某土质不稳定斜坡稳定性分析和评价

刘玉叶，魏台桂，张宁

（美丽华夏生态环境科技有限公司，北京 100176）

0 引言

在不稳定斜坡勘查时，应对勘查区的不稳定斜坡是否处于稳定状态进行研究，并依据分析结果给出可靠的不稳定斜坡治理措施。评价结果的准确与否直接影响不稳定斜坡工程防治措施的可靠性（郑颖人等，2007）。北京市房山区具有地质灾害频发，数量众多的特点，影响当地居民生命、财产和生活。本文研究北京市某土质不稳定斜坡，通过对斜坡变形现象宏观分析，运用瑞典条分法（包尧玲等，2019），两种软件相互验证，对典型3条剖面1-1′、4-4′和5-5′定量计算其稳定系数，定性评价其稳定状态，提出隐患治理建议，进行防灾减灾。

1 不稳定斜坡概况

某不稳定斜坡位于北京市房山区十渡镇卧龙村，类型为土质斜坡，地貌属于谷坡阶地。斜坡按北西-南东向分布，北西高，南东低。斜坡标高200～226 m，相对高差26 m，斜坡总长90 m，坡向南西，平均坡度80°，物质组成为卵砾石土及黄土状粘土。斜坡后缘发育乔木、灌木，覆盖率90%，坡脚居民房屋分布密集（马启和等，2012）。

根据坡体特征、物质组成等将不稳定斜坡分为三段：A-B段、B-C段和C-D段（图1a）。A-B段为斜坡的南段，长46 m，走向近东西，坡向186°，坡度近直立，局部较缓为70°，坡高10～21 m，西高东低。B-C段为斜坡的中段，坡长25 m，坡高16～19 m，坡向240°。边坡底部近直立，高5～10 m，局部临空；顶部为天然边坡，坡度45°，高11～13 m；坡脚为道路及居民房屋，道路宽2.4 m。C-D段为斜坡的北段，坡长19 m，高2～9 m，坡向205～245°，坡度60～83°，为修路切坡形成。坡体后缘为菜地，道路及植被，未见滑动迹象。

该斜坡为道路切坡形成，相对高差较大，坡面近直立，局部呈临空状态。斜坡垂直度高，土体密度不均匀，结构松散，存在掉块现象。遇到连续强降雨，斜坡可能变形、失稳、出现局部小范围垮塌，对修建于坡脚的众多房屋构成了较大的威胁（图1b）。

图1 不稳定斜坡坡体全貌图（a）及其与威胁对象相对位置（b）

2 斜坡变形宏观分析

2.1 斜坡近期发育特征

据现场走访调查，该斜坡坡体后缘不发育表征斜坡整体变形的剪切或鼓胀裂缝等变形迹象（图2），分析得出一般自然条件下斜坡整体是比较稳定的，逢雨季强降雨或地震时，坡体稳定性下降，会出现严重的掉块和局部小范围垮塌。

图2 不稳定斜坡坡体后缘状况图

2.2 斜坡变形影响因素

不稳定斜坡坡体发生变形破坏是多种因素作用的结果，与地层岩性、地形地貌、强降雨、地震和人类活动等密不可分。其中引起坡体滑坡的内因包括地层岩性、地形地貌，外因则为极端强降雨和人类活动，地震属于特殊工况。

2.2.1 地形地貌

不稳定斜坡坡高3～21 m，坡面地形陡直，坡度65～85°不等，大部分近直立，坡体前缘陡坎为道路开挖、建房削坡形成，导致斜坡发生形变，并且形成了有效的临空面（马长玲和李科，2012；张旭光和魏新平，2018；王腾辉和杨宗平，2019）。

2.2.2 地层岩性

本文所研究的不稳定斜坡的地层岩性较为复杂。上层多为由白云岩构成的卵砾石土，结构松散，无胶结。下部坡体呈黄褐色，为第四系粉质粘土，垂直节理发育（图3）。整体上看，该不稳定斜坡的土体存在很强的渗透性，利于降雨入渗。发生暴雨，地震等情况下土体重度显著增加，力学强度明显降低，易导致坡体出现滑动变形（沈万里等，2016；杨殷哲和陈寰，2020）。

