常用的邊坡穩(wěn)定性分析方法

劉 磊 皮 漫 屈 潔（西北勘測設(shè)計研究院有限公司海外設(shè)計分院，陜西 西安 710065）

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常用的邊坡穩(wěn)定性分析方法

劉 磊 皮 漫 屈 潔
（西北勘測設(shè)計研究院有限公司海外設(shè)計分院，陜西 西安 710065）

摘 要：伴隨著公路建設(shè)、橋梁建設(shè)、水利建設(shè)等現(xiàn)代常見的工程建設(shè)越來越注重工程質(zhì)量，邊坡穩(wěn)定性成為衡量其工程質(zhì)量的一個十分重要的標準對其的分析方法也日益豐富，準確性也不斷提高。

關(guān)鍵詞：邊坡穩(wěn)定性；不確定性方法；確定性方法

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，各種各樣的工程建設(shè)領(lǐng)域都需要更多的考慮到其質(zhì)量以及安全性，而邊坡穩(wěn)定性就是衡量工程質(zhì)量的標準之一。同時工程建設(shè)過程中的邊坡穩(wěn)定性還需要考慮到自然環(huán)境的影響。下文就將以不確定性方法和確定性方法的分類方法對常用的幾種邊坡穩(wěn)定性分析的方法進行闡述。

一、不確定性方法

1 模糊分析法

模糊分析方法是運用了模糊數(shù)學(xué)理論，通過收集、整理邊坡的實際資料，對邊坡的情況進行綜合分析考量，建立各個參數(shù)信息之間的模糊關(guān)系，進而運用模糊綜合的方法來判斷、研究該邊坡的穩(wěn)定性。雖然模糊分析法充分考慮了多種環(huán)境影響因素和多種影響變量，而且沒有復(fù)雜的計算過程，但由于真實環(huán)境中的不確定因素以及環(huán)境的多變性，同時使用的是模糊數(shù)學(xué)的概念和理論，因此模糊分析法所得出的結(jié)果并不具有很高的可靠性。根據(jù)這一特點，模糊分析法在工程建設(shè)的實際情況中更多的應(yīng)用在對大型邊坡的整體穩(wěn)定性的判斷。

2 灰色關(guān)聯(lián)理論

灰色關(guān)聯(lián)理論的基礎(chǔ)是邊坡的已知數(shù)據(jù)和未知數(shù)據(jù)。首先，將這些已知數(shù)據(jù)和未知數(shù)據(jù)看做是灰色量，將這些灰色量做無量綱化，使得這些數(shù)據(jù)具有同序性和等效性，以便后面的計算和分析；然后，用最小二乘法對已進行無量綱化的數(shù)據(jù)進行進一步處理，計算出數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)度，因為關(guān)聯(lián)度的影響因素有很多，如參考序列、序列長度、分辨系數(shù)等，所以關(guān)聯(lián)度的數(shù)值并不唯一，因此需要對關(guān)聯(lián)度進行比較分析得出最適合的關(guān)聯(lián)度數(shù)值；最后，分析已得到的數(shù)據(jù)建立邊坡模型，對邊坡的穩(wěn)定性進行判斷。

3 隨機搜索耦合算法

由于在計算邊坡穩(wěn)定性的過程中常常會考慮到環(huán)境和工程建設(shè)過程中多種多樣的影響因素，因此通常會建立起來一個極其復(fù)雜的非線性的規(guī)劃問題，求解的過程也是較為復(fù)雜繁瑣。而隨機搜索耦合算法則可以為非線性規(guī)劃問題提供一個簡化求解過程、縮短求解時間的相對有效的近似解。這種算法是將固體退火過程作為模擬對象，同時運用冷卻進度表的參數(shù)控制算法進行計算，從而得出一個近似解。雖然這種方法大大簡化了計算過程，但也只有在參數(shù)相對較少的情況下才有更高的信度，不適用于具有大規(guī)模的參數(shù)的計算。

