基于极限平衡法和Midas/GTS的张家湾滑坡稳定性

吕文斌，耿海深，魏赛拉加

(1.青海省减灾中心，西宁 810008；2.青海省水文地质工程地质环境地质调查院，西宁 810008；3.青海省地质环境监测总站，西宁 810001)

滑坡是斜坡岩土体沿着贯通的剪切破坏面所发生的滑移地质现象。作为一种常见的地质灾害，滑坡的发生往往会对人民生命财产、社会生产造成巨大损害,甚至出现毁灭性的灾难[1-2]。1963年10月，意大利瓦伊昂水库库岸发生了一起重大滑坡次生灾害，导致近3 000人遇难[3]。2010年6月，贵州省乌镇大寨发生特大高速远程滑坡，导致2个村庄被毁，99人死亡或失踪[4]。2019年3月，山西省临沂市乡宁县枣岭乡卫生院北侧发生山体滑坡，造成20人死亡，近100间房屋倒塌，100多人紧急转移安置。滑坡产生的灾害强度和对社会产生的影响程度往往是深远而巨大的。为避免潜在滑坡区人民的生命财产的损失，有必要对滑坡的形成机理和稳定性展开研究。

在滑坡稳定性的分析计算方面，中外学者已经研究推导出了多种有效的分析计算方法。其中，极限平衡法作为传统边坡稳定分析方法的代表，已成为中外应用最广泛的边坡稳定性分析方法[5]。梁利喜等[6]采用Sarma法对四川某古滑坡进行稳定性评价，深入分析了导致滑坡产生的综合因素，并提出了相应的治理建议。罗红明等[7]以不平衡推力法为例，在考虑地震力的基础上，对传统刚体极限平衡法作出了一定改进，并探讨了地震力对核桃树沟滑坡稳定性评的影响。刘其琛等[8]运用3DEC建立关岭大寨滑坡三维模型，结合强度折减法计算得出暴雨发生前后的滑坡安全系数，发现暴雨是导致滑坡发生的关键诱因。郭子正等[9]选取Morgenstern-Price法计算麻柳林滑坡的稳定系数，发现滑坡稳定性对于降雨条件更加敏感。

随着信息技术的高速发展，数值模拟逐渐成了边坡稳定性分析的主要方法之一。比较常用的方法有：有限单元法[8-10]、离散单元法[11-12]、不连续介质力学问题界面元法[13]、快速拉格朗日分析法FLAC3D[14]和Midas/GTS[15]等，其中，尤以有限元法数值方法的应用最为广泛。张修照等[16]同时采用刚体极限平衡法与有限元法研究了工程边坡的稳定性，结果发现两种方法在计算滑坡稳定性的结果是一致的。潘国林等[17]采用离散元法对鸟雀坪古滑坡进行反演模拟，准确地将该滑坡的失稳过程分为四个阶段。雍睿等[18]采用模型试验和FLAC3D相结合的方法，进行了推移式滑坡演化过程的动态数值模拟，验证了滑坡演化的阶段性特征，揭示了推移式滑坡演化过程中稳定系数非线性递减的规律。常亚婷等[19]结合雪橇模型和有限元数值模拟计算罗峪沟滑坡的变形破坏特征，为西北地区类似滑坡的防灾减灾提供了参考。邓爽等[20]采用Midas/GTS研究了某高速公路在不同工序条件下边坡开挖的安全系数、塑性区、应力及位移分布和变化规律，总结出了高边坡滑裂面位置及破坏机理，为相关工程项目的施工研究提供了参考。Midas/GTS有限元数值模拟通过内置程序不仅可以计算出滑坡稳定系数的大小，同时还能模拟出滑坡各部分的应力、应变、位移的变化规律及活动方式，模拟展示滑坡的动态破坏失稳过程，并为滑坡的防护治理提供参考。

