基于多源数据分析的三峡库区抗滑工程优化与比选

渠孟飞， 王珏， 朱磊, 徐奕梓， 姜涛

(1.西南石油大学土木工程与测绘学院， 成都 610500； 2. 中国十九冶集团有限公司， 成都 610031)

三峡库区是中国滑坡灾害重灾区之一，经济有效的抗滑工程设计是治理滑坡、实现库区安全的重要保障。滑坡治理是多因素相互影响、共同作用下的工程问题，成功的抗滑工程设计凝聚了大量工程研究人员的智慧与经验，为未来库区滑坡整治提供了重要的基础。因此，通过收集分析大量已成功治理的抗滑工程资料，研究总结抗滑工程结构、工程参数选取原则与规律，将设计文件与工程经验转化为实际理论与参考，加快滑坡治理设计进程，为抗滑工程优化提供经验设计，特别是在勘探尚未开展的滑坡整治工程立项前，采用已有经验正确估计抗滑工程参数开展滑坡治理设计，更具有十分重要的意义和价值。

抗滑工程设计主要包括抗滑工程选型、抗滑工程选位、抗滑工程参数设计。抗滑工程选型应符合实际工程可行性与经济性的抗滑结构。中外学者对于抗滑桩位置选取与优化设计展开研究。一方面，在抗滑桩位置选取上，单排抗滑桩设置位置较为简单，多选取桩处推力插值最小点为合理位置[1]，Gong等[2]通过极限分析法，提出坡脚位置为抗滑桩设置最优处，能有效提高稳定力。李新哲等[3]认为抗滑桩最优加固位置在滑带土应力分布较高区域。对于滑坡推力较大，考虑单排桩经济性和稳定性时，常采用多排桩(一般为2排)[4-5]，相比于单排桩，多排桩力学行为分析与工程设计较为复杂，许多学者[6-10]以两级设置抗滑桩为研究对象，进行理论分析、模型试验和数值模拟，对于其桩体滑坡推力分配、力学性能以及结构优化展开研究。上述学者虽对于多排桩研究已取得丰富成果，但主要涉及桩体受力变形与特性分析，而不同桩位的选取，所对应的水平推力和滑体厚度也不同，对于整体抗滑稳定性效果也存在差异，关于多排桩桩位的选择尚未有准确的结论。

另一方面，在已有抗滑桩参数设计研究中，首先从单因素开展研究，考虑抗滑桩锚固深度[11-12]、桩间距[13-16]、截面尺寸[17]对于抗滑桩设计的影响。众多学者[18-20]在此基础上综合多因素分析抗滑桩参数优化，如李长冬等[19]根据滑坡推力的分布特点提出了不同桩间距布桩的设计原则，并建立了考虑桩截面宽度、桩间距、锚固比和截面高度参数的优化求解模型。

相关学者对于抗滑桩优化设计已取得丰富的研究成果，但针对三峡库区重庆段地质特性，进行滑坡整治工程的选型、选位、设计参数综合优化设计研究较为缺乏，特别是关于三峡库区重庆段多排抗滑桩位的选择尚未有明确的结论。 基于此，现对大量已成功治理的滑坡资料进行参数统计分类，探寻抗滑工程设计规律，利用理正软件开展参数设计，研究抗滑工程选型与抗滑参数选取，并提出相应建议，结合数值模拟方法分析多排抗滑桩位置选取，揭示桩位合理布置位置，为滑坡治理设计提供参考。

1 研究区滑坡概况

研究区滑坡位于三峡库区重庆段，通过收集整理含有83个滑坡、112处塌岸、62个边坡的三峡库区重庆段地质灾害整治工程勘察、设计原始文件，分析处理其有效数据，共涉及5类抗滑桩桩型、929组抗滑桩数据、29组重力式挡土墙数据，刻画三峡库区重庆段滑坡基本特征。

