Slide和Geo-Slope在土質(zhì)邊坡中的應(yīng)用

曾 理，許戰(zhàn)軍，屈 潔

（中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065）

0 前言

Slide是一個(gè)用于評價(jià)土質(zhì)或巖質(zhì)邊坡沿圓形或非圓形滑裂面失穩(wěn)的計(jì)算軟件。該軟件采用的極限平衡理論，操作簡單，運(yùn)算速度快，可以建立復(fù)雜模型。計(jì)算中可以考慮外荷載、地下水以及支護(hù)措施。

SLOPE/W是巖土工程分析軟件GeoStudio的一個(gè)模塊（簡稱Geo-Slope）。它既能采用極限平衡理論，對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析、失效概率分析和參數(shù)敏感性分析；還可以采用有限元方法計(jì)算分析大部分邊坡的穩(wěn)定性。

為了驗(yàn)證這兩款軟件計(jì)算土質(zhì)邊坡穩(wěn)定的可靠性，本文選取了理論解驗(yàn)證和澳大利亞計(jì)算機(jī)應(yīng)用協(xié)會(huì)（ACADS）邊坡穩(wěn)定分析經(jīng)典考題驗(yàn)證[1]，經(jīng)典考題包括均質(zhì)土坡、非均質(zhì)土坡和均質(zhì)土坡+水3個(gè)考題算例，通過與考題裁判解對比，判斷兩種軟件的可靠性。

1 軟件驗(yàn)證

1.1 理論解驗(yàn)證

設(shè)砂土粘聚力c=0，內(nèi)摩擦角φ=30°，邊坡滑面為一單直線滑面，與水平面的夾角為β，則根據(jù)土力學(xué)平衡條件，該邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的理論解應(yīng)為 tgφ/tgβ。指定 β=15°、30°、45°，將兩款軟件計(jì)算得出的安全系數(shù)與理論解進(jìn)行對比，結(jié)果見表1。

表1 軟件計(jì)算所得安全系數(shù)與裁判值對比表

1.2 均質(zhì)土坡

均質(zhì)土坡材料參數(shù)為：容重γ=20 kN/m3，粘聚力c=3.0 kN/m3，內(nèi)摩擦角φ=19.6°，邊坡形狀如圖1所示。

圖1 均質(zhì)土坡考題輪廓圖

將兩款軟件計(jì)算得出的安全系數(shù)與裁判值進(jìn)行比較，結(jié)果見表2。

表2 軟件計(jì)算所得安全系數(shù)與裁判值對比表

1.3 非均質(zhì)土坡

非均質(zhì)土坡材料特性如表3。邊坡形狀如圖2。

圖2 非均質(zhì)土坡考題輪廓圖

將兩款軟件計(jì)算得出的安全系數(shù)與裁判值進(jìn)行比較，結(jié)果見表4。

表4 軟件計(jì)算所得安全系數(shù)與裁判值對比表

1.4 均質(zhì)土坡+地下水

均質(zhì)土坡材料參數(shù)為：容重γ=20 kN/m3，粘聚力c=11 kN/m3，內(nèi)摩擦角φ=28°，邊坡形狀如圖3所示。

圖3 均質(zhì)土坡+地下水考題輪廓圖

將兩款軟件計(jì)算得出的安全系數(shù)與裁判值進(jìn)行比較，結(jié)果見表5。

表5 軟件計(jì)算所得安全系數(shù)與裁判值對比表

1.5 小結(jié)

對Slide和Geo-Slope這兩款軟件都進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算，驗(yàn)證考題包括理論解驗(yàn)證、均質(zhì)土坡、非均質(zhì)土坡以及均質(zhì)土坡+水，其計(jì)算結(jié)果與考題結(jié)果基本一致，Slide相對于Geo-Slope誤差稍大，但不影響結(jié)果的正確性?？傊@兩款軟件操作簡單，計(jì)算效率高，計(jì)算結(jié)果可靠可信。

2 工程實(shí)例

2.1 計(jì)算條件

老撾南湃水電站為高水頭、長引水式電站，電站額定水頭700m，總裝機(jī)容量86 MW。擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，壩高93 m，工程規(guī)模為二等大（2）型工程。設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度為 0.071 g[2]。

老撾南湃水電站左壩肩開挖邊坡風(fēng)化強(qiáng)烈，無明顯斷層、裂隙等不利結(jié)構(gòu)面組合。選取左壩肩開挖邊坡典型剖面，分析計(jì)算該邊坡的穩(wěn)定性。

邊坡典型剖面模型見圖4，邊坡巖體物理力學(xué)參數(shù)見表6。

圖4 邊坡典型剖面模型

表6 邊坡巖體物理力學(xué)參數(shù)表

3.2 計(jì)算結(jié)果

左壩肩開挖邊坡典型剖面在各工況下的穩(wěn)定安全系數(shù)見表7。

表7 左壩肩開挖邊坡典型剖面穩(wěn)定安全系數(shù)(簡化畢肖普法）

2.3 小結(jié)

現(xiàn)今老撾南湃水電站已蓄水發(fā)電，截止到目前為止，左壩肩開挖邊坡都是穩(wěn)定的，表明了本文計(jì)算結(jié)果的正確性。

3 軟件使用總結(jié)