基于此，现以西宁市张家湾滑坡为研究对象，在进行充分现场调查的基础上，采用钻探揭示和室内实验研究等多种手段，研究滑坡的形成机理及发展过程。同时，采用Midas/GTS有限元数值模拟软件模拟滑坡剪出口位置和计算滑坡的稳定系数，并与工程定性条件和基于极限平衡法的计算结果进行比对。此外，参考《滑坡防治工程勘查规范》(GB/T 32864—2016)[21]，对滑坡的稳定状态进行评价。

1 滑坡概况

1.1 滑坡形态特征

张家湾滑坡位于西宁市彭家寨镇张家湾村，发育在湟水河南岸丘陵区与河流冲积平原区交界处斜坡上。滑坡以南为低山丘陵区，以北为109国道及湟水河谷，西与杨家湾滑坡相邻，东至青海磁石机械厂，如图1所示。

滑坡后壁呈陡崖，后缘高程为2 620 m，前缘位于G109公路和解放渠之间，前缘坡脚高程2 295 m。坡高325 m，平均坡度30°，滑坡南北向长400～1 100 m，东西向宽200～600 m，滑坡平面面积46.4×104m2，主滑方向20°。剪出口以解放渠为界，形成高6～12 m的陡坎。总体平面形态呈不规则“舌形”，剖面形态呈凹型。

图1 张家湾滑坡平面形态特征Fig.1 Plane morphological characteristics of Zhangjiawan landslide

图2 滑坡分期滑动平面展布图Fig.2 Plane distribution of landslide sliding in stages

张家湾滑坡为湟水河南山一处老滑坡复活后产生的多级多次滑塌不良地质综合体，滑坡形成机制复杂。根据滑坡形态、滑面、剪出口和滑覆体特征，可将滑坡分为四期分级滑动，并形成三级阶梯状平台，如图2所示。根据滑坡空间形态及变形特征，可将张家湾滑坡划分为2个滑坡区：东侧滑坡区(H1-1)和西侧滑坡区(H1-2)。

H1-1后缘界线基本上为老滑坡(第一期滑坡)后缘界线，发育为泥岩崩塌区，出露岩体陡峭直立于后缘，节理裂隙发育，风化破碎，崩塌落石时有发生，该区为崩塌不稳定区。H1-2为张家湾滑坡主要滑动区，主要变形区位于H1-2后部，方向32°，滑体平均厚度约28 m，总体积约1 229×104m3，为特大型滑坡，属缓倾层状岩质+土质复合滑坡。根据滑坡规模、潜在危害对象、经济损失确定滑坡防治工程等级为Ⅰ级。

1.2 滑坡物质组成及结构特征

1.2.1 滑体

第一、二期滑体以含泥岩块的粉质黏土为主，固结程度低，含大量泥岩碎块，原岩为全风化-强风化砂质泥岩，如图3(a)所示。第三、四期滑体岩性以粉土和崩塌黄土为主，如图3(b)所示，崩塌黄土主要位于四期滑坡及三期滑坡中后部，大部分在H1-2中揭露，固结程度低，局部含水量高，土体质地疏松，具明显湿陷性，湿陷等级为Ⅲ级。

图3 滑体岩心样品Fig.3 Core sample of sliding body

1.2.2 滑面及滑带

滑坡多期次滑动形成多级滑动面。第一期滑动面[图4(a)]在H1-1中有所揭露，滑面为泥岩层中软弱夹层带，粉质黏土，原岩为强风化～中风化泥岩，泥化程度高，稍湿，遇水易崩解。第二、三期滑面为强风化泥岩界面，滑带土为粉质黏土，可塑，细腻具滑感，黏性强，有揉搓现象[图4(b)]，含水量较上部土体高，透水性差，厚度为0.3～2.0 m，夹少量砾石，有一定磨圆度，含5%～10%角砾，粒径0.5～2 cm。第四期滑动面主要发育在第四系上更新统黄土与中风化泥岩或粉质黏土接触部位，滑带土为粉土，呈明显挤揉现象，并有擦痕，固结程度低，含水量高[图4(c)]。