滑坡分布区域集中于长江干流两岸或长江支流两岸，沿长江自西向东依次为万州区(35个)、奉节县(28个)、云阳县(20个)；以构造剥蚀、侵蚀低山丘陵地貌为主；三峡库区(重庆段)的滑坡主要发育在侏罗系和三叠系中上统地层中。侏罗系地层主要分布区域主要集中在云阳—万州段，奉节县亦有出露，以沙溪庙组(J2s)、蓬莱镇组(J3p)、珍珠冲组(J1z)、新田沟组(J3x)为主，该地层主要为泥岩、砂质泥岩与长石石英砂岩互层，为相对隔水层，构成易滑地层。三叠系地层分布区域主要集中在奉节县，以三叠系中统巴东组(T2b)为主，分为4段，1、3段以泥质灰岩、灰岩为主，2、4段以泥质粉砂岩或粉砂质泥岩为主，如图1所示。

图1 三峡库区(重庆段)地层岩性图

研究区滑坡滑面均沿基岩覆盖层交界处滑动；此类滑坡前缘、后缘一般位于堆积层中，中段沿基岩界面。滑体土主要为崩坡积、残坡积和滑坡堆积形成的碎、块石土，滑带土受滑体物质成分和底部风化基岩的影响，多为粉质黏土夹碎石，碎石含量在5%～60%，以万州区二屯坪滑坡地质剖面图为例，如图2所示。

图2 万州区滑坡地质剖面图

2 抗滑工程选型

2.1 结构尺寸

抗滑工程的选型首先考虑可能采用的支护结构形式，同时结合推力大小与工程可行性，以墙高、截面大小和工程规范的限制，计算最大承受的推力级和滑体厚度限制等，作为选型的分类依据。同时根据实际工程数据的统计特征进行必要修正，提出建议表。因此，主要对比三峡库区重庆段滑坡治理中常用的两种支挡结构，重力式抗滑挡土墙和抗滑桩，从承受的推力与结构本身尺寸限制两方面对抗滑桩和抗滑挡土墙进行对比，确定最优选型。

根据《滑坡防治工程设计与施工技术规范》(DZ/T 0219—2006)[21]，抗滑桩与重力式挡土墙尺寸限制条件与补充措施上存在差异，对于抗滑桩而言，其桩长限制宜小于35 m，当滑带埋深大于25 m的滑坡，应充分论证其采用抗滑桩阻滑时的可行性。而对挡土墙墙高的限制不宜超过8 m，否则应改用特殊形式的挡土墙或者配置适量钢筋的混凝土构造层。由于重力式挡土墙依靠自身重量抵抗滑坡推力，当土压力过大时，势必挡土墙体积也要增大，存在占地较大、开挖量较大的问题，对于环境影响程度大，经济效果较差；而抗滑桩使用更为灵活，且圬工数量小。根据统计数据，考虑结构尺寸对于实际工程经济性与周边环境影响，对比不同滑体厚度对应的不同推力下挡土墙和抗滑桩两者应用效果，得出，当剩余推力小于100 kN/m且工程设置位置处滑体厚度小于5 m时，重力式挡土墙具有明显的优势，大于100 kN/m后抗滑桩优势显著。当滑坡推力较大、滑体厚度大时，抗滑桩应用效果更好。

2.2 抗滑能力

根据所收集资料，滑坡治理采用重力式挡土墙较少，仅有2个滑坡中的3个坡面使用了重力式挡土墙，其中重力式挡土墙设计最大推力为105.65 kN/m，墙高5 m，墙顶宽1.0 m。余下使用抗滑挡土墙的滑坡其土压力大小为56 kN/m和 42 kN/m，对应的墙高分别为3 m和3.5 m；墙顶宽为0.8 m和0.5 m。而采用抗滑桩治理的滑坡，设桩处最小推力为120 kN/m，推力最大值为4 554 kN/m，推力最大值对应的桩截面尺寸为3 m×4.5 m。对抗滑桩所受的推力进行统计，如图3所示。

根据工程经验对推力进行分级，共分为10级，分别是[100,500]、(500,1 000]、(1 000,1 500]、(1 500,2 000]、(2 000,2 500]、(2 500,3 000]、(3 000,3 500]、(3 500,4 000]、(4 000,4 500]、(4 500,5 000]kN/m。由图3可知，抗滑桩推力集中在500～1 000 kN/m。在抗滑能力上，抗滑桩明显优于重力式挡土墙。

