某水库大坝西侧山体滑坡稳定性分析及治理措施

宋京雷，刘刚，施威，徐成华，张春雨，潘长胜

1. 江苏省地质调查研究院，南京 210018；2. 江苏省地质矿产局 第一地质大队，南京 210041;3. 河海大学 地球科学与工程学院，南京 211100

0 引言

滑坡是一种分布广泛、多发性的地质灾害,对人民生命财产和各项社会活动以及资源造成极大的损失,因此加强对滑坡稳定性和治理的研究十分必要[1]。滑坡产生原因、诱发因素与发展机理复杂多变，以及滑坡演化过程的极其不稳定等原因使得滑坡灾害往往难以及时、准确的监测和预报，加之治理成本高，因此滑坡灾害一直是世界各国长期以来着力研究的重要工程地质难题之一[2]。

目前，岩土工程中常用到的数值模拟软件依据对介质连续性的假设不同，可以分为两大类：基于介质连续假设的数值计算方法，主要包括有限单元法、有限差分法和边界单元法等；基于介质不连续假设的数值计算方法，主要包括块体理论、离散单元法和不连续变形分析等。其中基于快速拉格朗日有限差分法的商业软件已被广泛运用于边坡稳定性分析中。向越等[3]采用FLAC3D分析了四川某浅表层土质滑坡在不同工况下的稳定性,并通过与采用不平衡推力法得出的计算结果进行对比,得出两种方法所表现出来的滑坡潜在的变形破坏规律是一致的结论。张骞棋[4]结合Geostudio与FLAC3D两种基于不同计算原理的数值分析软件，对比两种计算结果，指出了滑坡应力集中与最大变形部位，分析了滑坡形成机制，预测了滑坡发展趋势，并提出了合理的处治方案。王刚[5]以某高陡挖方土质边坡工程为背景，基于FLAC3D软件，分析了锚杆长度、间距和倾角等参数对边坡稳定性的影响，并探讨了锚杆的优化设计方法。蒋中明等[6]利用FISH函数对FLAC3D软件的非饱和渗流计算功能进一步完善。汪儒鸿等[7]通过离散元软件PFC2D模拟土体的结构性，分析了结构性土质边坡的失稳变形规律。胡时友等[8]利用FLAC3D对桩长变化的抗滑短桩加固碎石土滑坡全过程进行三维有限元模拟，研究了抗滑短桩的受力变形特性及桩土相互作用机理。蒋权等[9]利用离散元法对溪洛渡水电站黄坪滑坡的三维滑动过程进行模拟，深入分析了滑坡失稳后的运动状态及规律。李嘉雨等[10]将 3D EC数值模拟和层次分析法(AHP)相结合，并利用“触发因素重现周期信息”的方法，制作了川黔线裁缝岩滑坡危险性分区图，确定了滑坡的年失稳概率。

研究区水库大坝西侧山体滑坡稳定性严重威胁库区西侧水利设施建筑的安全。因此，基于该水库大坝西侧山体滑坡项目开展滑坡稳定性分析及治理措施研究具有极其重要的现实意义。本文以其为对象，在现场调查、资料收集分析的基础上，采用FLAC3D数值模拟方法，对滑坡治理前后天然和暴雨工况下的滑坡稳定性进行研究，并对滑坡治理效果进行评价，为类似的工程提供相关经验和借鉴。

1 研究区滑坡基本特征

1.1 滑坡体形态及边界特征

研究滑坡位于水库大坝西北侧的鹅山东坡，属库区内部，总体地势西高东低，山体坡度上陡下缓，该滑坡平面形态似“簸箕状”(图1)。该滑坡由南侧和北侧两个滑坡体组成，滑坡周界明显，其主滑方向为90°。滑坡南北向宽约250 m，东西向长约200 m，滑坡平均厚度约7 m，总滑坡方量约231 000 m3。滑坡体与其周围未滑动的岩土体在平面上形成鲜明的分界线。

图1 某水库大坝西侧滑坡形态及边界特征Fig.1 Landslide morphology and boundary characteristics on west side of a reservoir dam

1.2 滑坡工程地质特征及变形特征

研究区存在南北两处滑坡,其工程地质平面图如图2所示。其中南侧滑坡坡脚处有建设房屋，地层出露具有代表性，因此作为本文研究剖面，其工程地质剖面图如图3所示。滑坡体组成物质主要为素填土、粉质黏土、碎石土、高岭土化粉质黏土及高岭石等。滑体厚度随地层起伏变化，平均厚度约7 m，钻孔揭露滑床埋深约2.5～12.5 m，主要为风化基岩面。该滑坡滑带土主要为高岭土化粉质黏土及高岭土，该两层土沿纵剖面方向普遍分布，最大厚度约为9.4 m，总体厚度约为2 m，土层高岭土化严重，薄层状，且具有一定膨胀性，自由膨胀率最大约64%，遇水浸润易软化，岩土体物理力学性质较差。

