基于剛體極限平衡法的滑坡穩(wěn)定性分析

劉紅岑，張 亮

（1.海城市水務(wù)局，遼寧海城114200；2.綏中縣水利技術(shù)推廣站，遼寧綏中125205）

基于剛體極限平衡法的滑坡穩(wěn)定性分析

劉紅岑1，張 亮2

（1.海城市水務(wù)局，遼寧海城114200；2.綏中縣水利技術(shù)推廣站，遼寧綏中125205）

作為我國地質(zhì)工程研究的主要課題，滑坡災(zāi)害不僅分布面積較廣，且發(fā)生頻率較高，災(zāi)害的危害程度較大。采用剛體極限平衡法對坡體穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得出：（1）針對由巖體構(gòu)成的坡體，應(yīng)當(dāng)選用Sa r m a法得出安全系數(shù)；（2）少數(shù)坡體不適合選用Sa r m a法進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)樵擃惙椒ㄟm用于充分挖掘土體的抗剪強(qiáng)度潛力計(jì)算；（3）因?yàn)榧俣l塊的合力與相鄰條塊之間的方向平行，在坡面較陡的情況下，條分面上的剪力可能大于抗剪強(qiáng)度最值，難以符合實(shí)際條件，進(jìn)而引起安全系數(shù)偏大的問題；（4）在進(jìn)行坡體穩(wěn)定性及其災(zāi)害防治研究時，所選用的安全系數(shù)應(yīng)當(dāng)與其分析方法相互協(xié)調(diào)。

滑坡災(zāi)害；滑坡穩(wěn)定分析；復(fù)合單元法

引言

水利水電工程的邊坡、岸坡，爆發(fā)滑坡災(zāi)害比較頻繁，而滑坡所造成的災(zāi)害是不言而喻的。其不僅危害到環(huán)境安全，同時也會對人身和財產(chǎn)安全造成極大的危害。

徐青［1］在詳細(xì)分析國內(nèi)外滑坡研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，以有限單元法為主要研究方法，對滑坡的形成原因進(jìn)行了深入研究，得出飽和度和孔隙水壓力，相對滲透系數(shù)和飽和度之間的聯(lián)系。馮志軍［2］根據(jù)水利水電建設(shè)項(xiàng)目的施工布置現(xiàn)狀，采用多目標(biāo)模糊決策、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等研究方法，提出了水利水電工程施工場地布置決策支持系統(tǒng)框架。唐亮［3］以水生態(tài)環(huán)境為出發(fā)點(diǎn)，借助類比法分析了水利工程建設(shè)對水生態(tài)環(huán)境的影響。

綜上，針對水利工程建設(shè)期間所發(fā)成的滑坡災(zāi)害，眾多學(xué)者進(jìn)行了深入的研究?？墒?，面對我國當(dāng)前大規(guī)模的工程建設(shè)，以及對地質(zhì)環(huán)境的保護(hù)力度不夠的現(xiàn)實(shí)，采用合理的計(jì)算方法分析計(jì)算滑坡穩(wěn)定性具有一定的緊迫性和現(xiàn)實(shí)意義。

1 剛體極限平衡法

剛體極限平衡法以摩爾-庫侖（Mo hr-C o u1 o m b）強(qiáng)度準(zhǔn)則為準(zhǔn)繩，將巖土體假設(shè)成剛體來研究，不會發(fā)生變形但會傳遞力，運(yùn)用靜力以及力矩平衡原理進(jìn)行研究，以得出滑動面的反力，從而進(jìn)行計(jì)算對應(yīng)的安全系數(shù)［4-5］。本論文主要運(yùn)用條分法實(shí)現(xiàn)對極限平衡的分析。

