CN109657291A - 滑坡排水孔优化设计参数的测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种滑坡排水孔优化设计参数的测定方法，属于滑坡排水工程防治技术领域。其解决当前滑坡排水孔设计方法无法确保排水防治效果的问题。本发明包括：步骤一：滑坡基本物理力学参数的勘探与测定；步骤二：滑坡坡体地下水位的监测及水力梯度I的确定；步骤三：排水孔布设位置的确定；步骤四：滑坡单位排水自稳率的确定；步骤五：符合滑坡排水稳定安全的地下水临界降深的确定；步骤六：滑坡排水孔单位长度日排水量的确定；步骤七：滑坡排水孔设计长度的确定。本发明达到了在保证滑坡安全稳定的前提下更节省工程成本与施工工期的目的，使得滑坡排水孔布设位置和排水孔长度更加经济合理，在滑坡排水防治工程中具有良好的经济效益与实用价值。

Description

滑坡排水孔优化设计参数的测定方法

技术领域

本发明涉及一种滑坡排水孔优化设计参数的测定方法，属于滑坡排水工程防治技术领域。

背景技术

在我国发生的各类地质灾害中，滑坡已成为仅次于地震的第二大地质灾害。大量滑坡统 计数据表明，地下水是触发滑坡地质灾害的主要诱因。随着地下水位抬升，滑坡土体饱和度 逐渐增加，孔隙水压力明显上升，对应的基质吸力不断降低进而引起土体及潜在破裂面抗剪 强度下降，当地下水位抬升到一定程度时，便会导致滑坡失稳。因此，针对地下水对滑坡的 作用机制与规律，及时采取相应的灾害防治措施并减小或根除水诱发型滑坡灾害的风险在减 灾防灾领域具有十分重要的科学意义和工程应用价值。

虽然目前仰斜式排水孔已成为治理水诱发型滑坡的有效措施之一，但在实际滑坡排水工 程应用中，排水孔布设与设计一般是照搬规范，或者根据经验计算公式简单布设，排水孔的 布置设计方法存在一定的随意性与局限性，如排水孔往往在滑坡下部简单布置两排、在滑坡 中间代表性部位小范围布置或者为保证排水效果而盲目加密等。当排水孔在滑坡底部布置时， 滑坡上部的水不能及时排出，会积聚在土体中，使得滑坡土体自重增大，从而加速了滑坡向 下滑动；当排水孔在滑坡中间部位小范围布置时，滑坡两侧的水不能及时排出，两侧土体会 带动中间土体发生整体滑动；而且为提高排水效果而盲目加大排水孔数量，密度，长度等， 不仅造成工程浪费，而且有时会适得其反，对滑坡岩土体造成扰动破坏。不管是对土质滑坡 还是岩质滑坡，滑坡渗流与排水工程的优化设计是滑坡稳定性控制的关键，能否及时将坡体 内地下水全面有效排出去是决定滑坡稳定性与排水工程设计成败的关键。因此，在滑坡排水 孔设计中，其滑坡排水孔布设位置和排水孔长度的确定对是否能够正常发挥其排水防治效果， 以及有效降低防治工程造价与施工工期等具有至关重要的作用，也是滑坡排水孔排水防治工 程设计的核心技术问题。如果能取得最优的排水孔布设位置和排水孔长度，则既可以充分发 挥其排水防治效果，又可以大大节约造价和工期。

发明内容

针对现有技术存在的上述缺陷，本发明旨在提供一种水诱发型滑坡排水孔的最优设计方 法，不仅可以较为准确的测定出排水孔布设位置和排水孔长度，而且运用该方法设计滑坡排 水孔更为经济、合理与安全。

本发明所述的滑坡排水孔优化设计参数的测定方法，包括如下步骤：

步骤一：滑坡基本物理力学参数的勘探与测定：

按照现行《岩土工程勘查规范》(GB50021-2001)、《工程岩体试验方法标准》(GB/T50266-2013)及《土工试验规程》(SL237-1999)，对滑坡坡体进行岩土工程勘查与现场原位试验，综合确定坡体长度W、宽度L；确定滑坡下伏基岩整体滑移面倾角θ_i、坡体垂直埋深H_ci的变化规律；运用岩土原位试验或室内土工试验综合测定滑坡坡体土层粘聚力c、内摩擦角重度γ、有效粘聚力c′、有效内摩擦角饱和重度γ_sat；

步骤二：滑坡坡体地下水位的监测及水力梯度I的确定：

运用高密度电阻率法选取待测定滑坡坡面起伏不大的地段布设测线，在测线上布置电极， 用多芯电缆将测线上的电极连接到电极转换装置上，再用电极转换装置将这些电极组合成指 定的电极装置，进而用数据采集仪测定剖面下方电阻率分布情况，并根据电阻率与含水率具 有负相关关系的原理，找到电阻率突变的测点，将这些点连接，即为地下水位线，确定地下 水位H_wi的变化规律；将地下水位线近似成折线，计算每段的水力梯度，即单位渗流路径上 的水头损失；根据式(1)确定每段水力梯度i_m：