3 抗滑桩位置选取

3.1 多排抗滑桩支挡位置研究

支挡位置的选择对单排支挡比较容易确定(一般为最小推力位置)，研究的重点是分级设置的位置选择问题。对于多排抗滑桩联合作用下的滑坡，当排距过小时，后排桩桩前的被动土压力来不及扩散就传递给前排桩，使得前排桩受到的力较大，抗滑桩承担的总滑坡推力大。当排距过大时，后排桩可能会处于滑面较陡的位置，此时剪应力大，后排抗滑桩承担的推力大，且两排抗滑桩之间的土体更多，而这部分土体产生的剩余下滑力将全部由前排抗滑桩承担，导致前排抗滑桩承担的推力也较大。故只有选择一个合适的桩位，才能保证多排桩的受力最优。所研究分析的多排桩为最为常见的两级设置抗滑桩，通过建立有限差分数值模型，分析不同桩位时滑坡力学特征，以确定合适的两级抗滑桩设置桩位。

3.2 桩位选取数值模拟分析

按照三峡库区重庆段滑坡的基本特征，运用有限差分软件FLAC3D建立理想滑坡模型，如图4所示。模型建立所需力学参数按照所收集三峡库区滑坡数据确定，见表1。滑坡模型的长度为205 m，厚度约20 m，为消除边界的影响，滑坡前后各延伸100 m。模型采用六面体网格和形体网格建立，共有网格16 300个，节点20 748个。模型的四周及底面采用法向位移约束，滑动模型采用pile结构单元模拟抗滑桩。结构单元的桩土之间的相互作用是通过耦合弹簧来实现的。耦合弹簧为非线性、可滑动的连接体，能够在桩身节点和实体单元之间传递力和弯矩。滑体、滑床采用Mohr本构关系，滑动面采用Coulomb摩擦定律。

表1 滑坡参数表

图4 模型示意图

对于数值模型中滑动面的设置，基于FLAC3D软件自带的接触面模拟滑面(图5)，实现滑体与滑床的错动和滑移，存在相互接触和相互滑动两种状态。

图5 滑面示意图

滑面的参数通过反算确定，首先输入一个较大的内摩擦角20°，程序收敛，再将滑面的内摩擦角不断折减，直至模型不收敛。以其前一级为确定的内摩擦角，得到临界状态的滑坡。最终确定极限平衡状态模型的内摩擦角为6°，滑动模型的内摩擦角为4°，相关计算参数见表2。

表2 滑面参数表

3.3 力学特征分析

3.3.1 极限平衡模型的力学特征

计算得到极限平衡状态模型的应力分布云图如图6(a)～图6(c)所示，其中负值表示受压。可以看出，模型竖直方向的应力随着深度的增大近似线性增大，模型底部竖直方向的最大应力为2.62 MPa，该处岩体埋深为100 m，滑床岩土体的重度为26 kN/m3，采用土中自重应力的计算公式得到竖向应力为2.6 MPa。公式计算结果与数值模拟结果相当，表明本数值计算模型满足精度要求。

图6 极限平衡滑坡模型应力云图

3.3.2 极限平衡模型的力学特征

图7 桩位示意图

为分析滑动模型不同位置抗滑桩的受力特征，共建立不同桩位下的滑动模型24个。现展示前排桩位于P″0、后排桩位于P4时抗滑桩的剪力特征，如图8、图9所示。可以看出，两排抗滑桩的最大剪力主要在滑面附近，其中前排抗滑桩的最大剪力为1 580 kPa，后排抗滑桩的最大剪力为1 910 kPa，后排抗滑桩承担的推力大于前排。汇总不同位置抗滑桩承担的推力，见表3。

表3 抗滑桩承受推力

图8 P″0位置抗滑桩剪力图

图9 P4位置抗滑桩剪力图

图10 前排桩位于反翘段抗滑桩承担的推力

图11 前排桩位于反翘段抗滑桩推力承担比

排距为60～120 m时，前排桩承担的滑坡推力逐渐增大，而后排桩承担的滑坡推力逐渐减小。这是因为排距加大，两排桩之间的土体越多，产生的剩余下滑力越大。这部分剩余下滑力由前排桩承担，故前排桩承担的推力逐渐增大。同理，后排桩后的土体逐渐减少，剩余下滑力逐渐减小，故后排桩承担的推力逐渐减小。当排距超过120 m时，前排桩承担的推力已经大于后排桩承担的推力。