图3 不稳定斜坡CD段剖面示意图

2.2.3 强降雨

遇到强降雨，雨水入渗后，斜坡土体重度加重，土体的抗剪强度降低，易引起滑坡，坡体稳定下降（申岳龙，2019）。

2.2.4 地震

根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306-2015），斜坡所在区的抗震设防烈度为7°，设计加速度大小为0.1g。可知，在发生地震特殊工况之后，将极易造成不稳定斜坡的变形失稳。

2.2.5 人类活动

不稳定斜坡周边人类活动强烈，坡脚房屋众多，分布密集（赵华等，2020），斜坡开挖坡脚换取道路空间，坡体形态发生改变，自然平衡状态遭到破坏，造成斜坡产生变形。

2.3 斜坡变形破坏模式

根据野外调查，分析坡体变形影响因素。该斜坡为土质斜坡，斜坡体内目前尚不发育统一连贯的滑移剪切带，地表亦不发育表征斜坡整体变形的地裂缝等，坡体破坏模式为斜坡上阶地陡坎发生局部失稳滑塌掉块，引起斜坡局部坡体发生变形失稳。综合判断，该不稳定斜坡变形破坏的根本原因是：土质斜坡表层经人工改造，形成陡坎边坡，边坡前缘发生局部小规模变形滑塌。

3 斜坡稳定性分析

3.1 计算方法

通过野外勘查和室内分析，不稳定斜坡坡体物质为第四系粉质粘土与碎石土，潜在破裂面呈圆弧型，因此采用瑞典条分法对斜坡稳定性进行评价分析，同时应用GeoStudio2018-SLOPE/W软件计算（程海英，2014；王智明和曹长鑫，2019），辅以里正软件验算，提高数据可靠性，求出不同工况下最危险滑动面位置、形状以及最小稳定性系数，分析其所处状态。

3.2 计算剖面

根据不稳定斜坡实际情况，分为A-B段、B-C段、C-D段。计算稳定性时，选取与主滑方向基本一致的剖面。基于当地实际情况，共选取三条工程地质剖面，分别为1-1′、4-4′、5-5′剖面（李健雄等，2018；张建石，2018；王军，2018）。

3.3 计算工况条件

根据《地质灾害治理工程实施技术规范》（DB11/T 1524-2018）规定，稳定性验算工况根据不同的荷载组合确定。

自然工况。该斜坡坡体无地面荷载，在计算时，不予考虑，荷载只考虑滑坡体的自重。

地表水、地下水工况。在稳定性计算时，暴雨强度重现期按50年一遇考虑，该斜坡降雨入渗在坡体内不形成统一的地下水位线，只造成坡体土体饱和、重度增加及抗剪强度的降低。所以荷载只为饱和状态下滑坡体的自重。

地震工况。该斜坡荷载只考虑滑坡体自重和地震力，基本地震加速度本工程场区按大小为0.1g的考虑。

本文根据不同的荷载组合分别对其边坡稳定性进行计算。

3.4 参数选取

不稳定斜坡坡体下部为粉质粘土，坡体上部为冲洪积碎石土，计算参数主要包括斜坡土体的重度（γ）和抗剪强度（C和φ），参考土工室内试验以及工程地质手册（第五版）（工程地质手册编委会，2018）综合确定，其各项物理力学参数取值见表1。

表1 不稳定斜坡稳定性计算参数取值

3.5 计算结果

3.5.1 稳定性状态分级

不稳定斜坡威胁对象为坡脚5户民房及道路，威胁居民5户28人及过往道路行人，预估可能造成640万元的经济损失。依据《地质灾害治理工程实施技术规范》（DB11/T 1524-2018）（表2），按照治理工程就高原则，地质灾害治理工程等级确定为Ⅱ级。滑坡稳定状态评价标准见表3，其中滑坡稳定性安全系数（Fst）依据Ⅱ级防治等级取值1.25。

