基于传递系数法确定滑坡治理削坡减载的工程应用

张雄伟

(昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

边坡防治工程措施的设计与实施是岩土工程研究的重要内容，它是一套复杂而严密的系统工程，行之有效的设计和施工方案，必须建立在对边坡体岩组特征、附属环境及坡体潜在破坏模式分析的基础之上。国际滑坡地质协会将防治工程分为4类：改变斜坡的几何形态、排水工程、支挡结构物和斜坡内部加固。而国内滑坡防治则分为绕避滑坡、排水、力学平衡和滑带土改良4类。其中改变边坡几何形态与力学平衡下的削坡减载是治理滑坡常用的方法之一，该方法常常与坡脚反压联合运用。但工程实践中受各种条件限制，往往客观上难以同时实现或仅可堆载部分削方的土石量，除非局部改动线路的平面布置和纵坡。

削方减载是指放缓边坡率适应岩土工程性质并将滑坡体上部主滑段和牵引段产生剩余下滑力的部分挖去一部分滑体岩土体，以减小滑体重量和下滑力而增大抗滑力的工程，常用于治理处于“头重脚轻”状态的推移式滑坡或由于错落转化的滑坡体。在工程实践中，一般采用不平衡推力传递系数法进行削坡减载设计。对于推移式滑坡或由于错落转化的滑坡一般滑床上陡下缓，前缘倾角缓甚至出现反倾滑段，推力主要源于滑坡近后缘段即头部，而近前缘段即滑坡的足部则为抗滑段或抗力体。采取后部主滑地段减重的治理方式就是削掉滑坡下滑的推力，可起到阻止滑坡进一步滑动的作用。但应注意不要轻易开挖变形破坏体应力、变形集中部位的滑坡体和牵引式滑坡或者带有卸载膨胀性质的滑坡，如滑移-弯曲变形破坏体隆起部位往往是应力集中部位，一旦削方将破坏前缘弯曲-拉裂部位，而牵引式滑坡前缘的削方将会破坏阻滑关键块体的支撑引起坡脚应力集中进一步削弱滑体的抗滑力，这些都将可能引起边坡体整体失稳。

因此，针对不同发展阶段的滑坡，应在充分认识滑坡的受力状态、力学机制以及演化发展过程基础上确定削坡方量以及在何部位进行削坡，不同的施工方案将直接关系到工程造价的经济性合理性及其成效性。为获得经济合理的方案，在工程实践中常根据滑坡的地形地质条件和欲达到的目的，使处于当前发展阶段的滑坡体稳定系数大于设计要求的安全系数基础上，一般按滑坡体剪出口剩余下滑力或剩余抗滑力等于0这一条件来搜索最优的削坡位置及规模。如王权等采用传统的传递系数超载法按预期的安全系数核算每一滑块的剩余下滑力为0确认削坡量的规模。刘忠玉等从优化理论的角度出发，构建边坡体设计要求的安全系数约束条件下的最小削方量的目标函数，从而求解牵引段和部分主滑段下的某一约束的最优的削坡方案问题。夏艳华等引入剩余抗滑力的概念逆向求解剩余抗滑力为负值的条块即为削方位置对应的绝对值即为应削除的荷载。鉴于此，该文在滑坡传统力学破坏机制分析基础上从滑坡整体和局部角度出发运用传递系数法对工程实例进行了削坡减载方量及其部位探究。

1 传递系数法

传递系数法应用非常广泛，现已被纳入相关的设计规程。但不同规范中根据不同边坡稳定性的定义提出的计算方法，导致计算得到的剩余下滑力结果存在差异。这种差异出现的原因主要是由于所用公式的适用范围与技术规范不同，边坡稳定系数的定义存在差异，而这种差异对边坡工程的设计可能带来不利影响。

针对折线型滑坡，现行规范中传递系数法的解法有2种：①是建筑边坡工程技术规范(GB 50330—2013)中的隐式解(强度储备法)；②是岩体工程勘察规范(GB 5002—2001)中的显式解(超载法)。

基于强度折减和超载法的2种传递系数法计算滑坡稳定性时，仅是式中传递系数的定义不同，其稳定性系数表达形式是相同的，不同的式中传递系数的如下式：

(1)

