强降雨条件下滑坡稳定性分析及防治措施研究

2023-03-14左韵琳黄东晓

水利技术监督 2023年2期

左韵琳，黄东晓

(1.济南市水利工程服务中心，山东济南 250013； 2.沂沭河水利管理局刘家道口水利枢纽管理局，山东临沂 276004)

我国存在大量的地质灾害，主要包括滑坡、崩塌和不稳定斜坡，其中滑坡灾害占2/3以上，因此，分析和研究滑坡稳定性具有重要的意义[1- 4]。国内学者对此进行了一些研究，主要有：文献[5- 6]以某地区滑坡区域为研究对象，采用一定的方法对滑坡特征和影响因素进行了分析，结果表明滑塌区在降雨条件下导致坡体饱和，处于欠稳定状态，需要进一步治理和监测。文献[7- 8]以某堆积层边坡为研究对象，采用Geo-Studio软件对强降雨条件下边坡降雨入渗规律及其稳定性进行了分析，结果表明，降雨对坡脚影响最大，其次是坡顶，最小的是坡体中部，且边坡稳定系数随着降雨持续时间的增大而减小。文献[9- 10]以某实际工程为例，对滑坡的成因及诱发因素进行分析，得到了滑坡形成的原因，对滑坡区进行了稳定性计算，并针对滑坡提出了合理的治理措施。本文主要以山东地区某滑坡为研究对象，采用数值模拟的方法对天然状态和强降雨条件下滑坡变形和稳定性进行了分析，并提出了一些防治措施，研究结果可为类似滑坡防治提供参考和借鉴。

1 工程概况

某滑坡位于山东省境内，处于构造侵蚀溶蚀区，边坡坡度为25°～35°，在沟谷形成狭窄的通道。该滑坡裂隙后缘高程为856m，坡脚高程为718m，相对高差为138m。滑体最大长度为234m、最大宽度为72m、总面积为3.4万m2。滑体主要为崩坡积层堆积物，厚度为9.8～23.1m。数值模拟方法作为一种简单有效的方式，在边坡分析中得到了广泛应用。为了对该滑坡提出有针对性的防治措施，下文采用数值模拟方法进行研究。

2 数值模拟分析方法

2.1 模型建立

将三维模型导入FLAC软件中得到数值模型，如图1所示。

图1 数值模型图

模型的长280m、宽320m、最大高度为260m、最低高度为14m，共分为基岩和滑体2个部分。模型除上边界外，其他边界均进行位移约束，均采用摩尔-库伦本构模型，共有118756个节点和584562个单元，图1(b)给出了典型截面I-I′剖面。

天然状态和强降雨条件2种工况的岩土体的物理力学参数见表1—2。

表1 天然状态下岩土体的物理力学参数

表2 强降雨条件下岩土体的物理力学参数

2.2 监测点设置

为了对该边坡在天然状态和强降雨状态下的稳定特性进行监测，在模型Ⅰ-Ⅰ′剖面滑体上设置1#～5#监测线，在1#、2#和5#监测线上分别设置3个监测点，在3#和4#监测线上分别设置4个监测点，如图2所示。

图2 监测点布设图

3 数值结果分析

3.1 天然状态下滑坡稳定性分析

3.1.1位移分析

采用边坡模型对天然状态下的滑坡稳定性进行分析，得到天然状态下的边坡总位移云图和Ⅰ-Ⅰ′剖面位移云图，如图3所示。

图3 天然状态下边坡位移云图

由图3(a)可知，天然状态下滑坡最大位移值为21.7mm，最大位移主要集中在滑体后部；由图3(b)可知，Ⅰ-Ⅰ′剖面上最大位移值为21.3mm，同样发生滑体的后部。综上可知，重力作用下滑体前缘临空方向上的位移变形最大，但位移变形水平整体上较小。

为了更加准确地分析滑体变形规律，对天然状态下Ⅰ-Ⅰ′剖面上不同监测线上面的位移监测点进行分析，如图4所示。

图4 天然状态下监测点总位移监测曲线

由图4可知，在天然状态下，1#、4#和5#监测线处的滑坡位移相对较大，即主要变形发生在滑坡体的前缘和后部位置处。滑坡前缘1#监测线上的最大位移值为16.0mm，滑坡后部位置4#和5#监测线上的最大位移值为17.2mm，且从滑坡表面到滑体内部，位移值逐渐减小，越靠近基岩处位移越小，在与基岩交汇处滑体位移基本为零。综上可知，天然状态下，该滑坡变形主要发生在滑坡体的前缘和后部位置处，且滑体表面变形最为明显，在与基岩交汇处滑体位移基本为零，整体上滑体稳定性良好。

3.1.2应力分析

模型最大主应力分布云图如图5所示。

图5 最大主应力分布云图

由图5可知，从滑坡表面沿深度方向最大主应力值均匀增大，未发生应力突变现象，且整个模型均表现为压应力。因此，从应力状态来看，天然状态下滑体最大主应力处于较低水平，且整体受压，未发生应力突变和集中现象，滑体整体稳定性较好。

