堤防工程中邊坡穩(wěn)定性的分析及其應用

摘 要：堤防工程作為傳統(tǒng)的預防洪水的工程，能夠在關鍵時刻保護人類安危并且對國家的工農(nóng)業(yè)發(fā)展與生產(chǎn)都有著重要的作用。因此堤防工程的安全性十分重要。其中堤防工程邊坡是否安全穩(wěn)定與多種因素有關，例如堤防工程的質(zhì)量、當?shù)氐牡刭|(zhì)以及天氣氣候。在邊坡穩(wěn)定性管理中要做到因地制宜，不同的影響因素就要采用不同的加固方式。本文從影響邊坡穩(wěn)定性的因素分析開始，同時又分析了幾種邊坡穩(wěn)定性的措施，為今后加固邊坡穩(wěn)定性提供了一些理論研究。

關鍵詞：堤防工程；邊坡；穩(wěn)定性

中圖分類號：TV223 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）33-0169-02

1 引 言

邊坡失穩(wěn)是日積月累出現(xiàn)的結(jié)果，維護邊坡的穩(wěn)定性要做要未雨綢繆。同時邊坡失穩(wěn)是由多種原因造成的，不同的原因要有相應的解決方法。除了工作人員按照規(guī)定對邊坡例行安全檢查之外，還要對不同的失穩(wěn)情況有針對性的應對措施。否則邊坡失穩(wěn)輕則提防工程損壞造成嚴重的經(jīng)濟損失，重則就會造成老百姓家破人亡。所以對堤防邊坡穩(wěn)定性的研究就顯得尤為重要。

2 穩(wěn)定性造成破壞的形式

（1）當建筑堤防邊坡時所采用的為細砂與砂料等易于發(fā)生液化的建筑材料時往往會導致失穩(wěn)，是因為飽和的砂料在一些情況下體積會變小，這就造成孔隙間的水沒辦法在短時間內(nèi)流出去，其中的有效應力就會變成孔隙壓力，此時砂料的抗剪強度降低就會造成流動現(xiàn)象的出現(xiàn)。液化會在短時間內(nèi)快速發(fā)生，例如在自然災害地震或者有爆炸的情況下發(fā)生。

（2）塑性流動通常是發(fā)生在軟粘土壩和壩基，是指當土料的抗剪強度大于剪應力或者邊坡的變形程度較大的時候，壩坡以及壩腳地基土沒辦法承擔巨大的荷重而造成沉陷或者出現(xiàn)裂縫等情況。

（3）當邊坡的角度太陡或者所使用的土料抗剪強度特別小的時候，會出現(xiàn)滑面之外的土壤滑動造成坍塌。當壩基的土壤抗剪強度太小的時候，就會造成壩體和壩基同時發(fā)生滑坡。如果有軟弱層存在的情況下，一般就會在該層發(fā)生。

3 邊坡穩(wěn)定分析方法

3.1 極限平衡理論

以往大眾所使用的邊坡穩(wěn)定性的分析方法通常是極限平衡法。極限平衡法因為原理易于理解、計算方法也比較簡單所以在堤防工程穩(wěn)定性分析中廣為應用。這種理論的原理是首先假設會有某個滑裂面會出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，通過靜力平衡條件和摩爾-庫侖破壞準則計算可能發(fā)生滑動的機率大小，以同樣的方法分析隨機選擇幾個滑動面。比較不同的滑動面它們安全系數(shù)或失穩(wěn)概率的大小，最終選擇安全系數(shù)最小或者是失穩(wěn)概率最大的就是最可能出現(xiàn)不穩(wěn)定性的滑動面。這種分析方式是瑞典的K.E.Pettersson和S.Hultin學者研究出的，在Fellenius（1927）、A.W.Bishop（1950）、Janbu、Sarma諸位學者的改良之后發(fā)展成為了成熟的一種分析方法。在大量堤壩工程建筑過程中，這種方法使用率高而且效果好。

3.2 塑性極限分析

塑性極限分析法是Drucker和Prager兩位科學家在1952年提出的。該方法最突出的方面是將材料應力-應變關系列入到了分析范圍當中。將極限條件下的外荷重以及自重做功與滑裂面上的阻力消耗的功相等為條件，并與塑性極限分析的上、下限定理求出邊坡極限安全系數(shù)和荷載。塑性極限分析并非適合于所有的情況，因為運用該理論進行分析時假設的條件和真正的斜坡巖土體的彈塑性之間會出現(xiàn)不同，因此在一些工程中使用這種方法會導致誤差較大。所以塑性極限分析方法還需要科學家進一步的完善。

