基于極限平衡理論的坡體組合滑面分析

（文成縣水利局，浙江 文成 325300）

巖土質(zhì)邊坡是一類(lèi)復(fù)雜特殊的邊坡，不同于單一的土質(zhì)邊坡或者巖質(zhì)邊坡，在實(shí)際邊坡工程中，上部覆土、下部巖石、巖土交互的混合巖土質(zhì)邊坡較為常見(jiàn)。巖土交互型邊坡常見(jiàn)于沉積巖層狀邊坡，其主要原因是裂隙水沿著層理面滲透，使一些較軟的巖層風(fēng)化嚴(yán)重，出現(xiàn)了巖土互層的情況［1-3］。

在極限平衡法計(jì)算過(guò)程中，通常采用條分法計(jì)算（包括畢肖譜法、瑞典條分法等），然后多次迭代計(jì)算，搜索出最危險(xiǎn)滑面，而搜索出的滑面多假定為圓弧形滑面，但在某些巖土交互型坡體中，如果搜索出的圓弧形滑面穿過(guò)下部弱風(fēng)化巖體，這是不符合實(shí)際工程應(yīng)用的［4-7］。

本文中所計(jì)算的邊坡為巖土交互型邊坡，邊坡的上部為一定厚度的黏性土，下部為順坡向的巖層或者巖土交界面，受到氣候和風(fēng)化作用的影響，以及施工對(duì)邊坡底部擾動(dòng)的影響，邊坡易發(fā)生滑移的風(fēng)險(xiǎn)，因此在施工前，需要對(duì)此類(lèi)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算和支護(hù)分析，確保巖土體的穩(wěn)定性和施工的安全性。

1 模型的建立及模型參數(shù)

以西南某大型水利樞紐為例，其溢洪道位于第四系全新統(tǒng)崩坡積層覆蓋層上，局部崩坡積層下伏第四系上更新統(tǒng)沖積層，覆蓋層以下為志留系下統(tǒng)小河壩組砂巖。第四系全新統(tǒng)崩坡積層主要為崩積、坡積的砂巖、粉砂巖塊（碎）石含黏土。土體中塊、碎石含量30%～60%，多呈次棱角狀，表層局部殘留少量河流沖積砂卵石、漂石，下部局部含有頁(yè)巖碎片組成的深灰色碎石土，土體結(jié)構(gòu)較均勻，一般呈松散狀。邊坡的穩(wěn)定與否將影響到溢洪道的運(yùn)行穩(wěn)定，因此，選取其中一處典型斷面進(jìn)行分析。

該處坡體下部為巖體，巖體中有一處軟弱結(jié)構(gòu)面，巖體上覆為黏土體。

圖1為所建立的邊坡簡(jiǎn)化模型，坡高60m，坡角為30°，軟弱結(jié)構(gòu)面傾角20°，貫通率100%。巖土體的相關(guān)參數(shù)，如表1。

圖1 邊坡典型斷面

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

2 坡體穩(wěn)定性分析

2.1 圓弧形滑面

利用極限平衡法軟件Slide，對(duì)坡體進(jìn)行穩(wěn)定性分析，采用畢肖譜法計(jì)算得到圓弧形搜索時(shí)得到坡體最危險(xiǎn)滑面的安全系數(shù)為1.098。極限平衡法計(jì)算分析如圖2。

圖2 圓弧形滑面搜索示意圖

2.2 組合滑面

通常情況下，在極限平衡法中如果對(duì)坡體采用圓弧形滑面進(jìn)行搜索，尋找最危險(xiǎn)滑面，則圓弧形滑面可能穿過(guò)下部基巖，而這種情況是不符合實(shí)際工程的，不應(yīng)考慮這種破壞模式。在實(shí)際順層巖質(zhì)邊坡工程中，坡體的破壞通常是沿著軟弱夾層的層面發(fā)生滑移破壞，如果對(duì)外部邊界的下邊緣進(jìn)行限定，滑面在進(jìn)行搜索過(guò)程中，將會(huì)考慮外部邊界及基巖等狀況，生成更為合理的組合型滑面?！敖M合滑面”能用于基巖滑面，通過(guò)使用“組合滑面”來(lái)完成一個(gè)與基巖形狀相同的圓弧面搜索，這些滑面將被分析且被視為有效的，假定這種滑面為圓弧形-線型-圓弧形滑面組合形式，滑面組合形式如圖3。

圖3 組合滑面示意圖

利用Slide極限平衡法軟件，對(duì)該邊坡采用組合滑面形式進(jìn)行分析，處理方法是將底部邊界限定為軟弱夾層的下層面，采用畢肖譜法計(jì)算得到組合滑面搜索時(shí)得到坡體最危險(xiǎn)滑面的安全系數(shù)為1.090。極限平衡法計(jì)算如圖4。

圖4 組合滑面搜索示意圖

2.3 非圓弧形滑面搜索

在坡體極限平衡法分析中，如果將滑體分為幾個(gè)典型塊體，則這幾個(gè)塊體可以看做是由 “主動(dòng)塊體”“中間塊體”和“被動(dòng)塊體”組成，如圖5。對(duì)于具有既窄又薄的軟弱層來(lái)說(shuō)，因?yàn)榛瑒?dòng)面基本是沿著軟弱夾層面發(fā)生滑動(dòng)，因此對(duì)滑動(dòng)面適合運(yùn)用“分塊搜索”。