式中，ΔL_m—每段水位线的水平距离；

Δh_m—每段水位线对应的水位差；

最后取各段水力梯度的平均值作为滑坡的水力梯度I：

步骤三：排水孔布设位置的确定，包括如下小步：

第一步：滑坡坡体变宽度垂直条分：

滑坡条分土条越多，土条滑移面倾角变化越小，评价滑坡的稳定性精度越高；然而，考 虑到有效的条分既要尽量减少工作量，提高评价与防治效益，还要能有效准确计算滑坡稳定 性，结合排水孔的布设间距要求，对滑坡滑移面坡体进行变宽度垂直条分；

第二步：第i土条剩余下滑力的确定：

对土条进行受力分析，根据式(3)和式(4)分别求出第i土条自身产生的滑动力G_i和 抗滑力P_i：

G_i＝γ(H_ci-H_wi)X_i sinθ_i+γ_satH_wiX_i sinθ_i+Iγ_wX_iH_wi (3)

式中：H_ci为第i土条的平均高度(m)；H_wi为第i土条地下水的平均深度(m)；X_i为第i土 条的水平宽度(m)；I为水力梯度；γ为土的天然重度(kN/m³)；γ_sat为土体的饱和重度(kN/m³)； γ_w为水的重度；θ_i为第i土条滑面倾角；为滑面有效内摩擦角，c′为滑面有效粘聚力；γ′为 土的浮重度；

根据式(5)确定第i土条的下滑力T_i：

T_i＝G_i-P_i (5)

第三步：第i+1土条的剩余下滑力T_ci的确定：

T_i对第i+1土条的作用力可分解成平行下侧土条滑面和垂直下侧土条滑面两个分力，由垂 直分力而产生的抗滑力为T_1i，平行下侧面分为T_2i，根据式(6)和式(7)分别可分别确定T_1i和T_2i：

T_2i＝T_i cosα_i (7)

式中：α_i为土条i与i+1滑面的倾角之差；

根据式(8)确定由T_i作用给下侧第i+1土条的剩余下滑力为：

T_ci＝T_2i-T_1i (8)

第四步：滑坡局部稳定性系数F_si及不同滑移区的确定：

根据式(9)确定第i+1土条的稳定系数F_si：

式中：G_i+1和P_i+1分别是第i+1土条自身产生的滑动力和抗滑力；

根据滑坡坡体条块稳定性系数F_si的大小及步骤三中计算的第i条块剩余下滑力值T_ci的 大小，可判别滑坡坡体主动滑移区、挤压区和稳定区的部位，将滑坡后缘至剩余下滑推力值T_ci达到峰值的条块所在区域定义为滑坡主动滑移区；将剩余下滑推力值T_ci达到峰值的条块至 F_si≤1的条块区域定义为滑坡坡体挤压区；将F_si＞1的条块所在区域滑坡坡体定义为滑坡坡体 稳定区，确定推移式滑坡主动滑移区、坡体挤压区与坡体稳定区；

第五步：排水孔布设位置的确定：

根据各土条的剩余下滑推力值做出剩余下滑推力曲线，找出该曲线上剩余下滑推力值由 小增大到减小的拐点，该拐点所对应土条下侧位置即为滑坡底部排水孔最优布设位置；

步骤四：滑坡单位排水自稳率的确定：

定义滑坡单位排水自稳率为滑坡在排水过程中其稳定性系数提高值与相应地下水位降幅 值之比；具体推导如下：

地下水位下降H_j后，根据式(10)和式(11)分别求出第i土条自身产生的滑动力G_i′和 抗滑力P′_i：

G′_i＝γ(H_ci-H_wi+H_j)X_isinθ_i+γ_sat(H_wi-H_j)X_isinθ_i+Iγ_wX_i(H_wi-H_j) (10)

根据式(12)确定第i土条的下滑力T′_i

T′_i＝G′_i-P′_i (12)

根据式(13)和式(14)分别可分别确定T′_1i和T′_2i，

T′_2i＝T′_icosα_i (14)

根据式(15)确定由T′_i作用给下侧第i+1土条的剩余下滑力为

T′_ci＝T′_2i-T′_1i (15)

根据式(16)确定第i+1土条的稳定系数F′_si

根据公式(17)确定滑坡单位排水自稳率ξ：

步骤五：符合滑坡排水稳定安全的地下水临界降深的确定：

根据公式(18)可确定符合滑坡排水稳定安全的地下水临界降深：

式中：K为滑坡安全系数，取值根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012)中表格；

步骤六：滑坡排水孔单位长度日排水量的确定：

第一步：排水孔基本布设参数的确定：

根据《公路排水设计规范》(JTG/T D33-2012)和大量实验研究，排水孔直径一般选取 200mm，排水孔的有效影响范围为7～9m，为使排水孔的使用效率达到最大，故布设间距一般 为7～9m，滑坡体两端第一个排水孔位置距滑坡体边缘D/2，布设倾角一般为6°，顶部排水 孔应埋设在临界地下水位处，根据公式(19-20)确定排水孔布设排数N_h和每排排水孔的数量 N_v：

