降雨引起的库区边坡滑坡分析及支护研究

张泽宇

（山西省水文水资源勘测总站， 太原 030001）

众多科研工作者对边坡稳定性问题做了一些系列研究，并取得了丰硕的科研成果［1-3］。吴江鹏等［4］基于某实际边坡工程，利用有限元软件建立三维模型，分析了天然边坡的变形及稳定性。 进一步对降雨条件下的边坡进行分析， 获得了降雨作用下土质边坡变形破坏机理。周翠英等［5］利用有限元软件对边坡工程进行数值模拟， 分析了边坡变形的过程， 总结了变形规律。 吴顺川等［6］基于广义Hoek-Brown 准则，利用数值手段， 以位移和应力作为指标， 对边坡稳定性进行分析。 曾亚武等［7］通过极限平衡法对边坡稳定性进行分析，并结合有限元数值手段，对边坡的位移和应力进行分析，总结了边坡的变形规律。 郭爱国［6］基于某边坡工程，利用数值模拟手段，研究了微型桩支护在边坡工程中的应用。 本文基于某库岸边坡工程，对降雨作用下边坡变形和稳定性进行分析，并综合评价抗滑桩支护效果。本工程所得结论对于今后类似工程具有重要的参考和借鉴价值。

1 工程概况

某水利工程库区位于长江上游， 干流库长约120km。

1.1 地质条件

库区第四纪地层齐全，岩性复杂多样，且第四系至中元古界地层均有分布， 其中以古生界和侏罗系火山岩分布最为广泛。 而其境内侵入岩发育较为一般，主要为晋宁期和燕山期侵入岩。 其中，晋宁期侵入岩分布于常绿镇南， 其围岩主要为元古界地层，出露总面积约12.82km2，岩性有辉绿玢岩、钾长花岗岩和花岗斑岩等。 岩性有花岗闪长斑岩、花岗斑岩、石英正长斑岩、流纹斑岩、石英霏细斑岩和辉绿玢岩等。

1.2 水文条件

据该地区气象站多年气象资料统计， 区内雨量充沛，雨季多集中在3—9月，暴雨和大雨主要集中在6—9月。 6月为一年中降水量最多的月份， 平均235.57mm， 最多为568mm （1999年）， 最少为90mm（1967年）。 降雨量与地质灾害发生数量情况往往呈现正向趋势，随着降雨量的不断增大，地质灾害发生频率随之增大， 这也充分说明了降雨是本研究区滑坡发生的主要诱发因素之一。

2 深基坑的数值模型

2.1 有限元模型的建立

根据研究区勘察资料，以勘察钻孔ZL01～ZL08的8口钻孔揭露地层为依托建立计算模型，该模型的宽150m（Y）、长70m（X）、最高100m、最低55m，所建立的模型如图1。 对X、Y方向设置水平向的约束，对Z方向的底部设置固定约束。

图1 模型示意图

2.2 计算参数

参考该人工边坡的勘察报告所提供的岩土体物理力学参数，并结合工程经验进行赋值计算。所选择的天然工况（即碎块石混粉质黏土含水率24.5%）计算参数如表1， 饱和状态 （碎块石混粉质黏土38.5%含水率）参数的力学参数指标如表2。 为了探讨降雨过程碎块石粉质黏土含水率的变化对边坡稳定性的影响，亦考虑含水率30%的工况，计算参数如表3。

表1 计算参数（碎块石混粉质黏土24.5%含水率）

表2 计算参数（碎块石混粉质黏土38.5%含水率）

表3 计算参数（碎块石混粉质黏土30%含水率）

3 含水率对边坡稳定性的影响

通过对不同土体含水率的影响分析， 来研究降雨过程中边坡的稳定性。 不同含水率状态边坡水平位移、竖向位移云图如图2。 从图2可见，碎块石混粉质粘土的含水率明显控制了边坡的水平变形， 天然状态下水平位移主要发生在距坡顶30～80m范围内，水平位移最大为-4.7cm。 当碎块石混粉质黏土含水率为38.5%时（即接近饱和状态时），最大水平约为-7.5cm，约为天然工况下的1.6倍。 可见土体饱和工况下，边坡位移显著增大，说明边坡强度储备不足，边坡稳定性显著降低。 这是因为碎块石混粉质黏土遇水强度弱化。同时，随着碎块石混粉质黏土天然含水率的增加，边坡竖向位移亦在逐渐增加。当碎块石混粉质黏土含水率为24.5%时（即天然工况），边坡竖向位移主要发生在边坡下半部分， 该部分竖向位移向上，最大位移为4.5cm。 由于边坡土体自重，边坡上半部分土体竖向位移向下， 量值由坡表向坡内逐渐减小。进一步说明了天然工况下边坡处于稳定状态。当碎块石混粉质黏土含水率为38.5%时（即暴雨工况），边坡竖向位移发生的范围逐渐扩大， 且竖向位移显著增大。 最大竖向位移约为8.1cm， 约为含水率15%时的1.8倍。