图2 滑坡工程地质平面图Fig.2 Engineering geological plan of landslide

图3 滑坡典型工程地质剖面图Fig.3 Typical engineering geological section of landslide

滑坡上部山体覆盖层较薄，下部滑坡土体堆积厚度较大，植被以滑坡后缘形成明显分界。根据现场踏勘调查，滑坡后缘与未滑动的山体脱离，形成滑坡壁。滑坡后缘下挫规模较大，滑坡壁顶部与底部最大高差约1.2 m，形成滑坡台坎(图4)。滑体及其周边存在一系列裂缝，裂缝分布密集且规模较大(图5)。上部土体失稳形成张拉裂缝，下部土体遭受上部土体的挤压形成张裂缝，部分横向裂缝两侧土体在挤压作用下呈叠瓦式特征展布。滑坡区下部因建设房屋及修筑道路切坡影响，局部坡面陡立，在雨水冲刷等外力影响下发生表层土体滑塌，对坡脚原有挡墙造成破坏。综合分析，该处滑坡主要体现出推移式滑坡变形特征，在坡脚局部地形陡立处体现出小型牵引式滑坡变形特征。

图4 滑坡后缘及台坎Fig.4 Landslide trailing edge and platform sill

图5 滑坡体地表裂缝Fig.5 Surface cracks of landslide

根据现场地质调查及相关勘察资料，研究区属于低山丘陵地貌，地形上整体呈上陡下缓形态，总体坡度为8°～13°，是产生滑坡的有利地形。地层岩性方面研究区上覆素填土、粉质黏土和碎石土，下伏基岩为石英砂岩及粉砂质泥岩，基岩面上部普遍分布有高岭土化严重的粉质黏土层及高岭土。基岩面近似同山体坡向呈现上陡下缓的形态，当汛期大量雨水沿着透水性强的上层覆土入渗到基岩面时，基岩面上部粉质黏土层及高岭土遇水软化，形成软弱夹层，岩土体的力学参数降低，抗滑力下降。同时，该层土具有一定的隔水性，使得上部土体吸水饱和自重增大，最终上覆土层在饱和自重及地下水渗流等作用影响下沿基岩面发生下滑。滑动土体变形挤压下部土体，使得下部土体下滑力增大，当下部土体抗滑力难以维持坡体稳定时便随上部滑体一并下滑，最终促使该处发生整体性滑坡。

从外部因素方面来看，研究区内山体坡脚处有房屋建设及道路铺设等人类工程活动，对坡脚进行人工开挖，卸除了坡脚处具有压脚作用的土体，使得坡体抗滑力减小。同时，人工切坡改变了下部坡体，使得原有平缓的地形局部坡面陡立，为坡体的滑动变形提供了有利的临空条件，最终增加坡体发生滑动变形的可能性。

2 研究区滑坡稳定性分析与评价

2.1 模型建立与参数选取

本文利用AUTOCAD、ANSYS和ANSYS--FLAC3D接口程序等软件来辅助FLAC3D建模。根据水库大坝西侧山体滑坡典型剖面的工程地质剖面图，建立计算模型(图6)。滑坡剖面模型水平长度(X向)250 m，竖向高度(Z向)63 m。本次FLAC3D分析中采用Mohr--Coulomb本构关系，通过野外钻探取样、室内饱和状态下的直剪试验的方法计算模型中岩土材料基本物理力学参数，再根据前人资料、勘察数据和反演综合确定。计算模型中各层岩土体的物理力学参数具体见表1和表2。通过计算该水库大坝西侧山体滑坡的南侧滑坡典型剖面在天然工况、暴雨工况下的总位移、塑性区和最大主应力等，从不同角度分析不同工况下研究区的滑坡稳定性。

图6 滑坡典型剖面计算模型Fig.6 Calculation model of typical section of landslide

表1 土体物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of soil

表2 岩体物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of rock mass

2.2 总位移分析

研究区南侧典型剖面天然工况和暴雨工况下的总位移云图如图7所示。从图中可知，坡体变形较大区域集中在滑坡后缘。天然工况下，滑坡体位移较小，整体位移约2～3 cm，最大位移约4.71 cm，位于坡体的陡缓交界处；暴雨工况下，坡体位移增大，产生明显滑动，整体位移约在1～3 m，最大位移约4.01 m，同样位于坡体的陡缓交界处。综上可知，南侧坡体受降雨影响滑动更为剧烈。

图7 不同工况下总位移云图Fig.7 Cloud map of total displacement under different conditions

2.3 塑性区分析

研究区南侧典型剖面天然工况和暴雨工况下的塑性区分布云图如图8所示。根据云图显示，由高岭土化严重的粉质黏土及高岭土组成的滑带土正处于塑性流动状态。天然工况下，正处于塑性流动的区域尚未贯通，坡体处于稳定状态；暴雨工况下，正处于塑性流动的区域扩大直至贯通进入完全流塑状态，高岭土化严重的粉质黏土及高岭土无法继续承受荷载，坡体失稳，产生滑动。综上分析，滑带土受雨水影响抗剪强度进一步降低，土体屈服，塑性流动区域扩大直至贯通进入完全流塑状态，坡体沿着滑动面发生以水平向为主的滑动。

图8 不同工况塑性区分布云图Fig.8 Cloud map of plastic zone distribution under different conditions