表2 地质灾害治理项目工程等级分级

表3 滑坡稳定状态划分表（Ⅱ级防治等级）

3.5.2 综合分析评价

根据输入的各个剖面及计算参数，通过GeoStudio2018-SLOPE/W 软件，辅以里正软件验算，采用瑞典条分法，定量计算斜坡稳定性，定性评价其稳定状态。GeoStudio2018-SLOPE/W软件稳定性计算结果见图4～6。GeoStudio2018-SLOPE/W软件稳定性评价见表4，里正软件稳定性评价见表5。

表4 GeoStudio2018-SLOPE/W软件斜坡稳定性计算结果及评价表

表5 里正软件斜坡稳定性计算结果及评价表

图4 1-1′剖面不同工况边坡稳定性计算结果简图

根据不稳定斜坡稳定性计算结果可知，两种软件计算下的斜坡稳定状态近乎一致，天然状态下，斜坡稳定性系数Fs=1.054～1.252；地震工况条件下，斜坡稳定系数Fs=0.892～1.052；暴雨工况条件下，斜坡稳定系数Fs=0.787～0.942。

综上所述，不稳定斜坡在天然状态下处于基本稳定-稳定状态，其整体稳定性较好（魏占玺，2017；关永平等，2018；张啟兴等，2019；许泰等，2019）；地震工况下，地震荷载的增加，坡体处于不稳定-基本稳定状态，其稳定性有所下降；暴雨工况下，因雨水入渗，坡体稳定性储备不足，其稳定系数均小于1，斜坡处于不稳定状态，斜坡上阶地陡坎有可能发生局部失稳滑塌掉块，导致坡体变形破坏，对修建于坡脚的房屋及人员、牲畜都可能造成严重危害。为此，有必要进行风险宣传，加强治理。

3.5.3 发展变化趋势

经现场勘查、走访调查以及坡体稳定性计算，斜坡在天然情况下整体处于比较稳定的状态，出现整体性的坡体变形破坏概率较小。但在暴雨久雨条件下，随着土体长时间受到降雨冲刷、入渗及软化作用，土体含水量不断趋于饱和，其抗剪强度力学指标不断降低，坡体稳定性会逐渐下降，可能会发生坡体变形失稳滑塌灾害，严重威胁坡脚房屋及道路行人和车辆。为了保障坡脚行人安全，同时消除地质灾害隐患，应对该斜坡尽快开展防治工程。

图5 4-4′剖面不同工况边坡稳定性计算结果简图

图6 5-5′剖面不同工况边坡稳定性计算结果简图

4 结论和建议

4.1 结论

（1）通过对不稳定斜坡野外勘查和斜坡变形宏观分析，查明了不稳定斜坡隐患的发育和孕育是多种影响因素相互作用的结果。其变形破坏模式为土质斜坡表层经人工改造形成陡坎边坡，坡体前缘会发生局部小规模变形滑塌。

（2）不稳定斜坡威胁对象为坡脚居民和房屋，预估可能造成640万元的经济损失。依据《地质灾害治理工程实施技术规范》（DB11/T 1524-2018），不稳定斜坡隐患的治理工程等级确定为Ⅱ级。

（3）不稳定斜坡采用瑞典条分法，通过GeoStudio2018-SLOPE/W 软件和里正软件，对斜坡稳定性在不同工况下作了定量定性分析评价。经计算和分析，两种软件计算下的斜坡稳定状态近乎一致。通常情况下，斜坡整体稳定性比较好；地震工况下斜坡稳定状态一般，稳定性有所下降；在暴雨工况条件下，因降雨入渗，相应土体的抗剪强度明显降低，斜坡处于不稳定状态，发生局部失稳滑塌掉块的几率较大。所以，应尽快展开防治工作。

4.2 建议

（1）针对该不稳定斜坡这一隐患点抓紧提出切实可行的治理工程。依据对斜坡变形的宏观分析和稳定性评价，建议采用削坡工程、锚杆格构护坡工程、坡面绿化工程和截水沟工程相结合作为防治方案。

（2）加强对不稳定斜坡的动态监测预警工作。动态监测预警应贯穿斜坡治理前后所有环节，以达到减轻各类灾害隐患的目的。