图4 滑面及滑带Fig.4 Sliding surface and sliding belt

1.2.3 滑床

第一、二期滑床岩性为泥岩砂岩互层(图5)，岩层产状3°～8°，缓倾。泥岩致密坚硬，泥质结构，块状、层状构造，单层厚度0.7～1.2 m，为厚层-巨厚层状。砂岩较致密坚硬，砂质结构，层状构造，遇水易呈松砂状。第三、四期滑坡主要在二期滑坡的基础上发生的，部分滑床岩性与二期相同，以泥岩为主，岩层产状335°∠3°，近似水平，致密坚硬，泥质结构，块状构造，单层厚度0.7～1.2 m，为厚层～巨厚层状。另一部分滑床为二期滑体，以粉质黏土为主，稍密，可塑至硬塑状，固结程度低，含大量泥岩碎块，夹少量砾石，含5%～10%角砾，粒径0.5～2 cm，有一定磨圆度。

图5 第一、二期滑床岩芯Fig.5 Core samples of the first and second stage sliding beds

1.3 滑坡剪出口

从H1-2整体来看，在后缘有多处规模不等次生崩塌正在进行中，滑坡体后缘受到堆载。同时，前缘阻滑段受人类工程开削坡切脚，坡体正遭遇前拉后推的双重作用。另外，由于修建G109国道对老滑坡前缘进行切脚，形成了长约100 m、高12～15 m的临空面。坡顶大部分场地用作修建厂房，坡面则采用浆砌片石挡墙支护，在挡墙墙高约1/3处，形成了一道长15～20 m、宽1～2 cm的水平裂缝，为老滑坡前缘剪出口所在。第二剪出口位于一级平台后缘，因二期滑坡体前缘削坡造地，使该剪出口形态发生较大变化。目前该剪出口前缘直立的坡体有挤压现象，土体明显潮湿，局部可见鼓胀裂隙。第三剪出口为牵引式浅层滑坡剪出口，位于一级平台兴华彩钢厂后人工开挖临空面底部。目前第三剪出口和第二剪出口基本位于同一高程，且第三剪出口受人类工程活动干扰较大。第四剪出口位于第二级平台后部临空面，为黄土滑塌体推移二期滑坡体剪出所致，目前仍处于滑动变形期。

2 滑坡形成机理分析

张家湾滑坡是在老滑坡后壁及侧壁次生多次多级滑坡、崩塌的不良地质综合体。一期滑坡为牵引式滑坡，受新构造运动影响，湟水河两岸台地垂直抬升，同时湟水河下切，形成了南高北低、陡缓相间的斜坡地貌。南侧地貌形成时刚好于此处形成一处垭口，垭口地段的冲洪积、坡积堆积物较为厚实，由于垭口汇水和山处于阴坡，土体湿润，自重较大。加上湟水河长年累月的下切，南岸台地坡脚阴湿的覆盖表层全部临空。且底部台地抬升隆起时，岩层平缓外倾，形成有利于滑动的潜在滑面。泥岩本身具有阻水性质，受泥岩面阻水、隔水影响，形成软弱滑动带并贯通至临空面，阴湿的坡体堆积物沿该软弱带在重力作用下诱发形成了老滑坡。

一期老滑坡发生后，形成了高陡的滑坡后壁，后壁上出露近似直立的新近系泥岩和上覆马兰黄土。马兰黄土具有大孔隙、垂直节理发育的特征，湿陷性较大[22]。因滑坡后壁土体受前缘土体滑走卸荷作用产生拉张裂缝(如图6所示)，为雨水截流和快速入渗提供了通道，进一步加剧了该处马兰黄土的湿陷和开裂。