式中：H_z为滑坡主滑区的高度；h₁为坡顶高程与临界地下水位高程的差值；L_b为滑坡主滑 区的宽度；D为滑坡排水孔布设间距；

第二步：排水孔试验方案的确定：

以上述步骤三确定的滑坡排水孔布设位置作为第一排排水孔的布设位置，沿滑坡高程自 下而上布设N_h排，并在每排布设2个试验孔，根据坡面各点高程与临界地下水位高程的差值 h_i(i＝2,3,4....)与排水孔布设倾角的关系，确定试验孔的长度为(β为排水孔布设倾 角)并对其进行流量监测，统计各排水孔的日排水量，根据公式(21)确定不同高程处排水 孔单位长度日排水量：

式中：为第i排排水孔单位长度日排水量；Q_i1为第i排1号排水孔的日排水量；Q_i2为 第i排2号排水孔的日排水量；L_i1为第i排1号排水孔的长度；L_i2为第i排2号排水孔的 长度；

步骤七：滑坡排水孔设计长度的确定：

滑坡地下水达到临界地下水位所需排水量等于排水孔排水总量，根据公式(22)确定滑 坡排水孔设计长度：

式中：L_ip为第i排排水孔设计长度。

进一步地，所述步骤三的第一步中，滑坡坡体变宽度垂直条分方法，具体步骤为：

1)根据下伏基岩整体滑移面倾角ω的变化规律，确定下伏基岩整体滑移面倾角ω的最大 值ω_max和最小值ω_min；

2)确定区间滑移面倾角最大变化量Δω；

Δω＝ω_max-ω_min

3)确定边坡条分数N；

式中：ω′为相邻土条滑面倾角差值，根据具体工程中边坡的安全等级、边坡滑移面倾角 的变化规律等条件综合界定，1^°≤ω′≤2^°；

4)作出下伏基岩整体滑移面倾角ω的变化曲线图，以后缘滑移面起始点的倾角ω₁为条 分起始点，依次减去ω′在滑移面上确定出滑移倾角为ω₂，ω₃…ω_N+1的点，这些点即为边坡 变宽度各土条的端点，过各土条端点作边坡走向的垂线对坡体进行不等宽度垂直条分；

5)边坡整体不等宽垂直条分成N个土条后，记第i土条在滑移面上的中心点切线与水平 线的夹角为θ_i，其值为第i土条条分宽度记为X_i。

本发明的有益效果是：本发明所述的滑坡排水孔优化设计参数的测定方法，在确定滑坡 的物理及渗透性质参数的基础上，利用高密度电阻率法确定地下水位，进而确定滑坡水力梯 度，利用条分-剩余下滑推力分析法确定滑坡坡体主动滑移区、挤压区和稳定区，进而确定滑 坡底部排水孔最优布设位置。定义滑坡稳定性系数提高值与地下水位降幅值之比为单位排水 自稳率，并通过设置试验孔进行监测确定了排水孔的单位长度排水量，然后利用滑坡稳定性 系数和滑坡安全系数确定了滑坡地下水降深，进而确定了滑坡地下水需要排除的流量，并结 合排水孔的单位长度排水量确定了滑坡排水孔长度。本发明所提出的设计方法达到了在保证 滑坡安全稳定的前提下更节省工程成本与施工工期的目的，使得滑坡排水孔布设位置和排水 孔长度更加经济合理，在滑坡排水防治工程中具有良好的经济效益与实用价值。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是高密度电阻率法原理图。

图3是本发明的滑坡地下水位图。

图4是本发明的土条剖分图。

图5是本发明的土条受力分析图。

具体实施方式

为了使本发明目的、技术方案更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步详细 说明。

实施例1：

本发明是采用以下的技术方案实现的，包括如下步骤：

步骤一：滑坡基本物理力学参数的勘探与测定

按照现行《岩土工程勘查规范》(GB50021-2001)、《工程岩体试验方法标准》(GB/T50266-2013)及《土工试验规程》(SL237-1999)，对滑坡坡体进行岩土工程勘查与现场原位试验，综合确定坡体长度W、宽度L；确定滑坡下伏基岩整体滑移面倾角θ_i、坡体垂直埋深H_ci的变化规律；运用岩土原位试验或室内土工试验综合测定滑坡坡体土层粘聚力c、内摩擦角重度γ、有效粘聚力c′、有效内摩擦角饱和重度γ_sat。

步骤二：滑坡坡体地下水位的监测及水力梯度I的确定

运用高密度电阻率法选取待测定滑坡坡面起伏不大的地段布设测线，在测线上布置电极， 用多芯电缆将测线上的电极连接到电极转换装置上，再用电极转换装置将这些电极组合成指 定的电极装置(见图2)，进而用数据采集仪测定剖面下方电阻率分布情况，并根据电阻率与 含水率具有负相关关系的原理，找到电阻率突变的测点，将这些点连接，即为地下水位线(见 图3)，确定地下水位H_wi的变化规律。将地下水位线近似成折线，计算每段的水力梯度，即 单位渗流路径上的水头损失。根据式(1)确定每段水力梯度i_m：