2.4 最大主应力分析

研究区南侧典型剖面天然工况和暴雨工况下的最大主应力云图如图9所示。由云图可知，坡体的应力场是均匀分布，且从地表向岩层深部逐步增大，最大主应力方向与重力方向相同，均表现为压应力。天然工况下，最大主应力的最大值约为0.38 MPa，位于坡体左下角；暴雨工况下，最大主应力的最大值约为0.39 MPa，同样位于坡体左下角。坡顶局部出现拉应力，可能是边界效应引起。综上分析，暴雨工况下，雨水的下渗会使得土体趋于饱和状态，土体的重力相对自然条件增大，坡体的剪应力增大，坡体易失稳。

图9 不同工况最大主应力云图Fig.9 Cloud map of maximum principal stress under different conditions

3 研究区滑坡治理方案及评价

3.1 治理方案

研究区南侧主滑剖面是治理设计的典型剖面，布设了5排抗滑桩(图10)。其中2排A型抗滑桩(桩长10 m，设计最大下滑推力500 kN，采用C30混凝土和HRB400的钢筋)，3排B型抗滑桩(桩长15 m，设计最大下滑推力为630 kN，采用C30混凝土和HRB400的钢筋)。为了方便计算，采用FLAC3D自带的Pile结构单元来模拟抗滑桩。参照设计剖面桩位布置图，相应的在原有模型上加上抗滑桩，同时在各抗滑桩顶布设位移监测点，通过进一步数值模拟对滑坡治理效果进行评价。治理后模型如图11所示。

图10 南侧滑坡典型剖面桩位布置图Fig.10 Typical profile pile position layout of southern landslide

图11 研究滑坡典型剖面治理后模型Fig.11 Model of typical section of landslide after treatment

3.2 总位移及塑性区分析

图12为治理后研究区南侧典型剖面天然和暴雨工况下的总位移云图。通过治理前后云图对比可直观看出，滑坡通过抗滑桩加固后，坡体位移明显减小。天然工况下，坡体的整体位移约1～2 mm，最大位移约2.08 cm，坡体后排抗滑桩受土体挤压存在1～2 cm位移，坡体前排抗滑桩受土体挤压较小，无明显位移；暴雨工况下，整体位移约在2～5 cm，最大位移约10.42 cm，坡体后排抗滑桩受土体挤压作用变大，位移增大了约4 cm，坡体前排抗滑桩无明显变化。综上分析，随着抗滑桩发挥防治作用，坡体下部已经处于稳定状态，坡体上部的下滑趋势已经得到有效控制。

图12 治理后不同工况总位移云图(单位：m)Fig.12 Cloud map of total displacement under different conditions after treatment

图13为治理后研究区南侧典型剖面在天然和暴雨工况下的塑性区分布云图。通过治理前后塑性区云图对比可知，随着抗滑桩的埋入，治理之前的塑性区得到有效的缩减，仅在滑坡后缘有少量分布。抗滑桩锚固段已经深入基岩，因此后缘处少量塑性区不会对滑坡的稳定性产生影响。综上分析，土体与抗滑桩已经构成一个稳定的系统。

图13 治理后不同工况塑性区分布云图Fig.13 Cloud map of plastic zone distribution under different conditions after treatment

3.3 抗滑桩监测点位移分析

图14和图15为天然工况和暴雨工况下桩顶各位移监测点水平方向和竖直方向的位移曲线图。从图中可以看出，抗滑桩水平位移曲线整体呈先上升后收敛的趋势，抗滑桩竖直位移变化较小，在3 mm以内。随着抗滑作用的发挥，坡体位移得到有效的控制。通过曲线对比分析可以得到，坡体后排抗滑桩位移明显大于坡体前排抗滑桩位移，可知坡体上部抗滑桩承受的滑坡推力更大，发挥主要抗滑作用，符合设计的预期目标。通过水平方向和竖直方向位移曲线对比可知，抗滑桩水平方向位移较大，主要承担滑坡下滑推力的水平分力，对坡体水平方向的变形起着主要控制作用。

图14 不同工况桩顶X方向位移Fig.14 X-direction displacement of pile top under different conditions

4 结论

(1)研究区某水库大坝西侧滑坡为典型的土质滑坡，滑动面普遍分布高岭土化严重的粉质黏土及高岭土，其遇水软化易形成软弱夹层。在强降雨等因素作用下，软弱夹层抗剪强度降低，坡体容易沿着该软弱夹层面滑动，发生滑坡地质灾害。

(2)通过FLAC3D模拟分析可知，研究区南侧典型剖面在暴雨工况下，坡体产生剧烈滑动，最大位移达4.01 m，主要沿水平方向，塑性区贯通形成滑动面，坡体处于不稳定状态。

(3)采用多排抗滑桩治理滑坡。通过FLAC3D模拟治理后的典型剖面变化，结果表明南侧典型剖面在天然工况下的最大位移由4.71 cm减小到2.08 cm；暴雨工况下的最大位移由4.01 m减小到10.42 cm；同时塑性区也得到有效控制。抗滑桩治理滑坡效果较为理想，研究区内滑坡不会再对山体下部水利设施造成影响，达到预期治理效果。