图6 拉张裂缝Fig.6 Tension crack

下部新近系泥岩属易风化软岩，在遇水软化和风干开裂交替作用下，物理风化作用逐步增强，岩体物理力学性能不断变差，自稳性降低，为老滑坡后壁发生再次滑动提供了物质条件。而高陡的老滑坡壁和向外缓倾的岩层面为再次滑动剪出临空面提供了地形条件和滑动趋势。同时，由于泥岩和黄土层的接触面具有天然隔水作用，成为地表水入渗后的滞留区。在接触面附近，新近系泥岩和马兰黄土遇水软化、崩解。随着地表水入渗量的增大，该处土体在滞留水体的作用下逐渐形成软弱带。继而，张家湾老滑坡西侧后缘进一步向上发展形成了二期滑坡。

二期滑坡发生后，形成了后缘平台洼地、陡峭的滑坡侧壁和平台间陡坎，并存在进一步发育滑塌的可能。二期滑体本身就近堆积于较陡斜坡体上，滑体处于极限平衡状态。然而，由于二期滑坡东侧前缘堆积体被人为侵入式开挖(如图7所示)，形成临空面，前缘阻滑段减小，破坏了原本脆弱的极限平衡，从而在二期滑坡东侧边缘附近形成了牵引式浅层黄土滑坡，即三期滑坡。

四期滑坡形成于二期滑坡西侧后缘垭口附近，垭口地形使该区成为地表水集中汇流区，该处黄土相对较为厚实，黄土垂直节理、落水洞、卸荷张拉裂隙发育。大量地表水汇流后不能由坡面地表径流顺畅排走，而是直接沿上述通道快速入渗，从而诱发黄土滑塌。近年来，因绿化工程灌溉需要，在原坡面上挖成了一道道走向与坡面一致的灌溉沟，进一步加剧了黄土陡坡的崩滑。目前四期滑坡仍处于活跃变形期，黄土崩滑正以追踪式逐级向上发展。

图7 人为开挖形成的临空面Fig.7 Free surface formed by artificial excavation of slope toe

3 滑坡稳定性计算及分析

3.1 计算方法及稳定状态划分

采用《滑坡防治工程勘查规范》(GB/T 32864—2016)[21]中推荐的不平衡推力传递法计算滑坡的稳定性。并参考该标准，将滑坡的稳定状态划分为4级，如表1所示。

表1 滑坡稳定状态划分Table 1 Division of landslide stability state

3.2 计算工况

按三种工况计算：工况①:自重，安全系数取1.30；工况②:自重+暴雨，安全系数取1.10；工况③:自重+地震，地震按0.10g(g为重力加速度)考虑，安全系数取1.10。

3.3 滑坡土体强度计算参数

3.3.1 滑体

在钻孔中利用薄壁取土器静力压入法和探井刻样法采集滑体原状土样。试样采集后立即采用蜡封，并装入特制的防震包装木箱中及时送至实验室进行岩土物理力学实验。岩土室内实验严格按照《滑坡防治工程勘查规范》(GB/T 32864—2016)[21]和《土工实验方法标准》(GB/T50123—2019)[23]等相应规范进行。滑体的天然重度、饱和重度、黏聚力和内摩擦角等测试结果如表2所示。

表2 滑体重度及抗剪强度实验测试结果Table 2 Measured results of sliding weight and shear strength

3.3.2 滑带土

对一、二期滑带土进行室内直剪，对三、四期滑坡进行现场大面积剪切实验。同时，《滑坡防治工程勘查规范》(GB/T 32864—2016)[21]中推荐的方法进行强度指标反算，结果如表3所示。

表3 滑带力学参数反算结果与实验结果对比Table 3 Comparison of the mechanical parameters of sliding belt between back calculated results and measured results

由表3可知，反算结果和实验结果差距很小。反算法紧密结合滑坡形成机理，针对黄土状土和粉质黏土滑带性状不同和同一剖面不同部位参数的差异，分别进行分析反算，其结果既符合实际情况，与实验数据也较为吻合。综合分析比较后，选取反算强度指标进行滑坡稳定性计算。

