珠海某边坡稳定性分析

陈海东

（1 建材广州工程勘测院有限公司；2 中国建筑材料工业地质勘查中心广东总队）

0 引言

工程建设领域中的边坡稳定性问题，一直是岩土领域中的高难度课题，其综合要求较高，涉及了工程地质、水文地质、岩土力学、支护结构等多个领域。李元松[1]等将边坡稳定性分析评价方法划分为工程地质定性分析法、工程力学理论分析法等5 类。其中工程力学理论分析法中的极限平衡法、数值分析法（有限单元分析）等方法趋于完善和成熟，且应用较为广泛。以上方法通常与安全系数法相结合，结果简便、直观，可对边坡的稳定性作出定量评价。我国边坡相关规范中的传递系数法（即剩余推力法），其中的稳定系数即安全系数，此方法就是极限平衡法与安全系数法结合的结果。

边坡根据构成物性质的不同，分为岩质和土质边坡。土质边坡中的极限平衡法多采用垂直条分法，即假定边坡处于极限平衡状态时，其滑动面上的各个土条之间满足静力平衡方程，利用作用力平衡和力矩的平衡计算边坡的稳定安全系数Fst。常见的方法有瑞典法、毕肖普简化法、滑楔法、斯宾塞法（Spencer 法）等。随着信息技术和计算机的普及，计算土质边坡稳定性的软件很多，有基于极限平衡法的理正边坡软件、基于有限单元分析的Midas 软件等，这些软件计算速度快、精确度高。对珠海某处边坡通过两款软件进行建模分析，计算其稳定性，为下一步边坡治理和稳定性研究提供数据支持。

1 工程概况

珠海市斗门区某造纸厂北侧边坡，坡面植被良好，山坡坡脚为原纸厂宿舍楼，坡顶为电房及菜地，西南侧边坡距离宿舍楼约4m，北侧距离电房及菜地较近，坡顶最高处标高约24.51m，设计坡底标高为约2.39m，坡高约11m，坡长约60m，原纸厂宿舍楼西北段坡度50°～60°，进入雨季后，随降雨量增大，边坡西段及中段发生了垮塌，坡顶地面出现裂缝，最大裂缝处约10㎝，见图1～图4。边坡下部挡土墙高约2m，年久失修，坡顶为工业建筑，坡脚为民房住宅，如失稳将会造成重大的人身及财产损失。因此有必要对该边坡进行稳定性分析，为下一步灾害的防治提供理论支持。

图1 边坡西段垮塌

图2 西段全貌

图3 西南方向终端垮塌

图4 坡顶处地面裂缝（已修补）

2 地质概况

根据边坡的勘察资料显示，该边坡主要地层有三层，素填土层、残积土层、强风化花岗岩。区域地质图见图5。

图5 区域地质图

该边坡素填土层较薄，主要土体为残积土。由于兴建时间较早，坡顶水泥硬化层较薄，且多处出现破损。残积土为花岗岩风化形成，主要为粘土，少量石英砂，上部夹含少量坡积土，石英砾砂约含10%～30%，干强度较高，韧性小，土质不均匀。该残积土层较厚，约20m，勘察报告揭示，下部花岗岩较完整，渗透系数较小，可视为相对隔水层。各土层物理力学指标如表1。

表1

3 稳定性计算

3.1 计算模型选取

根据勘察报告的选取剖面显示，该边坡主要土体为残积土，可近似考虑该边坡为均质土坡，可采用极限平衡法的力学模型，假定潜在滑移面为圆弧形，采用瑞典条分法分析。

瑞典条分法主要假定是土体法向应力是土体重力在法线方向的分量，该分量通过滑动点圆心，在力矩平衡方程中不出现该计算量。毕肖普[2]（Bishop）后来对该方法进行了重要的变动，他引入了滑动面的安全系数F，安全系数定义实质是对土体的抗剪强度进行了折减，表现为：

土条上的力一般根据（Morgenstern & Price；Janbu）提出的合理性边界条件，土体的抗剪强度根据安全系数的定义折减，划分的土条上的力可按下列条件分析：

