基于强度折减法某涉水滑坡稳定性评价

摘要：水位升降对松散堆积层滑坡的稳定性起控制作用，堆积体发生复活是滑坡灾害的一种重要的形式，因此，对准确评价该类滑坡的稳定性显得尤为重要，这也直接关系到工程处治措施的选取。以某涉水滑坡发生复活为研究对象，根据该涉水滑坡的坡体结构特征及变形破裂特征，对该滑坡的复活机制进行分析，在此基础上采用有限差分强度折减法对其进行稳定性评价，结果表明在自重状态下当折减到一定数值时，滑坡发生明显的变形破裂特征，塑性区逐渐贯通形成潜在滑面，这与现场地质调查及钻探资料分析的结果基本相吻合。另外，采用基于极限平衡法对该涉水滑坡进行稳定性评价，其计算结果与强度折减法基本一致，这也验证了有限差分强度折减法对滑坡稳定性评价的可靠性。

关键词：有限差分强度折减法；数值模拟；涉水滑坡；稳定性评价

中图分类号：X43文献标志码：A文章编号：

16721683（2015）002019504

1概述

本文所研究的涉水滑坡为一松散堆积体，在水位升降的过程中发生复活，属牵引式中型中层松散堆积层滑坡。近期，由于降雨等不利因素滑坡呈现出一定的蠕变特征，表现在坡体中后部学校操场及居民住房的水泥地板出现一系列圈弧状张拉裂缝，具有断续继承性的特征，且裂缝表现出下错的特征；调查表明，滑坡两侧地表雁行式裂隙较为发育，现已局部渐灭。这将严重威胁到滑坡体上镇中心学校及当地居民的生命财产安全。因此，准确的评价该涉水滑坡的稳定性显得十分的重要，这也将直接关系到防治工程措施的选取。本文根据该滑坡的坡体结构特征及变形破裂特征，对该滑坡的复活机制进行分析，在此基础上采用极限平衡法及基于强度折减法进行稳定性评价，并提出相应的工程处置措施。为同类涉水滑坡的稳定性评价及工程治理措施提供一定的参考。

2滑坡基本概况

该滑坡所在的区域属中低山侵蚀地貌，总体上呈NE向SW倾斜的顺向斜坡，斜坡的总体走向为115°。该滑坡原始地貌由于修建房屋等人类工程活动被改造成多级平台，在坡体中后部形成2～3 m临空面；坡体前缘为季节性河流。该滑坡为一老滑坡，近期受降雨等因素滑坡发生复活。根据野外地质调查该涉水平均纵长115 m，横宽160 m，平面形态呈不规则扇形，面积约180×104 m2（图1）。结合钻探资料，该滑坡沿堆积层内部发生复活，厚度约为50～140 m，平均厚度约85 m，初步估计该滑坡体积为1530×104 m3，属牵引式中型松散堆积层滑坡（图2）。

根据该涉水滑坡的坡体结构特征，并结合钻探资料分析，该滑坡是沿松散堆积层内部发生蠕滑-拉裂变形（图2）。钻探资料揭示，滑坡岩土体具有明显的分层现象。滑体主要为粉质黏土，块碎石含量较高，孔隙率较大；滑带土为粉质黏土，具有一定的亲水性，遇水后力学性状变差，手捻有明显滑感，且局部呈现有光滑镜面；滑床物质主要为粉质黏土夹块碎石，块碎石相比上层滑体含量较少，下伏基岩为近水平中薄层状泥岩，岩层产状为280°∠5°。

3滑坡复活机制及影响因素分析

该涉水滑坡为一牵引式松散堆积体沿土体内部发生复活，目前该滑坡处于蠕滑变形阶段。其复活机制受以下几方面的影响。

地形上看，滑坡坡脚受河流冲刷侵蚀，坡脚应力集中，为滑坡复活提供较好的临空条件。坡体前缘水位升降是滑坡发生复活的重要控制因素，水位升降产生的渗流对滑坡稳定性影响较大（尤其是吸水性较好的黏性土层），水位升降过程中坡体内超孔隙水压力得到充分的发展和积累，滑坡稳定性变差。