式中，ΔL_m—每段水位线的水平距离；

Δh_m—每段水位线对应的水位差。

最后取各段水力梯度的平均值作为滑坡的水力梯度I：

步骤三：排水孔布设位置的确定

(1)滑坡坡体变宽度垂直条分

滑坡条分土条越多，土条滑移面倾角变化越小，评价滑坡的稳定性精度越高。然而，考 虑到有效的条分既要尽量减少工作量，提高评价与防治效益，还要能有效准确计算滑坡稳定 性，结合排水孔的布设间距要求，本发明依据原理(1)对滑坡滑移面坡体进行变宽度垂直条 分。

(2)第i土条剩余下滑力的确定

对土条进行受力分析，根据式(3)和式(4)分别求出第i土条自身产生的滑动力G_i和 抗滑力P_i：

G_i＝γ(H_ci-H_wi)X_i sinθ_i+γ_satH_wiX_i sinθ_i+Iγ_wX_iH_wi (3)

式中：H_ci为第i土条的平均高度(m)；H_wi为第i土条地下水的平均深度(m)；X_i为第i土 条的水平宽度(m)；I为水力梯度；γ为土的天然重度(kN/m³)；γ_sat为土体的饱和重度(kN/m³)； γ_w为水的重度；θ_i为第i土条滑面倾角；为滑面有效内摩擦角，c′为滑面有效粘聚力；γ′为 土的浮重度。

根据式(5)确定第i土条的下滑力T_i：

T_i＝G_i-P_i (5)

(3)第i+1土条的剩余下滑力T_ci的确定

T_i对第i+1土条的作用力可分解成平行下侧土条滑面和垂直下侧土条滑面两个分力，由垂 直分力而产生的抗滑力为T_1i，平行下侧面分为T_2i，根据式(6)和式(7)分别可分别确定T_1i和T_2i：

T_2i＝T_i cosα_i (7)

式中：α_i为土条i与i+1滑面的倾角之差。

根据式(8)确定由T_i作用给下侧第i+1土条的剩余下滑力为：

T_ci＝T_2i-T_1i (8)

(4)滑坡局部稳定性系数F_si及不同滑移区的确定

根据式(9)确定第i+1土条的稳定系数F_si：

式中：G_i+1和P_i+1分别是第i+1土条自身产生的滑动力和抗滑力。

根据滑坡坡体条块稳定性系数F_si的大小及步骤三中计算的第i条块剩余下滑力值T_ci的 大小，可判别滑坡坡体主动滑移区、挤压区和稳定区的部位，将滑坡后缘至剩余下滑推力值T_ci达到峰值的条块所在区域定义为滑坡主动滑移区；将剩余下滑推力值T_ci达到峰值的条块至 F_si≤1的条块区域定义为滑坡坡体挤压区；将F_si＞1的条块所在区域滑坡坡体定义为滑坡坡体 稳定区，确定推移式滑坡主动滑移区、坡体挤压区与坡体稳定区。

(5)排水孔布设位置的确定

根据各土条的剩余下滑推力值做出剩余下滑推力曲线，找出该曲线上剩余下滑推力值由 小增大到减小的拐点，该拐点所对应土条下侧位置即为滑坡底部排水孔最优布设位置。

步骤四：滑坡单位排水自稳率的确定

本发明定义滑坡单位排水自稳率为滑坡在排水过程中其稳定性系数提高值与相应地下水 位降幅值之比。具体推导如下：

地下水位下降H_j后，根据式(10)和式(11)分别求出第i土条自身产生的滑动力G′_i和 抗滑力P′_i：

G′_i＝γ(H_ci-H_wi+H_j)X_isinθ_i+γ_sat(H_wi-H_j)X_isinθ_i+Iγ_wX_i(H_wi-H_j) (10)

根据式(12)确定第i土条的下滑力T′_i

T′_i＝G′_i-P′_i (12)

根据式(13)和式(14)分别可分别确定T′_1i和T′_2i，

T′_2i＝T′_icosα_i (14)

根据式(15)确定由T′_i作用给下侧第i+1土条的剩余下滑力为

T′_ci＝T′_2i-T′_1i (15)

根据式(16)确定第i+1土条的稳定系数F′_si

根据公式(17)确定滑坡单位排水自稳率ξ：

步骤五：符合滑坡排水稳定安全的地下水临界降深的确定

根据公式(18)可确定符合滑坡排水稳定安全的地下水临界降深：

式中：K为滑坡安全系数，取值根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012)中表5.3.1， 具体见下表1：

表1滑坡稳定安全系数

步骤六：滑坡排水孔单位长度日排水量的确定

(1)排水孔基本布设参数的确定

根据《公路排水设计规范》(JTG/T D33-2012)和大量实验研究，排水孔直径一般选取 200mm，排水孔的有效影响范围为7～9m，为使排水孔的使用效率达到最大，故布设间距一般 为7～9m(滑坡体两端第一个排水孔位置距滑坡体边缘D/2)，布设倾角一般为6°，顶部排水 孔应埋设在临界地下水位处，根据公式(19-20)确定排水孔布设排数N_h和每排排水孔的数量 N_v：

