复杂地质水库边坡滑动带的强度参数反演及其稳定性研究

谭文帅，李双龙

(1.湖南省水利工程协会，湖南长沙410007；2.中南大学土木工程学院，湖南长沙410075)

滑坡作为一种典型的重大地质灾害，其影响范围广，破坏力极强[1]。因环境因素变化(如暴雨、地震等)引发边坡垮塌事故屡屡发生，边坡稳定性研究及其防治措施一直是国内外学者研究的经典岩土工程问题[2]。岩土体抗剪强度参数对于边坡稳定性分析极其重要，一般采用现场试验、室内试验和参数反演等手段[3]来获取岩土体的抗剪强度参数。然而现场试验存在经费投入大、试验时间长等诸多缺点，室内试验精度同样受试样扰动性、取样随机性等因素影响，越来越多学者采用参数反演手段获取岩土体的强度参数[4]，参数反演不仅经济同时所获得的强度参数也满足工程精度要求。

针对边坡稳定性强度参数反演方面的分析，已取得较多成果：石崇等[5]采用三维极限平衡方法反算出了澜沧江古水水电站整岗滑坡堆积体底滑参数；杨秀萍[6]对水布垭面板堆石坝的材料参数进行反演，从坝体稳定角度研究了大坝的安全性问题；李骞[7]等通过有限元方法对岩质高边坡进行了参数敏感性反演分析；章朝峰[8]结合现场量测结果对水电站边坡进行了参数反演；刘超[9]对黄土高边坡的抗剪强度参数进行了反演分析，并评价其稳定性。

可见，尽管针对不同边坡进行参数反演的成果较多，但对复杂地质水库边坡的参数反演研究并不多见。复杂地质水库边坡因其覆盖层厚、地质岩层多及坡度较陡等特点一直成为边坡治理的难点。本文采用Morgenstern-Price法对长江中下游某水库复杂地质边坡滑带强度参数进行反演，基于反演参数，分析水库蓄水深度、抗滑桩加固及开挖削坡减载等工况对边坡稳定性影响，进而为复杂水库边坡的安全加固治理研究提供参考。

1 边坡强度参数反演分析方法

采用参数反演法对边坡抗滑强度参数进行分析要满足2个条件：①确定边坡滑动面，并且此滑动面作为边坡临界滑动面；②确定滑动面在此状态下对应的反演安全系数。目前采用的参数反演分析方法主要有：极限平衡分析方法、有限元法及有限差分法等。极限平衡分析方法将滑坡体分成条块状，计算抗力与荷载的比值，由此得到安全系数，主要包括Janbu法、简化Bishop法及Morgenstern-Price法等方法，而有限元法及有限差分法将整体的无限问题离散成形状各异的单元体，通过求解单元体的有限方程来获得整体的数值解，基于有限元法的强度折减法能够在考虑岩土体应力应变关系的同时求解边坡体的安全系数。本文采用的是极限平衡法中较成熟的Morgenstern-Price法[10]对滑坡滑带黏聚力c和内摩擦角φ进行反演，Morgenstern-Price法较Janbu法的优点是Morgenstern-Price法能处理任意形状的滑下面，特别适用于复杂地质水库边坡的稳定性分析。

2 复杂水库边坡的强度参数反演

2.1 工程概况

研究对象为长江中下游某水库一大型复杂地质边坡，边坡前缘与水库岸坡之间为阶地，阶面高程435～455 m、宽度约300～400 m、地形平坦开阔，阶地内侧山体地形坡度一般为15°～35°，其中局部为陡坎，边坡坡面总体走向约290°，局部转为近东西向，倾向北，地形坡度20°～35°，局部冲沟侧坡可达40°以上，相对高差约210 m，边坡全景见图1。

图1 边坡全景

现场监测数据显示，从正常蓄水2 a后，滑坡体开始出现滑移变形，高边坡位置出现少量拉裂缝，后经大量地质钻孔勘探，最后证实位于滑坡覆盖层堆积体和基岩分界面有一粉质黏土滑动带存在，见图2红线标识。初步认为该边坡产生滑移的主要原因为：蓄水导致滑坡体岩土体地下水位上升，有效应力降低，加上边坡后缘滑带以上覆盖层岩土体的推力作用，进而导致滑坡体覆盖层整体向库区滑移，为了进一步确定滑动带当前滑移状态的抗剪强度参数，通过反演手段结合试验数据综合获取。