3.3.3 滑床

滑床岩性为新近系泥岩，呈缓倾3°～8°，节理裂隙发育。在钻孔中采取12组岩样进行岩石力学指标测试，结果如表4所示。天然状态下，孔隙比为0.424～0.618，平均为0.53；天然含水量为13.4%～21.7%，平均为18.19%；天然重度为2.03～2.19 g/cm3，平均为2.10 g/cm3。颗粒密度为2.73～2.76 g/cm3，块体密度为2.06～2.11 g/cm3，含水率为15.96%～22.44%，孔隙率为34.41%～38.63%，吸水率为31.35%～35.13%。

表4 滑床岩体物理力学实验参数Table 4 Experimental results of physics and mechanics parameters of rock samples in sliding bed

在干燥状态下，单轴抗压强度平均值为1.7 MPa。在饱和状态下，单轴抗压强度平均值为0.023 MPa。在两种不同状态下，单轴抗压强度差距明显。滑床泥岩的软化系数为0.01～0.06，属极软岩，膨胀率为2.10%～17.05%。

3.4 滑坡稳定性计算

张家湾滑坡共布置5条工程地质剖面，如图8所示。综合考虑地形地貌、变形特征、滑坡性质等因素的影响，选择2-2′ 和4-4′剖面作为张家湾滑坡整体稳定性计算剖面，选择4-4′、C-C′及A-A′剖面作为局部稳定性分析计算剖面。

图8 稳定性计算剖面线布置图Fig.8 Layout plan of stability calculation section

图9 滑坡主轴剖面Fig.9 Landslide principal axis section

采用一、二期滑坡参数c=26 kPa，φ=23.0°(暴雨工况为c=24 kPa，φ=21.9°)计算2-2′剖面。在计算4-4′剖面[图9(a)]时，将滑坡参数分为两段：上部采用四期滑坡参数c=10 kPa，φ=20.7°(暴雨工况为c=9 kPa，φ=19.2°)；中下部采用一、二期滑坡参数。4-4′剖面条块划分剖面如图9(b)所示。

采用不平衡推力传递法，分别检算了各剖面在三种工况条件下的稳定性，稳定系数计算结果如表5所示。由表5可知，H1-1和H1-2处于整体稳定状态，说明张家湾滑坡处于整体稳定状态。但H1-2中的二期滑坡在工况①时基本稳定，在工况②和工况③时处于欠稳定状态；而H1-2后部的三期、四期滑坡在工况①时分别为基本稳定和欠稳定状态，在工况②和工况③时都处于不稳定状态。

表5 滑坡稳定系数及稳定状态Table 5 Stability coefficient and stability state of landslide

4 基于Midas-GTS的滑坡剪出口模拟与稳定性计算

采用Midas-GTS有限元计算软件中的强度折减法模拟计算了张家湾滑坡的剪出口位置和稳定系数。

4.1 滑坡剪出口位置

在Midas-GTS中对张家湾滑坡主轴断面进行滑动位移及剪应变观测，得出滑坡潜在剪出口的分布位置，如图10所示。

图10 滑坡剪出口Fig.10 Shear outlet of landslide

结合第1.3节分析可知，上部剪出口位于二级平台附近，为第四期滑坡剪出口；中部剪出口位于二级平台和一级平台之间，是张家湾第二期滑坡所堆积的原始地面平台，该处为后缓前陡地形的分界点，同时造就了滑塌堆积黄土层由厚变浅，形成了张家湾第三期牵引式浅层滑坡原始剪出口。下部剪出口位于一级平台后缘，为张家湾滑坡第二期滑坡和第三期浅层滑坡堆积剪出口。而底部剪出口则位于一级平台前缘G109国道附近。