从滑坡物质组成及坡体结构来讲，滑坡内上层含块碎石较多，孔隙率较大，渗透性较好，易于雨水入渗；下层黏土含量较多，形成相对隔水层，滑坡在暴雨或持续降雨作用下，降水沿松散的中后部土体进入坡体，使土体自重增加并软化松散堆积层，从而使之复活并沿堆积层分层界面发生蠕滑变形。

另外，坡体中后部修建镇中心学校校舍、当地居民住房，以及生活用水不合理排放等人类工程活动也是促进该滑坡发生复活甚至整体失稳的重要因素。

4基于强度折减法滑坡稳定性评价

41强度折减法基本原理

Zienkiewicz[1]等提出强度折减法，即对于一斜坡，在外荷载保持不变的情况下，滑坡内部提供的最大抗剪强度与外荷载在滑坡内部产生的实际剪应力比值，抗剪强度进行折减达到极限平衡状态时即为评价滑坡的整体稳定性安全系数（强度储备安全系数），与极限平衡法[2]中的稳定安全系数是一致的。

李春忠、郑颖人、赵尚毅[35]等分别采用强度折减法对滑坡进行稳定性研究，该计算方法具有建模方便，易于使用。基本原理为：将滑坡的抗剪强度参数：黏聚力c和tanφ值同时除以一个折减系数F，得到一组新的c′、tanφ′值，然后作为新的抗剪强度参数重新输入，再次试算结果是否收敛。不断对F值进行反复折减和试算，直到某一折减系数F使试算结果正好处于一个临界收敛状态（即折减系数F若有较微小的增大，计算结果就不收敛），当坡体正好处于极限平衡状态时，对应的F即为坡体的最小临界稳定状态的安全系数FS，此时，即发生临界剪切破坏。强度折减系数定义如下：

c′=c/Fφ′=arctan（tan（φ/F））

4.2基于强度折减法滑坡稳定性评价

选用计算剖面（图2），构建计算模型，在Ansys中建立二维模型，采用AnsysFlac3D接口进行转化，从而得到符合Flac3D要求的二维网格单元（图3）。

获得该涉水滑坡可靠的岩土体物理力学参数，是对其稳定性作出正确评价依据。本文在室内试验成果的基础上，结合该涉水滑坡的变形破裂情况进行参数反演分析，岩土体参数取值见表1。

滑坡在自重应力状态下，计算模型的强度屈服准则采用MohrCloumb强度准则。滑坡坡表为自由边界，模型底部为固定约束，四周为单向边界，以此为边界条件进行迭代求解，计算模型在自重下计算至不平衡力收敛（图4）。

为更准确的评价该涉水滑坡的稳定性，在坡体内设置三个位置不同的监测点a、b、c，得出监测点在不同强度折减系数的水平位移，绘制出洪水位8025 m+20年一遇暴雨条件折减系数与水平位移的关系曲线（图5）。

可以看出，在自重应力下，折减系数F由100增至101时，各监测点位移总体来说增加较为缓慢，且增加量较小；F从101起，各监测点位移急速增长，发生突变，滑坡将发生失稳。这表明该滑坡稳定性系数为FS=101。当采用FS=101进行强度折减时，得出滑坡在的力（应力）-位移（应变）、剪应变增量及位移等值线图的分布特征（图6-图9）。

通过数值计算，结合应力-应变云图进行分析，可以看出：（1）剪应变增量在潜在滑动带附近区域出现明显的集中区，尤其在坡脚部位及潜在剪出口位置，剪应变增量集中带断续未贯通。（2）最大主应力在潜在滑动带附近具有一定程度的应力集中现象，在涉水滑坡内部具有明显的扩散特征；最小主应力在潜在滑动带附近应力集中现象不明显。（3）塑性区虽断续未贯通，潜在滑面虽未形成，但这与现场地质调查及钻探资料分析的结果基本相一致。这说明滑坡还未发生整体失稳，处于欠稳定-不稳定的临界状态。

通过基于强度折减法评价涉水滑坡稳定性与野外调查中滑坡出现的宏观变形破裂现象基本相一致。

5基于极限平衡法滑坡稳定性评价

5.1定性分析

根据对该涉水滑坡的野外地质调查，并结合斜坡的坡体结构特征、复活体的变形破裂特征及发展的程度，对该涉水滑坡进行定性分析。认为：该滑坡在天然状态下处于基本稳定状态；在暴雨或持续降雨等不利工况下处于欠稳定状态。预测该滑坡在暴雨或持续降雨下将发生复活，甚至是大规模的失稳。