式中：H_z为滑坡主滑区的高度；h₁为坡顶高程与临界地下水位高程的差值；L_b为滑坡主滑 区的宽度；D为滑坡排水孔布设间距。

(2)排水孔试验方案的确定

以上述步骤三确定的滑坡排水孔布设位置作为第一排排水孔的布设位置，沿滑坡高程自 下而上布设N_h排，并在每排布设2个试验孔，根据坡面各点高程与临界地下水位高程的差值 h_i(i＝2,3,4....)与排水孔布设倾角的关系，确定试验孔的长度为(β为排水孔布设倾 角)并对其进行流量监测，统计各排水孔的日排水量，根据公式(21)确定不同高程处排水 孔单位长度日排水量：

式中：为第i排排水孔单位长度日排水量；Q_i1为第i排1号排水孔(即20m的试验孔) 的日排水量；Q_i2为第i排2号排水孔(即40m的试验孔)的日排水量；L_i1为第i排1号排 水孔的长度；L_i2为第i排2号排水孔的长度。

步骤七：滑坡排水孔设计长度的确定

滑坡地下水达到临界地下水位所需排水量等于排水孔排水总量，根据公式(22)确定滑 坡排水孔设计长度：

式中：L_ip为第i排排水孔设计长度。

本发明原理与依据如下：

原理(1)：为提高边坡评价与防治效益，还要能有效准确解决边坡稳定性评价问题，可 将边坡滑移面坡体变宽度垂直条分方法，具体步骤为：

根据下伏基岩整体滑移面倾角ω的变化规律，确定下伏基岩整体滑移面倾角ω的最大值 ω_max和最小值ω_min；

确定区间滑移面倾角最大变化量Δω；

Δω＝ω_max-ω_min

确定边坡条分数N；

式中：ω′为相邻土条滑面倾角差值，根据具体工程中边坡的安全等级、边坡滑移面倾角 的变化规律等条件综合界定，1°≤ω′≤2°。

4)作出下伏基岩整体滑移面倾角ω的变化曲线图，以后缘滑移面起始点的倾角ω₁为条 分起始点，依次减去ω′在滑移面上确定出滑移倾角为ω₂，ω₃…ω_N+1的点，这些点即为边坡 变宽度各土条的端点，过各土条端点作边坡走向的垂线对坡体进行不等宽度垂直条分，见图 2。

5)边坡整体不等宽垂直条分成N个土条后，记第i土条在滑移面上的中心点切线与水平 线的夹角为θ_i，其值为第i土条条分宽度记为X_i。

实施例2：

为更好的说明本发明，本发明结合某具体推移式滑坡排水治理工程来加以详细论述其可 行性。

本发明所述的滑坡排水孔优化设计参数的测定方法，具体步骤如下：

步骤一：滑坡基本物理力学参数的勘探与测定

按照现行《岩土工程勘查规范》(GB50021-2001)、《工程岩体试验方法标准》(GB/T50266-2013)及《土工试验规程》(SL237-1999)，对滑坡坡体进行岩土工程勘查与现场原位试验，综合确定坡体长度W＝80m、宽度L＝80m、滑坡主滑区的高度为42m；确定滑坡下伏基岩整体滑移面倾角θ_i、坡体垂直埋深H_ci的变化规律；运用岩土原位试验或室内土工试验综合测定滑坡坡体土层粘聚力c、内摩擦角重度γ、有效粘聚力c′、有效内摩擦角饱和重度γ_sat，具体如下：

表2边坡基本参数一览表

步骤二：滑坡坡体地下水位的监测及水力梯度I的确定

运用高密度电阻率法选取待测定滑坡坡面起伏不大的地段布设测线，在测线上布置电极， 用多芯电缆将测线上的电极连接到电极转换装置上，再用电极转换装置将这些电极组合成指 定的电极装置(见图2)，进而用数据采集仪测定剖面下方电阻率分布情况，并根据电阻率与 含水率具有负相关关系的原理，找到电阻率突变的测点，将这些点连接，即为地下水位线(见 图3)，确定地下水位H_wi的变化规律。将地下水位线近似成折线，计算每段的水力梯度，即 单位渗流路径上的水头损失。根据式(1)确定每段水力梯度i_m：

式中，ΔL_m—每段水位线的水平距离；

Δh_m—每段水位线对应的水位差。

最后取各段水力梯度的平均值作为滑坡的水力梯度I：

计算结果如表3：

表3水力梯度计算值

步骤三：排水孔布设位置的确定

(1)滑坡坡体变宽度垂直条分

滑坡条分土条越多，土条滑移面倾角变化越小，评价滑坡的稳定性精度越高。然而，考 虑到有效的条分既要尽量减少工作量，提高评价与防治效益，还要能有效准确计算滑坡稳定 性，结合排水孔的布设间距要求，本发明依据原理(1)对滑坡滑移面坡体进行变宽度垂直条 分(见图4)。