以上四处剪出口的分布位置与第1.3节中工程地质定性分析结果相一致。除底部剪出口外，上中下部三处剪出口趋势明显，与第3节中稳定性定量计算结果也相一致。

4.2 滑坡稳定性计算与分析

选取滑坡体主轴剖面(4-4′剖面)进行分析计算。将滑坡体主轴4-4′剖面离散成6 824个节点和3 349个单元，具体网格划分如图11所示。基于第3节中实验和反算获得的参数，计算了不同工况条件下的稳定系数和剪应变图，结果如图12所示。

图11 4-4′剖面有限元网格划分Fig.11 Finite element mesh division of landslide model

图12 不同工况条件下滑坡稳定系数及剪应变图Fig.12 Stability coefficient and shear strain diagram of land slide under different working conditions

由图12可知，张家湾滑坡在工况①、工况②和工况③时的稳定系数分别为1.52、1.42和1.39，这与第3节中利用传递系数法计算出的结果一致。

结合表5和图12分析认为，张家湾滑坡处于整体稳定状态，H1-1(一期老滑坡)处于整体稳定状态，H1-2也处于整体稳定状态，但H1-2中的二期滑坡体前缘人类活动频繁，对其前缘坡脚开挖破坏严重，后缘又有次级滑塌加载，现阶段在天然状态下处于基本稳定状态，暴雨和地震情况下则处于欠稳定状态。三期滑坡为浅层牵引式滑动，发生错动后就近堆积于较陡的既有斜坡上，在天然状态下处于基本稳定状态，暴雨和地震工况下处于不稳定状态。四期滑坡体则处于活跃发展中，坡面在近年的多次滑塌过程中形成了多级阶梯，现阶段在天然状态下仍在蠕动变形，属于欠稳定状态；在暴雨和地震工况下则处于不稳定状态。

张家湾滑坡的总体发展变化趋势为整体上已从滑动阶段发展为压密-稳定阶段，仅局部因加载、切坡发生变形。而次级滑坡(二期、三期)由于前缘临空，滑坡处于滑坡变形阶段，且随着降雨和人类工程活动的影响，变形趋势愈加明显。第四期滑坡近年来变形十分明显，后缘不断崩滑，处于滑坡活跃变形期。

人类工程活动是诱导滑坡进一步发展的重要原因。抗滑段被人为平整削方，下滑段由于绿化灌溉诱发黄土崩塌不断发展，形成了本该加载反压的前缘被挖方减载，本该削方减载的后缘正在不断堆积加载。因此，有必要采取相应防护对张家湾滑坡进行综合治理。

5 结论

在对西宁市张家湾滑坡进行充分现场调研的基础上，采用钻探揭示和室内实验研究等多种手段，并结合极限平衡法和Midas/GTS有限元数值方法，研究了滑坡的形成机理、发展过程、滑坡剪出口位置和滑坡稳定状态，并得到以下结论。

(1)张家湾滑坡共发生四期分级滑动，并形成三级阶梯状平台。滑坡共发育四处剪出口，除底部剪出口外，上中下部三处剪出口趋势明显。

(2)基于刚体极限平衡法和Midas/GTS的计算结果是一致的。张家湾H1-1和H1-2处于整体稳定状态。但H1-2中的二期滑坡在自重工况时基本稳定，在暴雨和地震工况时处于欠稳定状态；而H1-2后部的三期、四期滑坡在自重工况时分别为基本稳定和欠稳定状态，在暴雨和地震工况时处于不稳定状态，而四期正处于滑动期。

(3)张家湾滑坡整体上已从滑动阶段发展为压密-稳定阶段，仅局部因加载、切坡发生变形。而次级滑坡(二期、三期)由于前缘临空，滑坡处于滑坡变形阶段，随着降雨和人类工程活动的影响，变形趋势明显。第四期滑坡近年来变形十分明显，后缘不断崩滑，处于滑坡活跃变形期。有必要对张家湾滑坡进行综合治理。