图2 不同含水率下边坡位移云图

但是碎块石混粉质黏土的含水率变化并未影响边坡整体的变形特征，即坡体水平和竖向位移的量值在一定程度上反映出该边坡的现状变形特征，现状边坡的前缘与边坡中部的位移比较大， 在距离坡顶约80m范围内土体的水平位移呈现远离边坡的趋势。

不同含水率下边坡位移增量云图如图3。 从图3可以很明显地确定出边坡潜在滑动面的位置，即边坡发生滑动破坏的剪切带或位移突变的地方。 边坡碎块石混粉质黏土在低含水率状态下 （含水率24.5%～30%）， 边坡潜在滑动面自开挖坡顶后方一定距离处剪入，以接近较大半径圆弧的形状斜向下延伸，并从边坡中部的开挖台阶处剪出，滑坡体厚度不大， 滑体主要为上覆的碎块石混粉质黏土，滑带为强风化泥岩层。 但是随着碎块石混粉质黏土含水率的增加， 边坡的潜在滑动面的范围逐渐增加，在横向、纵向两个方向均有扩展，具体来说：当碎块石混粉质黏土含水率达到饱和状态时，边坡的潜在滑动面自坡顶后方一定距离处剪入，最远距离已达到模型边界，该范围距离边坡开挖后缘大于50m。并以接近较大半径圆弧的形状斜向下延伸，并从边坡中部的开挖台阶处剪出，滑坡体厚度较大，此时滑体并不是以上覆的碎块石混粉质黏土为主，而是向坡体内部即向下方伸延，延伸深度超过50m，转而有形成大型滑坡的风险。 同时，从图中可见另一个较为明显的破坏迹象，在边坡开挖平台的下方有小范围的潜在滑动风险，在开挖平台的后缘滑入，在平台下的坡脚滑出。 当含水率为24.5%，30%，38.5%时，边坡安全系数为1.16，0.98，0.58，可见含水率的增加导致边坡安全系数急剧下降，暴雨后饱和土体工况的边坡处于不稳定状态，需要对边坡进行加固处理。

图3 不同含水率下边坡位移增量云图

4 库岸边坡支护措施研究

本节基于降雨后土体饱和状态下的工况， 采取抗滑桩支护。抗滑桩布置如图2，B型抗滑桩锚固长度为15m，设计桩长为42m，截面积为2×3m2，水平间距为5m；E型抗滑桩锚固长度为15m，设计桩长为31m，截面积为2.5×3.5m2， 水平间距为5m；I型抗滑桩锚固长度为15m，设计桩长为34m，截面积为3×4m2，水平间距为5m。

图4给出了抗滑桩支护下的边坡水平和竖向位移图。 从图4可看出，坡体水平和竖向位移主要集中前缘与边坡中部的位置。 由于抗滑桩支护结构的存在，抗滑桩两侧的坡体水平位移呈现出相反的趋势。由于抗滑桩两侧坡体的自重， 两侧坡体的竖向位移向下，对抗滑桩内部土体产生挤压，导致抗滑桩内部土体位移向上隆起。 还可以看出， 由于抗滑桩的支护，坡体最大水平位移约为1.3cm，较未支护时的最大水平位移减小了80%， 坡体最大竖向位移约为2.5cm， 较未支护时的最大水平位移减小了70%。 可见，抗滑桩支护结构的效果还是显而易见的。

图4 抗滑桩支护下边坡位移云图

图5给出了抗滑桩支护下的边坡位移增量云图。从图5可明显地确定出抗滑桩支护结构下的边坡潜在滑动面的位置。边坡潜在滑动面从距坡顶10m处剪入， 以圆弧的形状斜向下延伸， 并且从边坡中部剪出。对比未支护时暴雨工况下的边坡位移增量云图，可以看出，由于抗滑桩的存在，边坡的潜在滑动面的范围和滑坡体的厚度显著减小， 并且边坡中开挖平台下方土体的也再不存在滑动风险。同时，基于有限元强度折减法计算得到该边坡的稳定性安全系数为1.32，边坡整体处于稳定状态。

图5 抗滑桩支护下边坡位移增量云图

综上所述， 抗滑桩支护结构虽能显著减小边坡的变形，提升边坡的稳定性。 在降雨条件下，稳定性安全系数为1.32，边坡整体处于稳定状态。

5 结语

本文基于某库区边坡工程，利用PLAXIS3D有限元软件进行分析， 获得了降雨条件下库岸边坡的变形规律和稳定性。 对比了不同含水率时边坡的变形差异，并对抗滑桩支护效果进行了综合评价。得到以下结论：

（1）随着含水率的增大，边坡变形显著增大、滑移范围扩大，同时边坡安全系数急剧下降。暴雨工况下，边坡安全系数仅为0.58，边坡处于不稳定状态。

（2）抗滑桩支护结构虽能显著控制边坡的变形，暴雨工况下，库岸边坡稳定性安全系数为1.32，边坡整体处于稳定状态。 说明抗滑桩支护结构能显著提升该库岸边坡的整体稳定性。