(2)第i土条剩余下滑力的确定

对土条进行受力分析(图5)，根据式(3)和式(4)分别求出第i土条自身产生的滑动力G_i和抗滑力P_i

G_i＝γ(H_ci-H_wi)X_i sinθ_i+γ_satH_wiX_i sinθ_i+Iγ_wX_iH_wi (3)

式中：H_ci为第i土条的平均高度(m)；H_wi为第i土条地下水的平均深度(m)；X_i为第i土 条的水平宽度(m)；I为水力梯度；γ为土的天然重度(kN/m³)；γ_sat为土体的饱和重度(kN/m³)；γ_w为水的重度；θ_i为第i土条滑面倾角；为滑面有效内摩擦角，c′为滑面有效 粘聚力；γ′为土的浮重度。

根据式(5)确定第i土条的下滑力T_i：

T_i＝G_i-P_i (5)

(3)第i+1土条的剩余下滑力T_ci的确定

T_i对第i+1土条的作用力可分解成平行下侧土条滑面和垂直下侧土条滑面两个分力，由垂 直分力而产生的抗滑力为T_1i，平行下侧面分为T_2i，根据式(6)和式(7)分别可分别确定T_1i和T_2i：

T_2i＝T_i cosα_i (7)

式中：α_i为土条i与i+1滑面的倾角之差。

根据式(8)确定由T_i作用给下侧第i+1土条的剩余下滑力为

T_ci＝T_2i-T_1i (8)

(4)滑坡局部稳定性系数F_si及不同滑移区的确定

根据式(9)确定第i+1土条的稳定系数F_si：

式中：G_i+1和P_i+1分别是第i+1土条自身产生的滑动力和抗滑力，

上述各式计算结果见表4：

表4各个坡体条块剩余下滑力计算值

根据滑坡坡体条块稳定性系数F_si的大小及步骤三中计算的第i条块剩余下滑力值T_ci的 大小，可判别滑坡坡体主动滑移区、挤压区和稳定区的部位，定义滑坡后缘至剩余下滑推力 值T_ci达到峰值的条块2为滑坡主动滑移区；定义稳定性系数F_si≤1的1-8条块为滑坡坡体挤 压区；定义F_si＞1的条块8为滑坡坡体稳定区。

根据各土条的剩余下滑推力值做出剩余下滑推力曲线，该曲线上剩余下滑推力值由小增 大到减小的拐点对应条块2，取条块2下侧位置为滑坡底部排水孔最优布设位置。

步骤四：滑坡单位排水自稳率的确定

本发明定义滑坡单位排水自稳率为滑坡在排水过程中其稳定性系数提高值与相应地下水 位降幅值之比。具体推导如下：

地下水位下降H_j后，根据式(10)和式(11)分别求出第i土条自身产生的滑动力G′_i和 抗滑力P′_i：

G′_i＝γ(H_ci-H_wi+H_j)X_isinθ_i+γ_sat(H_wi-H_j)X_isinθ_i+Iγ_wX_i(H_wi-H_j) (10)

根据式(12)确定第i土条的下滑力′_i：

T′_i＝G′_i-P′_i (12)

根据式(13)和式(14)分别可分别确定T′_1i和T′_2i：

T′_2i＝T′_icosα_i (14)

根据式(15)确定由T′_i作用给下侧第i+1土条的剩余下滑力为

T′_ci＝T′_2i-T′_1i (15)

根据式(16)确定第i+1土条的稳定系数F′_si

根据公式(17)确定滑坡单位排水自稳率ξ：

上述各式计算结果见表5：

表5滑坡单位排水自稳率计算值

步骤五：符合滑坡排水稳定安全的地下水临界降深的确定

根据公式(18)可确定符合滑坡排水稳定安全的地下水临界降深：

式中：K为滑坡安全系数，取值根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012)中表5.3.1， 具体见下表6：

表6滑坡稳定安全系数

本滑坡K取值为1.30，代入式(18)计算得到滑坡排水稳定安全的地下水临界降深，具 体见表7：

表7地下水临界降深计算值

步骤六：滑坡排水孔单位长度日排水量的确定

(1)排水孔基本布设参数的确定

根据《公路排水设计规范》(JTG/T D33-2012)和大量实验研究，排水孔直径一般选取 200mm，排水孔的有效影响范围为7～9m，为使排水孔的使用效率达到最大，故布设间距一般 为7～9m，本发明布设间距选为8m，(滑坡体两端第一个排水孔位置距滑坡体边缘D/2)，布设 倾角一般为6°，顶部排水孔应埋设在临界地下水位处，根据公式(19-20)确定排水孔布设 排数N_h和每排排水孔的数量N_v：