一般用传递系数法判断滑坡的稳定状态，应从滑坡的稳定性系数和剩余下滑力2方面来考虑。但有时会出现稳定性系数已满足工程要求的稳定安全系数，但剩余下滑力仍大于0的现象而难以评价滑坡的稳定状态。这主要是未对滑坡空间发展规律即滑坡破坏模式进行系统分析同时传递系数法假定了滑体为整体滑动而未从滑坡局部角度考虑其稳定而造成可能局部条块传递拉应力违背土体性质的情况。因此，在运用传递系数法进行滑坡稳定评价及治理时应在滑坡破坏模式基础上进行整体与局部的稳定性评价。

2 滑坡渐进破坏模式

滑坡变形破坏过程与岩土体力学特性紧密相关，其实质就是滑带力学参数的弱化过程，从而实现量变到质变的过程。滑坡在渐进破坏过程中随变形累加，在空间上不同部位滑带力学参数呈现差异性而时间上滑带力学参数随滑坡演化发展表现出不同的速率弱化，从前期峰前应力阶段过渡到残余应力阶段，而抗剪强度衰减到残余强度。

边坡破坏是坡体累积变形发展的最终状态。边坡从变形演化发展破坏时空间上包含蠕滑段、过渡段和剪切段3种形态。随着滑带变形的增大，经软化阶段(过渡段)后，最终进入剪切阶段，见图1。剪切段是滑坡蠕滑发展的最终阶段，而过渡段则是介于另两者之间的1种滑带形态即软化阶段。

图1 滑带本构曲线

邹宗兴等为更好分析滑坡演化发展历程从滑坡破坏模式角度出发并建立起力学模型，将滑坡从滑带空间发展形态划分为2类：①是滑带由后缘向前端贯通，破坏前空间上为后端剪切段、前端锁固，表现为前进式渐进破坏模式，见图2。该类滑坡通常发生于倾角>20°斜坡中，其演化发展常因坡体后缘张拉应力作用加之地表水入渗加剧斜坡后缘蠕滑向剪切状态发展；②是滑带由前缘向后缘逐渐贯通，破坏空间上为前端为剪切段、后端为锁固段，表现为后退式渐进破坏模式，见图3。该类滑坡常发生于缓倾角斜坡，滑体中下部有与滑动方向直交的裂缝发育，两翼剪裂缝位移量自后缘向前缘递增，在坡脚前缘常见隆起及鼓胀现象。

图2 前进式滑坡概化模型

图3 后退式滑坡概化模型

渐进后退式滑坡的破坏区域通常局限于土质边坡浅表层或破碎风化严重的岩体边坡。而坡脚作为牵引式滑坡的重要阻滑段，坡脚挖方是引发牵引式滑坡的直接原因。前方失去支撑造成坡脚关键块体缺失，短时间内造成坡脚失稳并由前至后塑性区不断扩大逐步发生土压破坏，一般历时较短，见图4。

图4 前进式滑坡典型剖面结构图

推移式滑坡促使边坡发生变形破坏的作用力主要源自于坡体后缘的下滑段，一般是受边坡后方加载、地表水的入渗导致边坡岩土体力学参数的弱化，触发斜坡由蠕滑向剪切方向发展到最终贯通滑面，一般滑面呈前缓后陡的形态，见图5。推移式滑坡的中后段一般滑面倾角常较陡，使得滑体产生的下滑力>相应段滑面所能提供的抗滑力，进而先在后缘产生拉张应力区发生拉裂和滑动变形。当变形达到一定程度后，在滑坡体后缘常会形成多级弧形拉裂缝和下错台坎破坏迹象。伴随滑坡后缘滑带向下扩展，在应力不断调整的过程中变形逐渐向前缘积累，由于受到前缘锁骨段的阻挡在抗滑区域产生压应力集中现象。随滑移变形量不断增大，受岩土体自身变形协调的调节在坡脚前缘产生鼓胀、隆起现象，而随变形不断累积，最终滑坡前缘发生推移或剪切破坏并伴随着推移式滑坡整体变形破坏，一般这经历过程较持久。根据卢应发对推移式滑坡变形破坏理论的研究可将其划为2种破坏模式：①是整个滑体沿弱面发生的推移破坏；②是后缘沿弱面发生的推移破坏，而前缘局部沿滑体发生剪切破坏。