⑴土体重力：水位线以上为天然重度，水位线下为饱和重度。

⑵土条上部荷载：根据实际坡顶荷载进行定义。

⑶地震惯性力：主要为水平地震力，和划分土条的重力有关，即下文平衡方程中的hQ。

⑷土体垂直方向上的总应力，包括法向作用力和水头压力。

条分法静力平衡公式：

计算简图见图6。

图6 瑞典条分法计算简图

3.2 理正软件计算工况及结果

该边坡的稳定性计算分析主要考虑一般工况、地震工况及地震+暴雨工况三种典型工况。

一般工况的边坡土体物理力学指标选取天然重度及相应的抗剪强度指标（直剪快剪）；暴雨工况的边坡土体的物理力学指标选取饱和重度及抗剪强度指标（饱和直剪）。三种工况的计算结果见表2。

表2

该边坡主要构成物为残积土，工程性质较好，但由于高度较高且坡度较大，一般工况下不利剖面的稳定安全系数为0.709，地震工况下稳定安全系数为0.678，暴雨+地震工况稳定安全系数最低，仅为0.452，均处于不稳定状态，需要对边坡进行处理。

3.3 迈达斯软件分析结果

边坡模型选取为二维降雨渗流边坡稳定性计算模型，该模型高度为30m，总宽度50m，边坡高度20m，坡度1.2。降雨强度为暴雨，根据珠海的气象资料，降雨量选择300mm/d，持续时间10 小时。土体材料及属性参数见表3。

表3

计算工况分为一般工况及暴雨工况两种。

计算云图见图7、图8。

图7 一般工况

图8 暴雨工况

经计算，一般工况其稳定安全系数为1.05，暴雨工况下稳定安全系数为0.72。计算结果显示边坡一般工况下欠稳定，暴雨工况下为不稳定状态。

4 边坡稳定性分析及处理建议

该土质边坡坡高最高处约20m，坡度最大处约60°，上部和坡面无可靠的防、排水措施。珠海雨季较长，雨量较大，大规模的降水通过渗流进入边坡土体，土体饱和自重增加，地下水位升高，动水压力变大，土体的抗剪强度也由于降雨影响而降低。多种因素的组合，引发一系列复杂的变化，均不利于现有边坡的稳定，可能会引发边坡坡体的垮塌和上部坡顶地面的开裂。通过理正和迈达斯软件的建模计算结果，一般工况及暴雨工况下的边坡稳定安全系数都不符合现有规范的要求，具有滑坡的可能性。在一般情况下，边坡可以保持暂时稳定，但由于边坡土体本身应力应变发展是一个渐进的过程，较难发觉，在突发大规模降雨的情况下，存在边坡失稳的巨大风险。在暂时稳定状态下，其稳定安全系数较低，几乎没有安全储备。因此，该边坡必须采取行之有效的处理方案以保障人身和财产安全。

对于该边坡的治理，有以下几点建议：

⑴对坡顶和坡体进行水泥硬化，主要是防治降雨和其他排水浸入边坡土体。

⑵对边坡土体进行加固，考虑采用锚索等方式进行加固，控制边坡体的位移。

⑶坡脚挡土墙进行加固，如不能满足要求，考虑加置抗滑桩，同时修缮现有挡土墙的排水装置，保证排水效果。

5 总结

边坡的土体是由复杂的地质作用形成的，其本身的工程力学性质和各种工况下的变化，是造成边坡失稳的主要原因，同时外部荷载和人类活动等诸多因素又加大了其复杂性。随着社会发展，工程建设开始不断向山区边坡等不利地质场地扩展和延伸，对边坡的稳定性分析变得越来越迫切。传统的方法由于力学模型简单，计算结果相对安全保守，现在已成为主流的计算方法，但其基本假定没有考虑变形等因素，因而只有在均质土体边坡中的应用和实际情况比较吻合。对于多层复杂土层和岩层组成的边坡，其计算结果和实际相差较大。随着数值分析方法的进步，有限单元、离散单元等方法也开始在边坡稳定分析中得到了较多的应用，但其数据模型的可靠性尚不能服众，在实际运用中也有些不接地气。从该工程的分析结果看，采用传统方法和有限单元方法进行的计算结果有些许不同，其原因在于模型的假定和数据处理方式的差异，总体上说各有利弊，可以彼此作为补充，有利于对工程的整体把握。

边坡的稳定分析中，关键在于对工程地质环境的查明和正确地质模型的建立，一味追求数字计算的精密和稳定安全系数的取值都是不可取的。边坡计算中需要抓大放小，通常边坡稳定和水脱不了干系，无论是地表降雨、地下水的变化等，都需要引起足够的重视；另一方面，人类活动对于边坡的影响较大，坡顶堆载及坡体开挖引发的各种事故比比皆是。该两点需要在边坡分析和治理中引起足够的重视。