式中：H_z为滑坡主滑区的高度；h₁为坡顶高程与临界地下水位高程的差值；L_b为滑坡主滑 区的宽度；D为滑坡排水孔布设间距。

(2)排水孔试验方案的确定

以上述步骤三确定的滑坡排水孔布设位置作为第一排排水孔的布设位置，沿滑坡高程自 下而上布设N_h排，并在每排布设1个试验孔，根据坡面各点高程与临界地下水位高程的差值 h_i(i＝2,3,4....)与排水孔布设倾角的关系，确定试验孔的长度为(β为排水孔布设倾 角)并对其进行流量监测，统计各排水孔的日排水量，根据公式(21)确定不同高程处排水 孔单位长度日排水量：

上述各式计算结果见表8：

表8排水孔单位长度排水量计算值

式中：为第i排排水孔单位长度排水量；Q_i1为第i排1号排水孔的排水量；L_i1为第i排1号排水孔的长度。

步骤七：滑坡排水孔设计长度的确定

滑坡地下水达到临界地下水位所需排水量等于排水孔排水总量，根据公式(22)确定滑 坡排水孔设计长度：

式中：L_ip为第i排排水孔设计长度。

各排排水孔设计长度计算如下：

本发明可广泛运用于滑坡排水工程防治场合，尤其适合水诱发型滑坡仰斜式排水孔的优 化设计参数的测定场合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而己，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原 则之内所作的均等修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的发明涵盖范围内。

Claims (2)

1.一种滑坡排水孔优化设计参数的测定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：滑坡基本物理力学参数的勘探与测定：

按照现行《岩土工程勘查规范》(GB50021-2001)、《工程岩体试验方法标准》(GB/T50266-2013)及《土工试验规程》(SL237-1999)，对滑坡坡体进行岩土工程勘查与现场原位试验，综合确定坡体长度W、宽度L；确定滑坡下伏基岩整体滑移面倾角θ_i、坡体垂直埋深H_ci的变化规律；运用岩土原位试验或室内土工试验综合测定滑坡坡体土层粘聚力c、内摩擦角重度γ、有效粘聚力c′、有效内摩擦角饱和重度γ_sat；

步骤二：滑坡坡体地下水位的监测及水力梯度I的确定：

运用高密度电阻率法选取待测定滑坡坡面起伏不大的地段布设测线，在测线上布置电极，用多芯电缆将测线上的电极连接到电极转换装置上，再用电极转换装置将这些电极组合成指定的电极装置，进而用数据采集仪测定剖面下方电阻率分布情况，并根据电阻率与含水率具有负相关关系的原理，找到电阻率突变的测点，将这些点连接，即为地下水位线，确定地下水位H_wi的变化规律；将地下水位线近似成折线，计算每段的水力梯度，即单位渗流路径上的水头损失；根据式(1)确定每段水力梯度i_m：

式中，ΔL_m—每段水位线的水平距离；

Δh_m—每段水位线对应的水位差；

最后取各段水力梯度的平均值作为滑坡的水力梯度I：

步骤三：排水孔布设位置的确定，包括如下小步：

第一步：滑坡坡体变宽度垂直条分：

滑坡条分土条越多，土条滑移面倾角变化越小，评价滑坡的稳定性精度越高；然而，考虑到有效的条分既要尽量减少工作量，提高评价与防治效益，还要能有效准确计算滑坡稳定性，结合排水孔的布设间距要求，对滑坡滑移面坡体进行变宽度垂直条分；

第二步：第i土条剩余下滑力的确定：

对土条进行受力分析，根据式(3)和式(4)分别求出第i土条自身产生的滑动力G_i和抗滑力P_i：

G_i＝γ(H_ci-H_wi)X_isinθ_i+γ_satH_wiX_isinθ_i+Iγ_wX_iH_wi (3)

式中：H_ci为第i土条的平均高度(m)；H_wi为第i土条地下水的平均深度(m)；X_i为第i土条的水平宽度(m)；I为水力梯度；γ为土的天然重度(kN/m³)；γ_sat为土体的饱和重度(kN/m³)；γ_w为水的重度；θ_i为第i土条滑面倾角；为滑面有效内摩擦角，c′为滑面有效粘聚力；γ′为土的浮重度；

根据式(5)确定第i土条的下滑力T_i：

T_i＝G_i-P_i (5)

第三步：第i+1土条的剩余下滑力T_ci的确定：

T_i对第i+1土条的作用力可分解成平行下侧土条滑面和垂直下侧土条滑面两个分力，由垂直分力而产生的抗滑力为T_1i，平行下侧面分为T_2i，根据式(6)和式(7)分别可分别确定T_1i和T_2i：

T_2i＝T_i cosα_i (7)

式中：α_i为土条i与i+1滑面的倾角之差；

根据式(8)确定由T_i作用给下侧第i+1土条的剩余下滑力为：

T_ci＝T_2i-T_1i (8)