1.1安全系數(shù)的界定

對滑坡穩(wěn)定性做出詳細(xì)的定量評價，必須對安全系數(shù)有所了解。在水利水電工程中，關(guān)鍵是合理應(yīng)用強(qiáng)度儲備安全系數(shù)，關(guān)鍵因素是∶①滑坡體所受的外荷載值的確定方法較簡單，可是工程材料的強(qiáng)度變化較難確定，因此在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時應(yīng)充分考慮安全系數(shù)的大小。②坡體自重是滑坡體中非常重要的荷載，自重不僅產(chǎn)生下滑力，同時也會形成阻滑力，所以，運(yùn)用超載安全系數(shù)這一概念不明確。

1.2模型的建立

1.2.1 假定條件

由于剛體極限平衡法是運(yùn)用代入假定解決靜不定問題，所以這種方法是否合理是人們討論的特點(diǎn)問題。Mo r g e ns t e r n&P r i c e最早提出了合理性限制條件∶

（1）條塊間不產(chǎn)生拉力；

（2）對于不同的假定，在上述限定條件下采用多種方法計(jì)算所得的安全系數(shù)相差不大［6］。

1.2.2 條分法的一般化模型

條分法是極限平衡分析的一種有效途徑。將斷面劃分為諸多條塊，根據(jù)其受力情況和幾何形態(tài)，建立如圖1所示的力學(xué)模型和幾何模型。

圖1 條分法的一般化模型

模型中的基本變量有∶

在幼兒園區(qū)域活動開展過程中會遇到很多問題，教師應(yīng)該結(jié)合實(shí)際情況探索解決措施。這就需要教師對角色定位進(jìn)行轉(zhuǎn)變，突出幼兒在活動中的主體地位，并且將自己引導(dǎo)者的作用充分發(fā)揮出來，在每次活動時向幼兒提出具體的學(xué)習(xí)任務(wù)，并且對幼兒在區(qū)域活動中的具體表現(xiàn)進(jìn)行記錄，以此來了解、分析幼兒活動參與的實(shí)際情況，同時不斷激勵幼兒積極參與到區(qū)域活動中，提高幼兒參與活動的積極性。

（1）滑坡穩(wěn)定安全系數(shù)K，條塊底部法向力N1及作用點(diǎn)位置，條塊底部的剪切力Ti，i＝1，2，3…n。

（2）條分面上的有效法向力Ei及作用點(diǎn)位置，條分面上的剪切力X，i＝1，2，3…n＋1。

（3）條分面傾角δi，條分面長度di，條分面上靜水壓力PW及其作用點(diǎn)位置i＝1，2，3，…n＋1。這些參數(shù)可通過滑坡的幾何形態(tài)求得。

（4）條塊底面傾角αi，條塊表面傾角βi，條塊底面長度bi，條塊底面揚(yáng)壓力Ui及其作用點(diǎn)位置，條塊重量Wi及其重心位置，i＝1，2，3…n。這些參數(shù)也可通過滑坡的幾何形態(tài)求得。

1.2.3 Sa r m a法

由于巖質(zhì)滑坡常位于傾角較大的坡面，因此，采用Sa r m a法進(jìn)行節(jié)理巖體的模擬時具有較大的優(yōu)勢［7］。

計(jì)算模型如圖1所示。

對于第i（i＝1，2，…n）個條塊，由水平和垂直方向上的力的平衡條件得到∶

假定En＋1＝0，最終可得到∶最初可假定F＝1.0，這種情況下能夠得到極限平衡狀態(tài)下的臨界加速系數(shù)K。若K≠0，則調(diào)整值，重復(fù)計(jì)算，至K值接近零，這種情況下F

便是滑坡穩(wěn)定安全系數(shù)［8］。

2 工程應(yīng)用

2.1工程概況

葦子溝的滑坡體位于進(jìn)水口右岸的V I號沖溝的支溝內(nèi)。其高程375.0～657.0m，厚5.0～40.0m，總體積約為44萬m3?；麦w主要位于高程為430.0～570.0m的區(qū)域，體積約為34萬m3?；滤幍牡匦纹露仍?～38°之間?；麦w中包含較多的巨型塊石、碎石，塊徑在0.5～3.0m之間，具有架空現(xiàn)象。葦子溝滑坡材料物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 葦子溝滑坡材料物理力學(xué)參數(shù)