5.2定量计算

（1）计算模型。为进一步分析和评价滑坡的稳定性，对该滑坡进行稳定性计算（计算原理及计算模型见图10）。由于考虑了地下水位变动影响，因此，在稳定性计算前，对地下水位线进行了计算，计算采用SEEP/W软件，获得了地下水位线后（图11-图14），并结合钻探资料中稳定地下水位进行综合确定，从而对其进行稳定性计算。

K=[SX（]∑[DD（]n-1[]i=1[DD）]（Ri[DD（]n-1[]j=i[DD）]Ψj）+Rn[]∑[DD（]n-1[]i=1[DD）]（Ti[DD（]n-1[]j=i[DD）]Ψj）+Tn[SX）]

Ψj=cos（θi-θi+1）-sin（θi-θi+1）tanφi+1

[DD（]n-1[]j=i[DD）]Ψj=ΨiΨi+1Ψi+2…Ψn-1

Ri=Nitanφi+CiLi

Ni=（Qi-fi）cosθi+PDisin（αi-θi）+Aisinθi

Ti=（Qi-fi）sinθi+PDicos（αi-θi）+Aicosθi

式中：K为滑坡稳定系数；Ti为第i条块的下滑力（kN/m）；Ri为第i条块的抗滑力（kN/m）；PDi为第i条块所受的动水压力（kN/m）；Ai为第i条块所受的地震力（kN/m）；Ψj为第i条块剩余下滑力传递至第i+1条块时的传递系数（j=i时）；Qi为第i条块自重标准值与附加荷载之和（kN/m）；Ci为第i条块土的黏聚力（kPa）；φi为第i条块土的内摩擦角（°）；Li为第i条块滑动面长度（m）；αi为第i条块地下水流线平均倾角（°），为般为滑面倾角与浸润线倾角的平均取值（反倾取负值）；i为地下水渗透坡度；γw为水的重度（kN/ m3）；γ′为岩土体的浮重度（kN/m3）；fi为第i条块的浮托力（kN/m）；CL为浮托力系数；[WTB1X]v[WTBZ]为滑动岩土体表面水流速（m/s）；AX为平行水流方向的单位宽度投影面积（m2）；a为水平地震力系数。

（2）计算参数及计算工况选取。

考虑河水位上升时的浮托力，本文仅对常年水位7955 m及洪水位80250 m在天然、20年一遇暴雨工况下计算其稳定性。岩土体物理力学参数见表1。

（3）计算结果及分析。

采用基于极限平衡法对该滑坡进行稳定性计算，计算结果见表2。

计算结果表明：该滑坡在天然条件下其稳定性处于基本稳定状态；在持续降雨等不利工况下处于欠稳定-不稳定状态。

基于有限差分强度折减法及极限平衡法对该涉水滑坡稳定性计算结果与定性分析基本相吻合。另外，结合该滑坡变形破裂特征以及变形破裂发展的程度可以预测到：该滑坡在暴雨或持续降雨等不利工况下，其变形破裂将会近一步加剧，甚至有发生整体失稳的极大可能性。

6结论及建议

本文采用基于极限平衡法和有限差分强度折减法分别对某涉水滑坡进行了稳定性评价，得出以下结论。

（1）该滑坡近期发生复活，主要表现在坡体中后部出现多条继承性、可追踪圈弧状张拉-下错裂缝、两侧呈现多条具有继承性雁行式裂缝，其变形破裂的地质力学模式为蠕滑-拉裂型。

（2）该涉水滑坡发生复活的诱发因素是暴雨或持续降雨，目前处于蠕变阶段，需对其进行工程治理。

（3）采用基于有限差分强度折减法分析该滑坡的稳定性与基于极限平衡法分析的结果基本相互吻合，这也与现场地质调查及滑坡变形破裂特征基本一致。同时，强度折减法能更客观地反映滑坡的应力-应变状态，从而更为直接揭示滑坡的变形破裂过程及发展趋势等特征。

建议对该涉水滑坡采取“抗滑桩+地表截排水”进行工程治理，以确保坡体上镇中心小学及居民生命财产的安全，同时也为同类滑坡复活机制的分析、稳定性评价及工程处治。