图2 边坡典型地质岩层剖面示意

2.2 计算模型

参数反演需要建立合理模型。以滑坡体最不利二维剖面建立反演计算模型。本文采用岩土边坡二维计算软件Slide以滑坡体最不利二维剖面建立反演计算模型，对复杂地质水库滑带的强度参数黏聚力c和内摩擦角φ进行反演计算，计算模型材料属性分区包括人工填土层、滑动带(粉质黏土层)、冲洪积层(河道淤泥粉质黏土)、残坡积(粉质黏土夹碎石层)、崩坡积(崩、块碎石夹粉土层)、强风化基岩(泥岩)及中风化基岩(泥岩)。对于已经确定滑动面的滑坡，利用Slide可以指定滑动面进行稳定安全系数计算，本文分析边坡指定滑动面为折线形式。计算模型见图3。考虑滑坡体内部地下水的影响，根据钻孔水位高程设置地下水位，反演计算库水位高程为380 m。参考地质勘查报告，各岩土层基本参数取值见表1。

图3 Slide参数反演计算模型

表1 反演模型基本参数

2.3 反演状态的确定

反分析状态的合理确定直接影响到参数反分析结果的合理性。根据滑坡体现场地表裂缝分布及裂缝特征、地表变形和深层变形的空间分布，结合DL/T 5337—2006《水电水利工程边坡工程地质勘察技术规程》表C.2[11]给出的滑坡各发育阶段变形特征描述，最终确定该滑坡体处于蠕动阶段，其稳定系数为1.00～1.05。经现场勘查，同时考虑边坡三维空间的富余安全性，综合确定反演安全系数为1.05。

2.4 参数反演

取滑动带黏聚力c反演计算范围8～40 kPa(每间隔4 kPa反演计算一次)，内摩擦角反演计算范围8°～15°(每间隔1°反演计算一次)。图4为黏聚力c=20 kPa、φ=10°计算方案下的安全系数示意，各方案反演计算过程见表2。

图4 c=20 kPa、φ=10°计算安全系数

由表2可知，在内摩擦角反演计算中，每增加1°，则安全系数增加约0.08，增幅约为8%，而黏聚力每增加4 kPa，安全系数增加约0.012，增幅约为1.5%。可见在该边坡的强度参数反演敏感性计算中，内摩擦角的敏感度要比黏聚力更强，内摩擦角的取值对反演参数合理性的影响更大。

表2 强度参数反演过程

图5给出了各黏聚力与内摩擦角反演计算过程曲线。由图可知，在给定不同黏聚力值的情况下，随着内摩擦角的增大，安全系数的变化规律基本一致。绘出1.05安全系数直线，经过插值可得到反演计算后得到的滑动带强度参数，同时综合滑动带取土室内试验数据最终确定内摩擦角10.4°，黏聚力22 kPa，基于反演强度参数可对该边坡的稳定性进一步分析。

图5 c和φ敏感性分析曲线

3 基于反演参数的稳定性分析

通过以上强度参数反演计算得到了该边坡滑动带强度参数，为了进一步分析环境变化对该边坡稳定性的影响以及考察后期工程治理措施的效果，分别研究不同蓄水深度、不同抗滑桩布置形式以及开挖削坡对该边坡稳定性影响规律。

3.1 蓄水深度对安全系数影响规律

建立以下4种工况：gk1为天然河床水位未蓄水，gk2为蓄水水位高程360 m，gk3为正常蓄水位高程380 m骤降10 m (地下水位来不及变化)，gk4为正常蓄水位高程380 m加暴雨(地下水位升高2 m)。分别对上述4种工况进行计算，计算结果见表3。由表可知，在天然未蓄水情况下，滑坡体内地下水位相比蓄水后要低，因此整个滑坡体偏向稳定，安全系数为1.076；而随着蓄水深度的增加安全系数逐渐降低，在正常蓄水位高程380 m加上暴雨工况，边坡安全系数仅为1.029，其主要原因为蓄水及暴雨工况下地下水位升高，滑坡体岩土体孔隙水压力增加，有效应力降低，进而增加失稳的可能性。