第四步：滑坡局部稳定性系数F_si及不同滑移区的确定：

根据式(9)确定第i+1土条的稳定系数F_si：

式中：G_i+1和P_i+1分别是第i+1土条自身产生的滑动力和抗滑力；

根据滑坡坡体条块稳定性系数F_si的大小及步骤三中计算的第i条块剩余下滑力值T_ci的大小，可判别滑坡坡体主动滑移区、挤压区和稳定区的部位，将滑坡后缘至剩余下滑推力值T_ci达到峰值的条块所在区域定义为滑坡主动滑移区；将剩余下滑推力值T_ci达到峰值的条块至F_si≤1的条块区域定义为滑坡坡体挤压区；将F_si＞1的条块所在区域滑坡坡体定义为滑坡坡体稳定区，确定推移式滑坡主动滑移区、坡体挤压区与坡体稳定区；

第五步：排水孔布设位置的确定：

根据各土条的剩余下滑推力值做出剩余下滑推力曲线，找出该曲线上剩余下滑推力值由小增大到减小的拐点，该拐点所对应土条下侧位置即为滑坡底部排水孔最优布设位置；

步骤四：滑坡单位排水自稳率的确定：

定义滑坡单位排水自稳率为滑坡在排水过程中其稳定性系数提高值与相应地下水位降幅值之比；具体推导如下：

地下水位下降H_j后，根据式(10)和式(11)分别求出第i土条自身产生的滑动力G_i′和抗滑力P_i′：

G′_i＝γ(H_ci-H_wi+H_j)X_isinθ_i+γ_sat(H_wi-H_j)X_isinθ_i+Iγ_wX_i(H_wi-H_j) (10)

根据式(12)确定第i土条的下滑力T_i′

T_i′＝G′_i-P′_i (12)

根据式(13)和式(14)分别可分别确定T′_1i和T′_2i，

T′_2i＝T_i′cosα_i (14)

根据式(15)确定由T_i′作用给下侧第i+1土条的剩余下滑力为

T′_ci＝T′_2i-T′_1i (15)

根据式(16)确定第i+1土条的稳定系数F_s′_i

根据公式(17)确定滑坡单位排水自稳率ξ：

步骤五：符合滑坡排水稳定安全的地下水临界降深的确定：

根据公式(18)可确定符合滑坡排水稳定安全的地下水临界降深：

式中：K为滑坡安全系数，取值根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012)中表格；

步骤六：滑坡排水孔单位长度日排水量的确定：

第一步：排水孔基本布设参数的确定：

根据《公路排水设计规范》(JTG/T D33-2012)和大量实验研究，排水孔直径一般选取200mm，排水孔的有效影响范围为7～9m，为使排水孔的使用效率达到最大，故布设间距一般为7～9m，滑坡体两端第一个排水孔位置距滑坡体边缘D/2，布设倾角一般为6°，顶部排水孔应埋设在临界地下水位处，根据公式(19-20)确定排水孔布设排数N_h和每排排水孔的数量N_v：

式中：H_z为滑坡主滑区的高度；h₁为坡顶高程与临界地下水位高程的差值；L_b为滑坡主滑区的宽度；D为滑坡排水孔布设间距；

第二步：排水孔试验方案的确定：

以上述步骤三确定的滑坡排水孔布设位置作为第一排排水孔的布设位置，沿滑坡高程自下而上布设N_h排，并在每排布设2个试验孔，根据坡面各点高程与临界地下水位高程的差值h_i(i＝2,3,4....)与排水孔布设倾角的关系，确定试验孔的长度为(β为排水孔布设倾角)并对其进行流量监测，统计各排水孔的日排水量，根据公式(21)确定不同高程处排水孔单位长度日排水量：

式中：为第i排排水孔单位长度日排水量；Q_i1为第i排1号排水孔的日排水量；Q_i2为第i排2号排水孔的日排水量；L_i1为第i排1号排水孔的长度；L_i2为第i排2号排水孔的长度；

步骤七：滑坡排水孔设计长度的确定：

滑坡地下水达到临界地下水位所需排水量等于排水孔排水总量，根据公式(22)确定滑坡排水孔设计长度：

式中：L_ip为第i排排水孔设计长度。

2.根据权利要求1所述的滑坡排水孔优化设计参数的测定方法，其特征在于，所述步骤三的第一步中，滑坡坡体变宽度垂直条分方法，具体步骤为：

1)根据下伏基岩整体滑移面倾角ω的变化规律，确定下伏基岩整体滑移面倾角ω的最大值ω_max和最小值ω_min；

2)确定区间滑移面倾角最大变化量Δω；

Δω＝ω_max-ω_min

3)确定边坡条分数N；

式中：ω′为相邻土条滑面倾角差值，根据具体工程中边坡的安全等级、边坡滑移面倾角的变化规律等条件综合界定，1°≤ω′≤2°；

4)作出下伏基岩整体滑移面倾角ω的变化曲线图，以后缘滑移面起始点的倾角ω₁为条分起始点，依次减去ω′在滑移面上确定出滑移倾角为ω₂，ω₃…ω_N+1的点，这些点即为边坡变宽度各土条的端点，过各土条端点作边坡走向的垂线对坡体进行不等宽度垂直条分；

5)边坡整体不等宽垂直条分成N个土条后，记第i土条在滑移面上的中心点切线与水平线的夹角为θ_i，其值为第i土条条分宽度记为X_i。