2.2剛體極限平衡法分析

葦子溝滑坡的坡體形狀較為復(fù)雜，較為狹長且單薄。按照滑坡體的地質(zhì)構(gòu)造與平面分布的情況，從各方面考慮了一個主滑面SO和4個輔助剖面S1，S2，S3，S4［9］。主滑動面和輔助剖面如圖2所示，采用條分法對坡體進(jìn)行的劃分模型如圖3所示。

圖3 天然狀態(tài)下主滑面S 0斷面條分模型

通過使用Sa r m a法對滑坡體在天然狀態(tài)、開挖完建未蓄水、正常蓄水位、正常蓄水位＋地震、庫水位驟降5種情況下的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究檢測［10］。Sa r m a法天然狀態(tài)下主滑面SO的安全系數(shù)為1.10807，在允許范圍內(nèi)。自然狀態(tài)下坡體中的水位在滑動面以下，所以計(jì)算時不必將地下水的作用放在考慮范圍之內(nèi)［11-13］。

3 結(jié)論

（1）采用Sa r m a法計(jì)算條間合力時，合力大小沿水平向分布均勻，而當(dāng)坡體的凝聚力為零時，Sa r m a法算得的傾角為定值，這與該方法的基本假定有關(guān)同時也與計(jì)算所得傾角有關(guān)。

（2）因?yàn)槟Ｐ徒⒊跗谧鰲l件假定時，將條間合力的方向視為與底面平行，因此在坡面較陡的情況下，其上所受的剪力將會大于其抗剪強(qiáng)度準(zhǔn)則，難以滿足限定條件，進(jìn)而影響了安全系數(shù)的準(zhǔn)確度。

（3）分析坡體穩(wěn)定性及其災(zāi)害防治期間，所用的安全系數(shù)應(yīng)與其分析方法相互協(xié)調(diào)。Sa r m a法天然狀態(tài)下主滑面SO的安全系數(shù)為1.10807，在允許范圍內(nèi)。自然狀態(tài)下坡體中的水位在滑動面以下，所以計(jì)算時不必將地下水的作用放在考慮范圍之內(nèi)。

［1］徐青.水利水電工程滑坡穩(wěn)定性研究及災(zāi)害評價［D］.河海大學(xué)，2005.

［2］馮志軍.水利水電工程施工場地布置決策理論方法與應(yīng)用研究［D］.天津大學(xué)，2003.

［3］唐亮.水利工程建設(shè)對水生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)影響分析［J］.中國水運(yùn)，2014（06）∶157.

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［5］陳國華.滑坡穩(wěn)定性評價方法對比研究［D］.中國地質(zhì)大學(xué)，2006.

［6］倪衛(wèi)達(dá).基于巖土體動態(tài)劣化的邊坡時變穩(wěn)定性研究［D］.中國地質(zhì)大學(xué)，2014.

［7］吳世佳.邊坡穩(wěn)定性分析的極限平衡法與F L A C模擬方法的對比研究［D］.太原理工大學(xué)，2011.

［8］向家松，王斌.基于剛體極限平衡法的小丘地滑坡穩(wěn)定性分析［J］.科技傳播，2012，17∶43-44.

［9］馬建全.黑方臺灌區(qū)臺緣黃土滑坡穩(wěn)定性研究［D］.吉林大學(xué)，2012.

［10］楊展.震后滑坡強(qiáng)度參數(shù)反演方法研究［D］.西南交通大學(xué)，2013.

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［12］楊洋.水利工程施工現(xiàn)場危險源管理研究［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2015（07），64-67.

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2015-10-14

劉紅岑（1985年—），男，肋理工程師。