3.1 軟件選取

Slide軟件上手簡單、操作簡便，作為邊坡穩(wěn)定計(jì)算初學(xué)者可以優(yōu)先采用。Geo-Slope軟件界面相對復(fù)雜，但是相應(yīng)的Geo-Slope功能也更為強(qiáng)大，其作為Geo-Studio眾多模塊中的一個(gè)模塊，突出優(yōu)點(diǎn)就是耦合分析，Geo-Studio的所有模塊都可以在同一環(huán)境下運(yùn)行，各模塊之間的計(jì)算結(jié)果可以互相引用，從而做到滲流場、應(yīng)力場、變形場三場耦合，從而更加真實(shí)的模擬邊坡穩(wěn)定分析過程，比如降雨入滲影響下的土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性。但是Geo-Slope主要是用來計(jì)算土質(zhì)邊坡，對于巖質(zhì)邊坡有其局限性，故對于沿結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)的巖質(zhì)邊坡應(yīng)優(yōu)先采用Slide。

3.2 土體容重選取

水位以上和水位以下定義不同的土體容重對于邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響是非常小的。首先，土體容重主要跟土壤的含水率相關(guān)，但是一般土的飽和容重和天然容重相比差距很小，從邊坡穩(wěn)定計(jì)算分析來看，是可以忽略的；其次，滑塊的重力可以分解為沿著滑動(dòng)面的下滑力和法向壓力，當(dāng)滑塊的重量增大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致下滑力和滑動(dòng)面的法向壓力均增大，抗滑力也會(huì)隨之增大。故土體容重對安全系數(shù)的影響不敏感。

3.3 水位以下土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)折減

土體的剪應(yīng)力只能由土骨架來承擔(dān)，因?yàn)橥馏w中的孔隙水不能承受剪應(yīng)力但能承受壓力。由于孔隙水壓力沿各個(gè)方向都相等，不會(huì)使土骨架產(chǎn)生變形，因此土的抗剪強(qiáng)度并不取決于剪切面上的總法向應(yīng)力σ，而取決于該面上的有效法向應(yīng)力σ'。因此，土的抗剪強(qiáng)度有兩種表示方法，一種是用總應(yīng)力σ表示，稱為總應(yīng)力法；另一種是用有效法向應(yīng)力σ'（等于σ-μ）表示，稱為有效應(yīng)力法[3]。

式中：c'、φ'為分別為土的有效粘聚力（kPa)和有效內(nèi)摩擦角（度）；c、φ為分別為總應(yīng)力表示的土的粘聚力（kPa)和內(nèi)摩擦角（度）；σn、σ'n為分別為剪切面上的總法向應(yīng)力和有效法向應(yīng)力，kPa；μ 為孔隙水壓力，kPa。

一般情況下 σn≠σ'n，得到的 c、φ 與 c'、φ'必然有所不同，這是由于孔隙水壓力造成的。根據(jù)有效應(yīng)力原理，同種土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)c'和φ'是定值，因此和才是真正的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度參數(shù)與總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度參數(shù)不能混用，應(yīng)該分別與有效應(yīng)力法和總應(yīng)力法相對應(yīng)[4]。Slide和Geo-Slope這兩款軟件均對參數(shù)c和φ沒有區(qū)別設(shè)置，用戶應(yīng)該從計(jì)算原理上，即是否已經(jīng)定義了孔隙水壓力來區(qū)別軟件計(jì)算采用的是有效應(yīng)力法還是總應(yīng)力法[5]。對于穩(wěn)定滲流且已定義了地下水位線時(shí)，應(yīng)該輸入有效應(yīng)力參數(shù)，軟件計(jì)算得到有效應(yīng)力法的結(jié)果。

由上式可以得出，在地下水位線以下，正的孔隙水壓力降低了有效應(yīng)力，從而降低了土體的抗剪強(qiáng)度，這點(diǎn)計(jì)算軟件已考慮，所以計(jì)算時(shí)再人為的折減有效抗剪強(qiáng)度參數(shù)值得商榷。

4 結(jié)語

Slide和Geo-Slope是兩款常用的邊坡穩(wěn)定分析軟件，本文通過理論解驗(yàn)證以及均質(zhì)土坡、非均質(zhì)土坡和均質(zhì)土坡+水3個(gè)考題算例驗(yàn)證了其可靠性和準(zhǔn)確性。并將這兩款軟件應(yīng)用于老撾南湃水電站左壩肩邊坡穩(wěn)定計(jì)算分析，其計(jì)算結(jié)果對邊坡開挖支護(hù)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用。最后將這兩款軟件在使用中遇到的問題進(jìn)行了簡單總結(jié)，得到的主要結(jié)論如下：

（1）Slide上手簡單、操作簡便，但是Geo-Slope功能更為強(qiáng)大。

（2）邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)對于土體容重取飽和容重或天然容重的影響不敏感。

（3）在邊坡穩(wěn)定計(jì)算中，將地下水位線以下土體的有效抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行人為的折減是值得商榷的。

[1]彭良泉.對ACADS邊坡穩(wěn)定分析考核題的探討[J].第三屆全國巖土與工程學(xué)術(shù)大會(huì)論文集,2009.

[2]老撾南湃水電站基本設(shè)計(jì)報(bào)告[R].中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司.

[3]黨進(jìn)謙，李法虎.土力學(xué)[M].北京：中國水利水電出版社,2013.

[4]陳娟.有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)與總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)的關(guān)系[J].巖土力學(xué),2011,32(2):471-473.

[5]陳振民.SLOPE/W軟件總應(yīng)力法和有效應(yīng)力法的應(yīng)用[J].水運(yùn)工程,2009(7):107-117.