表3 不同工况计算结果

3.2 抗滑桩布置方式对安全系数影响规律

针对该边坡出现的滑移现象，为了防止其变形加剧，必须采用工程措施对其进行安全加固。目前针对边坡加固整治措施，主要方法包括：①挡土墙；②抗滑桩；③施加金属锚杆(索)；④添加护坡等措施。显然，该边坡由于主滑动带较深，处于覆盖层与基岩交界面，在地面以下70～90 m处，并不适合建立挡墙，同时覆盖层主要为松散崩坡积黏土夹碎石，基岩裂隙发育，金属锚杆也不适用。该边坡拟采用的加固措施为：在该边坡后缘较陡位置设立多排抗滑桩，每排抗滑桩宽度1 m，抗滑桩深度穿过滑动带交界面位置，抗剪强度为1.2 MPa。考察不同抗滑桩布置形式对安全系数的影响，建立3种布置形式见图6，依据这3种不同布置形式建立不同计算方案，其计算结果安全系数见表4。

图6 3种抗滑桩布置形式

计算方案安全系数仅①布置形式1.052仅②布置形式1.053仅③布置形式1.053①+②布置形式1.055①+③布置形式1.055②+③布置形式1.056

由安全系数计算结果(表4)可知，采用①形式抗滑桩进行加固，较边坡反演状态，安全系数只增加了0.002，采用②、③形式安全系数增加了0.003，可见②、③形式位置的滑坡土体形成的向下推力要更大，主要是由于此部位滑动带上部覆盖层坡度较陡所致。当采用2种形式同时布置时，最佳组合形式为②+③布置形式，比边坡原始状态安全系数增加了0.006。总体来说，由于滑坡体量较大，产生向下滑移推力巨大，设立抗滑桩并没有显著效果，同时也并不经济，抗滑桩深度大也导致施工困难。

3.3 开挖削坡对安全系数影响规律

根据该滑坡的滑移模式，滑坡滑移的主要原因为滑坡体后缘较陡岩土体产生巨大推力，结合水库蓄水引起的地下水位上升等因素致使滑坡体产生阶段性滑移变形。由此进一步确立了通过开挖削坡方式来提高该边坡安全稳定的加固办法。开挖削坡是指对边坡后缘坡度大的边坡岩土体进行开挖，降低边坡下滑力达到增加边坡安全性的目的。对该边坡采用开挖削坡的处理方式进行加固，图7为开挖后的边坡示意。对开挖后的边坡进行计算，计算结果见图8。

由图8可知，开挖削坡后的边坡安全系数达到1.262，较边坡反演状态安全系数增加了0.212，增幅约为20%。根据DL/T 5337—2006《水电水利工程边坡工程地质勘察技术规程》表C.2中所述，该边坡在开挖削坡后安全系数为1.262，处于安全稳定状态，可见开挖削坡对该边坡安全加固作用效果明显。

图7 开挖削坡示意

图8 开挖削坡计算结果

4 结论

本文采用二维极限平衡分析方法Morgenstern-Price法对长江中下游某水库复杂地质边坡滑动带强度参数进行反演，基于反演参数，研究了蓄水深度、抗滑桩加固布置形式及开挖削坡减载等工况对边坡稳定性影响，得到以下结论。

a) 该复杂地质水库边坡强度参数反演计算表明，滑动带强度参数内摩擦角为10.4°，黏聚力为22 kPa，并且内摩擦角的敏感度要比黏聚力更强，内摩擦角的取值对反演参数合理性的影响更大。

b) 边坡稳定安全系数随着水库蓄水深度增加而降低。在正常蓄水位+暴雨工况，该边坡稳定安全系数为1.029，因此，有必要在滑坡体内做好排水设施以防强降雨期间滑坡体进一步滑移。

c) 设立抗滑桩对该边坡的安全加固作用没有显著效果，而开挖削坡对提高该边坡安全稳定作用效果明显，开挖削坡后的边坡安全系数达到1.262，较边坡反演状态安全系数增加了0.212，增幅约为20%，处于安全稳定状态。