二、確定性分析方法

1 極限平衡法

在邊坡穩(wěn)定性分析的目前情況看來，極限平衡法是最為經(jīng)典的確定性分析方法，不僅運用普遍廣泛，同時還可以得出相對可靠的分析結(jié)果。這種分析方法的思路是：發(fā)生邊坡的不穩(wěn)定情況是因為邊坡的土體相互之間發(fā)生了相對滑動，所以可以假定發(fā)生滑動的接觸面已知，同時對邊坡的土體進行靜力平衡等數(shù)據(jù)的分析，從而分析得出發(fā)生滑動的土體的破壞載荷，進一步就可以對該邊坡的穩(wěn)定性進行分析。

2 圖解法

20世紀30年代提出的邊坡穩(wěn)定性分析圖解法發(fā)展至今，已經(jīng)出現(xiàn)了不同的分析圖表，甚至經(jīng)過改進得到了簡化公式。由此可以看出，圖解法具有方法簡便、直觀明了、形象定量的特點，正因如此直到現(xiàn)在也被廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)當(dāng)中。該方法是綜合考慮土體物理性質(zhì)、地下水性質(zhì)以及邊坡的參數(shù)等數(shù)據(jù)，然后根據(jù)所對應(yīng)的公式來繪制出表和圖，根據(jù)表圖更為直觀、簡便的得到邊坡的穩(wěn)定性。但在運用圖解法的過程當(dāng)中需要注意圖解法所適用的前提條件和范圍，以提高結(jié)論的準確度和可靠度。

3 有限元方法

由于邊坡穩(wěn)定性分析的極限平衡法對土體的應(yīng)力以及應(yīng)力的應(yīng)變關(guān)系考慮有所欠缺，導(dǎo)致計算和分析時也會出現(xiàn)一定的誤差和不準確性。而有限元法則可以很好的解決這個問題，應(yīng)用范圍將會擴大到地質(zhì)情況復(fù)雜的條件下，同時計算結(jié)果也會更加精確。有限元方法是建立起了理想彈塑性模型，同時遵循強度屈服原則，參考安全系數(shù)，更加形象具體的模擬出當(dāng)邊坡發(fā)生滑動時的應(yīng)力改變、應(yīng)變規(guī)律和形變機制。這些就是進一步判斷邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵參考數(shù)據(jù)，但仍需要注意到有限元方法在發(fā)生大滑動、大變形等問題時局限性。

三、計算舉例

某水庫的控制面積為5800km2，年徑流量為440億m3，平均流量為140方每秒，庫容為5.72億m3，防洪庫容為8614 萬m3，興利庫容為35289萬m3，電站裝機150MW，圍堰上游坡高為18.25m，坡度為1∶1.6，下游坡高為18.32m，坡度為1∶5.0。計算施工工況下該水庫的邊坡穩(wěn)定性。根據(jù)題意建立的模型如圖1所示。通過兩種方法分析計算可知，極限平衡法計算的最小安全系數(shù)為1.436，有限元方法計算的最小安全系數(shù)為1.35，兩種情況下最危險滑動面的示意圖如圖2、圖3所示。結(jié)果分析：根據(jù)比較極限平衡法和有限元方法計算的結(jié)果比較可知，兩種計算結(jié)果相差不大，因此可以推斷出兩種方法的可信度，同時可以看出在施工工況下該水庫邊坡穩(wěn)定性差。

結(jié)語

邊坡穩(wěn)定性分析在許多建設(shè)領(lǐng)域當(dāng)中都已經(jīng)成為了十分重要的課題，雖然邊坡穩(wěn)定性分析的方法時至今日已多種多樣，但考慮到自然環(huán)境和各個分析方法所具有的局限性，因此在面對邊坡穩(wěn)定性分析時應(yīng)該結(jié)合多種方法對其進行分析，這樣才能保證結(jié)論的正確性。

參考文獻

[1]夏元友，李梅.邊坡穩(wěn)定性評價方法研究及發(fā)展趨勢[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2002（07）.

中圖分類號：TU413

文獻標識碼：A