从两级设置抗滑桩承担的总推力来看，排距40 m，即反翘端点至滑坡后缘长度的21%，约2倍滑体厚度时，总的滑坡推力最小，可作为此时的最优位置。

2) 前排桩位于P″0位置

改变前排桩的位置为反翘端点(P″0)，得到不同后排桩桩位的抗滑桩承担的推力，如图12、图13所示。可以看出，两排桩承担的滑坡推力的特征与前排桩位于反翘段时相近。排距小于40 m时，前排桩承担的推力减小，后排桩承担的推力增大。排距为40 m时，即反翘端点至滑坡后缘长度的21%，约2倍滑体厚度时，前排桩承担的滑坡推力最小，承担百分比为38.8%，比前排桩位于反翘段时大约3%，总推力为3 280 kN/m，反翘段前排桩小80 kN/m，两者有一定的区别。但相对而言，前排桩位于反翘端点时，两级设置抗滑桩承担总推力稍小，两排桩的承担百分比更为接近，桩位更加合理。

图12 前排桩位于反翘端点抗滑桩承担的推力

图13 前排桩位于反翘端点时抗滑桩推力承担比

3) 前排桩位于非反翘段

改变前排桩的位置为非反翘段的点(P‴0)，距离反翘端点8 m，得到不同后排桩桩位的抗滑桩承担的推力，如图14、图15所示。可以看出，两级设置抗滑桩的受力特征与前排桩在反翘段或反翘端点时有较大变化。此时两级设置抗滑桩承担比相近，前排桩承担的力较大，达到1 700～1 900 kN/m。两排桩承担的总推力随着排距的增大而增大，排距20 m时，总推力最小，为3 369 kN/m，大于前排桩在反翘段或反翘端点时。

图14 前排桩位于非反翘段抗滑桩承担的推力

图15 前排桩位于非反翘段抗滑桩推力承担比

上述分析结果表明，当设置两级抗滑桩支护滑坡时，前排桩位于反翘端点，排距占反翘端点与滑坡后缘距离为20%时，滑坡的总推力最小，为最优方案。

4 抗滑工程参数设计

4.1 抗滑桩设计参数对比

在统一推力下，设抗滑桩设计最优系数为抗滑桩长度和宽度的乘积与桩位间距的比值，系数值越小抗滑桩造价越低，合理的抗滑桩参数系数确定对于节省实际工程造价具有重要意义。

根据所收集统计数据中抗滑桩在不同推力下的设计参数(桩宽、桩高和桩距)，计算得出不同推力下的抗滑桩设计参数系数；并运用理正软件计算同一推力级下抗滑桩的设计参数，以及不同推力下的抗滑桩设计参数系数，其中利用理正软件计算不同推力下抗滑桩设计的最优系数，锚固段长度为桩长总长的1/3，总长21 m，锚固段7 m，地基系数取300 MN/m3；通过对比两个系数，从而得出实际工程选用的抗滑桩参数和理正软件设计的参数的关系，表4所示为不同推力下抗滑桩的设计参数，将表4中数据绘制成图16。

表4 不同推力级下抗滑桩设计参数

图16 理正计算系数与实际系数对比

如图16所示，在推力小于2 000 kN/m时，实际工程中采用的抗滑桩设计参数与理正软件中计算得到的抗滑桩设计参数相差不大，当大于2 000 kN/m以后，实际采用值明显偏保守。

4.2 桩间距

抗滑桩桩间距对于抗滑桩整体抗滑效果与经济性有着重要影响，若桩间距过大，滑动土体易从桩间挤出；桩间距过小，则不能充分发挥每根桩的抗滑作用，从而出现群桩效应。目前桩间距根据单桩承载力以及工程经验进行确定，以《滑坡防治工程设计与施工技术规范》(DZ/T 0219—2006)[21]为例，对桩间距的推荐是5～10 m，对比所收集三峡库区重庆库区抗滑桩间距统计资料，如图17所示。桩间距取5 m和6 m的较多，推荐5 m。