圖5 主動(dòng)塊體、中間塊體及被動(dòng)塊體

利用Slide進(jìn)行“分塊搜索”時(shí)，如果對(duì)滑面進(jìn)入軟弱夾層中的“投射角”進(jìn)行限定，則采用“分塊搜索”時(shí)滑面總是在一條線上生成兩點(diǎn)，滑面出現(xiàn)在多線的兩個(gè)點(diǎn)之間。在一般情況下，當(dāng)一個(gè)“分塊搜索”由多條線段組成時(shí)，這時(shí)容易定義一個(gè)沿著不規(guī)則（非線性）軟弱層的“分塊搜索”。

利用Silde軟件計(jì)算時(shí)，固定投射角計(jì)算，得到坡體安全系數(shù)為1.077，如圖6。利用Silde軟件計(jì)算時(shí)不固定投射角計(jì)算，得到坡體安全系數(shù)為1.056，如圖7。

圖6 固定投射角塊體搜索計(jì)算示意圖

圖7 不固定投射角塊體搜索計(jì)算示意圖

從計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)對(duì)投射角固定時(shí)，坡體安全系數(shù)要比不固定投射角時(shí)的計(jì)算結(jié)果大，通常情況下，對(duì)于坡體的滑出方向是未知的，對(duì)于坡體滑面不確定時(shí)，理應(yīng)采取不固定投射角法進(jìn)行計(jì)算。

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)坡體計(jì)算采用不同滑面，利用畢肖譜法計(jì)算的整體最小安全系數(shù)如表2。

表2 整體最小安全系數(shù)

表2結(jié)果表明，坡體采用圓弧形搜索整體最小安全系數(shù)時(shí)，其計(jì)算得到的安全系數(shù)最大；采用塊體搜索中的不固定投射角非圓弧形搜索時(shí)，計(jì)算得到的安全系數(shù)最小。根據(jù)實(shí)際工程中帶軟弱夾層的邊坡失穩(wěn)模型來(lái)看，許多坡體的失穩(wěn)都是沿著軟弱夾層發(fā)生滑動(dòng)，不管采用塊體搜索還是組合型搜索，其滑面都是沿著軟弱夾層發(fā)生滑移破壞。

3 坡體敏感性分析

坡體穩(wěn)定性分析結(jié)果表明，塊體采用不同滑面搜素時(shí)，利用平衡法計(jì)算得到的坡體安全系數(shù)不同。由于巖土體的離散性太大，而巖土體取值也具有很大的主觀性，當(dāng)采用不同的滑面進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)，需要對(duì)巖土體的參數(shù)進(jìn)行考慮。敏感性分析參數(shù)如表3。

表3 敏感性分析參數(shù)

對(duì)于該順層滑坡，因軟弱夾層的抗剪強(qiáng)度參數(shù)較低，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，該坡體的滑面為軟弱夾層，因此利用Slide軟件對(duì)軟弱夾層進(jìn)行敏感性分析，將容重、黏聚力和內(nèi)摩擦角作為變量，分析參數(shù)變化對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響，如圖8～圖11。

圖8 圓弧形滑面敏感性分析

圖9 組合滑面敏感性分析

圖10 固定投射角塊體搜索敏感性分析

圖11 不固定投射角塊體搜索敏感性分析

從圖8～圖11的敏感性分析結(jié)果可以得到，內(nèi)摩擦角對(duì)坡體穩(wěn)定性影響最大，其次是黏聚力，容重變化對(duì)坡體穩(wěn)定性影響最小。從計(jì)算結(jié)果整體分析，當(dāng)坡體參數(shù)發(fā)生變化，采用不同滑面搜索，參數(shù)變化對(duì)坡體穩(wěn)定性的敏感度也不一樣，從大到小依次為：圓弧形＞組合型＞固定投射角非圓弧形塊體搜索＞不固定投射角圓弧形塊體搜索。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）利用極限平衡法軟件Slide對(duì)含有軟弱夾層的坡體進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

（2）采用多種不同的滑面形式進(jìn)行搜索，對(duì)比分析坡體不同滑面形式的安全系數(shù)變化，并對(duì)不同滑面情況下的坡體進(jìn)行敏感性分析。

（3）采用不同滑面搜索時(shí)，計(jì)算得到的坡體安全系數(shù)從大到小依次為：圓弧形>組合型>固定投射角非圓弧形塊體搜索>不固定投射角圓弧形塊體搜索。

（4）進(jìn)行敏感性分析時(shí)，坡體物理力學(xué)參數(shù)對(duì)坡體的影響程度從大到小依次為：內(nèi)摩擦角>黏聚力>容重，進(jìn)行不同滑面搜索時(shí)敏感度大小依次為圓弧形>組合型>固定投射角非圓弧形塊體搜索>不固定投射角圓弧形塊體搜索。

（5）在實(shí)際工程中，不同類(lèi)型的坡體，應(yīng)根據(jù)實(shí)際巖土體的結(jié)構(gòu)來(lái)選擇合適的滑面進(jìn)行搜索，最終得到合理的安全系數(shù)。

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