图5 后退式滑坡典型剖面结构图

3 工程案例

滑坡推力的计算是滑坡治理成败以及是否经济合理的重要依据，也是对滑坡的定量评价。工程实践中对滑坡进行削坡减载设计，考虑研究对象应变软化特性和滑面的力学性质对边坡稳定的“贡献”作用，稳定性评价中滑带采用峰值强度偏于危险，而采用残余强度又过于保守，因此考虑滑坡渐进破坏特征及滑带土空间上力学参数呈现的差异性，根据滑坡渐进破坏演化过程计算滑坡稳定状态并根据滑带所处阶段进行强度参数选择。根据研究对象滑坡前缘、后缘裂缝发展规律和变形量等信息表现为推移式滑坡，因此在滑坡渐进破坏模式基础上对滑坡后缘蠕滑向破坏发展的剪切贯通段取残余强度，而未发生剪切贯通段的滑坡前缘取峰值强度，同时从整体和局部角度进一步分析推移式滑坡稳定状态差异性。

以王权等关于大塘湾II号滑坡为研究对象，滑坡体面积为4 000 m2，滑体平均厚度为4 m，体积为16 000 m3，滑坡体为浅层小型土质滑坡，稳定安全系数设定为1.25，滑带参数见表1。考虑夏艳华等均采用超载法显式解进行方案治理，为进行对比，该文也采用超载法进行削坡减载设计，现状滑坡及削坡减载后计算结果见表2和表3。

表1 滑带参数表

由表2和表3滑坡现状和削坡减载后计算结果来看，边坡稳定性系数明显低于要求的稳定安全系数值且剩余下滑力除条块1外均大于0。因此，根据现状滑坡每一滑块信息利用超载法进行削坡减载设计以使滑坡满足安全要求。由滑坡体特征，该滑坡属于推移式滑坡，当前状态下条块2属于临界状态条块，但若滑坡未进行有效的治理防护，其临界状态位置会随滑坡演化过程发生渐变同时稳定性系数也是动态变化的。同时对比刘忠玉等研究成果也是在条块2位置进行减载，通过计算知当削方到568.357 kN/m，即削减505 kN/m时已满足安全要求(FS=1.251)，但发现此时最后一条块剩余下滑力仍大于0，无法判断滑坡是否达到稳定状态。

表2 现状滑坡体剩余推力和稳定性计算结果

表3 削坡减载后滑坡体剩余推力和稳定性计算结果

通过对表2和表3中滑体信息看出，该推移式滑坡主要下滑推力来自条块2，而条块1本身是稳定的，但在计算过程中将滑坡统一考虑，按整体稳定性分析进行削方设计，显然当稳定性系数达到要求时其削方量是偏于危险的。因此，通过求解局部滑坡稳定性系数，将所求得最小滑块组合的稳定系数作为滑坡的稳定系数，而对应滑块即为不稳定部分要进行削方的位置，滑坡局部稳定性计算结果见表4。通过表4知滑坡稳定性系数为0.98，即条块2到最后条块的组合条块为滑坡最不稳定部分，故将条块2前所有条块滑坡体看作局部的整体，其自身稳定性系数>1.25，且下滑力<0，处于局部稳定状态，不再归入到前方滑坡条块稳定计算。通过对条块2到最后1条块进行削方减载设计满足安全要求时，削方重量为579.57 kN/m，具体计算结果见表5。

表4 求解局部稳定性计算结果

表5 削坡减载后滑坡体剩余推力和稳定性计算结果

由表6可知，该次削方减载方案设计与刘忠玉、夏艳华中的优化设计方案结果比较一致，尤其是与刘忠玉采用最优化理论进行的方案设计结果很是接近，这在一定程度上表明在进行削方减载设计时考虑滑坡渐进破坏模式及滑带力学参数空间的差异性方是合理的且可靠的。同时从滑坡发展阶段考虑该滑坡已发生滑动，因此除对滑坡减重外还应从控制工程和抑制工程的角度出发进行有效的截排水措施和支挡工程方案等相结合的手段，通过滑坡体自身与外界物质、信息和能量的交流控制以及环境改造实现协同稳定。

表6 滑体减载重量及比例计算结果表

4 结 语

(1)对于不同发展阶段的边坡，应充分分析滑坡渐进破坏模式(推移式或前进式)，在滑坡受力状态分析基础上确定经济、合理、安全的削坡方量和削坡位置。

(2)在分析滑坡破坏模式基础上，对不同发展阶段滑坡段选取不同的滑带力学参数，利用传递系数法的思想，借助局部安全系数法，逆向计算条块的剩余下滑力，可更加真实地反映推移式滑坡各段的实际情况，并准确的评价其稳定性和为不同滑坡分段提供具体的加固处理措施。

(3)该文削方减载方案设计与刘忠玉等优化设计方案结果比较一致，这在一定程度上表明在进行削方减载设计时考虑滑坡渐进破坏模式及滑带力学参数空间的差异性方是合理的且可靠的。