算工况下稳定性模拟结果分析

通过MIDASGTSNX有限元软件内置的强度折减法对边坡的稳定性进行计算分析，得出各计算工况下应急治理工程与本文优化治理方案的整体稳定性系数，见表3。

表3 各计算工况稳定性系数与切方量Tab.3 Stability coefficient and cutting volume of each calculation condition

从表3可以看出，工况2、3条件下应急治理工程稳定性系数满足要求（F≥1.15）；在175 m水位和实测工况条件下，稳定性系数下降，分别处于欠稳定（1.00≤F＜1.05）和基本稳定状态（1.05≤F＜1.15）。本文提出的优化治理方案在各计算工况下稳定性系数均满足要求（F≥1.15），这与堆积层边坡在切坡卸载条件下坡体稳定性增加的规律相符。由前文可知，应急治理工程的切方量为575 774 m3，优化治理方案的切方量为531 647 m3，与应急治理工程相比切方量降低了8%。由上述结果可以看出，本文提出的优化治理方案对树坪滑坡起到了良好的抗滑增稳效果，且具有较好的适用性。

4 结 论

（1）堆积层边坡的切坡卸载过程是一个单向增加稳定性的过程，该类边坡的抗滑增稳效应表现为：下滑动力减小，变形响应降低。其中，下滑动力变化量主要受切坡高度、边坡倾角、坡体物理力学性质等因素影响，切坡过程中切坡高度变化是堆积层滑坡下滑动力最明显的动态变化因素，说明切坡卸载过程是影响该类边坡稳定性的主要因素。

（2）随着树坪滑坡切坡进行，坡体表面的水平应力、竖向应力均表现为压应力，压应力值因切坡卸载作用减小，切坡完成后的最大剪应力没有出现应力集中现象，不会发生剪切破坏；随着切坡进行，位移变化量开始降低，稳定性系数逐步升高，体现了切坡卸载对树坪滑坡坡体产生的抗滑增稳效应。

（3）为验证树坪滑坡优化治理方案的适用性，对4种计算工况下的优化治理方案与应急治理工程稳定性进行数值模拟分析，由模拟结果可知，各计算工况下优化治理方案的稳定性能满足要求，切坡方量也比应急治理工程降低了8%。