图17 抗滑桩间距直方图

4.3 锚固深度

《滑坡防治工程设计与施工技术规范》(DZ/T 0219—2006)[21]中对锚固深度的推荐是约为桩长的1/3～2/5，对三峡库区重庆段抗滑桩锚固深度与桩长进行统计，如图18所示，统计数据中有2个众数，分别为0.42和0.47，均大于规范给出的建议值，取中间值0.45作为三峡库区重庆段滑坡抗滑桩锚固深度与桩长比值推荐值。

图18 锚固深度与桩长比值直方图

5 工程实例验证

5.1 滑坡概况

为验证所提出抗滑工程优化设计方法的可行性与实用性，以铺娅场滑坡为例，开展抗滑工程设计，并与原始设计资料进行对比分析。铺垭场滑坡位于重庆市万州区长江北岸的大周镇铺垭口村，中心坐标(108.485064°，30.856982°)，主滑方向115°，岩层产状115∠5°。滑体为堆积层，平均厚度16 m，地下水平均深度5 m，堆积层沿基岩顶面滑动，滑床为侏罗系上沙溪庙组砂岩夹泥岩。滑体碎、块石含量25%。滑坡在暴雨后处于强变形阶段。

5.2 设计对比分析

暴雨工况为设计工况进行抗滑桩设计，剩余推力为558.18 kN/m。根据所提出的优化设计方法，当滑体厚度大于6 m时，应选取抗滑桩。设置于滑坡前缘(距离滑坡前缘水平距离15 m)，前缘厚度11 m。根据表4，选取100～500 kN/m剩余推力对应的设计参数，选取桩高1.5 m，桩宽1.75 m，桩间距5 m，锚固深度/总长约为0.45，锚固深度取9 m，桩长20 m。选取水平抗力系数140 MN/m3，地基承载力1.5 MPa，用理正软件进行设计，结果表明，设计参数通过了各项检验。在Google Earth上测量设桩位置滑坡宽度为302 m，桩间距5 m，共布设60根抗滑桩。

原始设计资料中，根据推力分为5种桩型。铺娅场滑坡主轴断面对应为A3桩型，设桩处剩余推力为162.39 kN/m，相应设计的抗滑桩桩长为12 m，锚固段5 m，桩间距5 m，桩高1 m，桩宽1.5 m。其余剖面中，最大的桩型是A4桩型，设桩处剩余推力为395.73 kN/m，相应设计的抗滑桩桩长为16 m，锚固段5 m，桩间距5 m，桩高1.5 m，桩宽2.0 m。将估计的抗滑桩设计值与A3和A4型桩做对比，如表5所示。桩长宽高系数为桩长、桩宽与桩高的乘积与桩间距的比值。估计值的桩长宽高系数与资料中最大桩型的桩长宽高系数接近，略保守。原始资料中，5种桩型共计49根桩，估计结果为60根桩，估计结果略偏于保守。

表5 整治工程设计参数对比

6 结论

(1)从工程可行性、经济性和环境影响程度几方面对挡土墙和抗滑桩的适用条件进行了对比，建议当滑坡剩余推力小于100 kN/m且工程设置位置处滑体厚度小于5 m时，采用重力式挡墙；大于100 kN/m或滑体厚度较大时建议采取抗滑桩。

(2)在满足滑坡稳定性要求时，根据支挡结构所受推力最小原则，利用FLAC软件分析两排桩时桩位设置合理位置。当两级设置抗滑桩支护滑坡时，前排桩位于反翘端点，排距占反翘端点与滑坡后缘距离为20%时，滑坡的总推力最小，为最优方案。

(3)将推力100～5 000 kN/m分为11级，计算分析最优截面、桩长、桩身、桩间距的理论值，并与实际工程对比得出，当剩余推力小于2 000 kN/m时，实际采用的设计参数与理正设计参数基本一致，当大于2 000 kN/m时，实际采用的设计参数与理正设计参数对比偏保守。三峡库区重庆段滑坡抗滑桩锚固深度与桩长比值推荐值为0.45，桩间距推荐值5.5 m或6.0 m。

(4)以铺垭场滑坡为例，将抗滑工程优化方法用于铺垭场滑坡治理估计，经比较，抗滑工程设计安全，证明了所提出的优化设计方法对立项阶段滑坡治理进行估计具有可行性和实用性。