3.1.3最大剪切应变增量和塑性区分析

为了对天然状态下滑体的变形和破坏位置进行直观分析，给出了Ⅰ-Ⅰ′剖面最大剪切应变增量云图和塑性区分布云图，如图6—7所示。

图6 Ⅰ-Ⅰ′剖面最大剪切应变增量云图

由图6可知，天然状态下滑坡的剪切应变增量主要出现在滑坡后部和滑坡前缘坡脚附近，在与基岩交汇处剪切作用基本没有出现。由图7可知，天然状态下滑坡塑性区同样主要分布在滑坡后部和滑坡前缘坡脚附近，滑坡中部和后部基本未出现塑性区，且已有的塑性区基本为之前循环出现的剪切破坏单元(shear-p)。此外，通过强度折减法计算得到的天然状态边坡安全系数为1.32。综上，从剪切应变增量和塑性区来看，此时滑坡是稳定的。

图7 Ⅰ-Ⅰ′剖面塑性区分布云图

3.2 强降雨条件下滑坡稳定性分析

3.2.1位移分析

采用边坡模型对强降雨条件下的滑坡稳定性进行分析，得到强降雨条件下的边坡总位移云图和Ⅰ-Ⅰ′剖面位移云图，如图8所示。

图8 强降雨条件下边坡位移云图

由图8(a)可知，强降雨条件下滑坡最大位移值为200.0mm，是天然状态最大位移的9.2倍，最大位移主要集中在滑体前缘；由图8(b)可知，Ⅰ-Ⅰ′剖面上最大位移值为200.0mm，同样发生滑体的前缘。综上可知，强降雨条件下滑体前缘首先发生较大的滑动变形，继而牵引滑体后部发生变形破坏。

为了更加准确地分析滑体变形规律，对强降雨条件下Ⅰ-Ⅰ′剖面上不同监测线上面的位移监测点进行分析，如图9所示。

图9 强降雨条件下监测点总位移监测曲线

由图9可知，在强降雨条件下，滑坡位移主要发生在1#和2#监测线处，其中1#监测线滑坡位移最大，即主要变形发生在滑坡体的前缘位置处。滑坡前缘1#监测线上的最大位移值为108.5mm，2#监测线上的最大位移值为35.0mm，从滑坡表面到滑体内部，位移值逐渐减小，越靠近基岩处位移越小。综上可知，强降雨条件下，该滑坡变形主要发生在滑坡体的前缘位置处，且滑体变形量较大，认为此时滑坡前缘已发生滑移破坏，此时滑坡整体处于不稳定状态。

3.2.2应力分析

模型最大主应力分布云图如图10所示。

图10 最大主应力分布云图

由图10可知，从滑坡表面沿深度方向最大主应力值均匀增大，未发生有应力突变现象，且整个模型均表现为压应力。因此，从应力状态来看，强降雨条件下滑体最大主应力与天然状态下相差不大。

3.2.3最大剪切应变增量和塑性区分析

为了对强降雨条件下滑体的变形和破坏位置进行直观分析，给出了Ⅰ-Ⅰ′剖面最大剪切应变增量云图和塑性区分布云图，如图11—12所示。

图11 Ⅰ-Ⅰ′剖面最大剪切应变增量云图

由图11可知，强降雨条件下滑坡的剪切应变增量主要出现在滑坡前缘处，且在与基岩交界面形成了一条剪切带，说明此时滑移面已经形成；由图12可知，强降雨条件下滑体均出现塑性区，且塑性区除了出现正在剪切破坏单元(shear-n)，还在滑坡前缘、后缘和中部发生了张拉破坏。此外，通过强度折减法计算得到的强降雨条件下边坡安全系数为0.94。综上可知，强降雨条件下该滑坡非常不稳定，会出现滑坡破坏。

图12 Ⅰ-Ⅰ′剖面塑性区分布云图

4 滑坡防治措施分析

历年的气象数据表明，山东地区年降雨量较为充沛，且具有降雨集中和降雨历时较长等特点，加剧了滑坡灾害的出现，应尽快对其进行防护加固。根据地质特点，本文提出2种滑坡治理措施。

(1)采用坡面排水+设置抗滑桩方案。工程实践表明，抗滑桩在滑坡治理工程中作用明显，配合坡面排水能实现较好地防治效果。对于抗滑桩，建议在高程约861m处设置1排抗滑桩，抗滑桩的设计推力值为1140kN/m。对于坡面排水，在滑坡体的后缘和滑坡中部位置设计2条截水沟，同时在滑坡体的侧缘设计2条地表排水沟，排水方向为由北侧向南侧排水。该方案的优点是不用改变现有滑坡形状，直接进行支护；缺点是施工成本较高，施工难度系数较大。

(2)采用坡上居民搬迁+定时滑坡变形监测。为了更好地消除滑坡灾害产生的安全影响，建议对坡上5户居民进行搬迁，同时在滑坡体上布设变形监测设备和预警设备，对滑坡变形进行及时监测，为地质灾害部门提供决策参考。