3.3 模糊極值理論

因為通過塑性極限分析理論研究出的解答會在一定的范圍的模糊極值上下浮動，所以孫君實就提出了一種叫做“滑動機構(gòu)”的理念，同時證實了滑動機構(gòu)耗散功能定理，把這個定理“模糊化”之后就能夠得到給定滑裂面的安全系數(shù)的模糊極大值定理。隨后將極大概念模糊化成滑體內(nèi)力狀態(tài)模糊狀態(tài)條件，建立出模糊的約束條件和函數(shù)，然后定義安全系數(shù)的模糊解集和最小的解集理論，進而構(gòu)建土坡穩(wěn)定分析中的“極大中極小”的模糊極值理論。

3.4 有限單元法

塑性極限分析和模糊極值理論是將土體完全塑性時的應力-應變關系考慮到分析中，但是沒有對實際的非線性關系進行考慮，也沒有對穩(wěn)定性和變形之間的關系進行分析。但是有限單元法能夠?qū)⒎蔷€性本構(gòu)關系考慮進來，將各單元的應力和變形計算得出，然后通過強度指標的大小找到失穩(wěn)的區(qū)域和失穩(wěn)范圍的狀況，通過部分和整體破壞相結(jié)合，找到發(fā)生邊坡不穩(wěn)定的地方，最后通過力的平衡關系計算堤防邊坡的穩(wěn)定系數(shù)。

4 方法應用

4.1 實際滑裂面的確定

在我國的一些地區(qū)由于氣候與地質(zhì)原因會造成堤防工程發(fā)生滑坡的現(xiàn)象。對于滑坡問題要加強重視同時在汛發(fā)生后要在第一時間快速解決，所以就要有明確的解決范圍。其中包含滑坡平面的大小和深度的大小。當前在解決過程中往往是通過目測來確定會發(fā)生滑坡的位置的，而對滑坡位置的確定往往是通過探測和穩(wěn)定分析法結(jié)合確定的。

4.1.1 現(xiàn)場探測法

在提防工程邊坡穩(wěn)定性實驗中，通常可以通過現(xiàn)場鉆探和十字板剪切兩種方法相結(jié)合來確定發(fā)生滑裂的地方。實際上，滑裂面可以看作是滑動帶，因為其中的內(nèi)土體經(jīng)常受到損壞所以強度受到損傷最后造成滑動的發(fā)生。

4.1.2 穩(wěn)定分析法

當出現(xiàn)現(xiàn)場檢測難度系數(shù)較大的情況時，一般采用穩(wěn)定性分析的方法確定出現(xiàn)滑裂的位置。就是在提防工程處找到滑動體的A、B兩個上下臨界點，然后通過圓弧滑動法解析。如圖1，將A、B兩點連接起來后做垂線OE，在OE上隨意選取一個點Oi，以Oi為圓心并以OiA長為半徑，作圖得到的圓弧就是潛在的滑裂面。隨后，與Oi對稱的地方找到O′i和O″i，計算得出Fs上與Fs下，多次重復最后得到Fs上>Fs

4.2 滑坡反算

當確定實際的滑裂面之后，當造成滑坡的因素和滑坡荷載的情況是已經(jīng)知道的時候，可以通過反算即當Fs=1時計算滑面的抗剪強度，為提防工程邊坡穩(wěn)定性提出合理的依據(jù)。

4.3 滑坡的整治和安全復核

提防工程的滑坡問題在治理過程中有以下幾個方面：更換新的土壤材料、及時排水、建立支擋的框架等。在治理完成之后還要根據(jù)相關的條例進行復查，做到防患于未然。一般條例不同，不同的工程類型所使用的計算方法和強度指標也不一樣。一般來講穩(wěn)定檢查包括穩(wěn)定的滲流時間、施工時間和水位降落時間三個工況。要根據(jù)不同的情況選取相對應的強度指標。不同的計算方法如下：

（1）總應立法

Ⅰ施工階段：可以使用三軸不排水剪指標，將下面公式（1）中的ci， i改為cui， ui就可以了。

F =M /M = （1）

i、ci為土條i中土的內(nèi)摩擦角和粘聚力；i、li為土條i底部滑面的傾角和長度。

II水位降落時期：通過三軸固結(jié)不排水剪試驗指標，根據(jù)公式（1），得到Fs：

F =

（2）有效應力法

有效應立法往往是在穩(wěn)定滲流中使用，用三軸固結(jié)不排水剪實驗得到有效應力指標ci， i′：

F =

在公式中，W1i-水位線上土條的重量；W2i-水位線下的土條的浮重量；Zi-坡外水體高于土條底面中點的距離；γw-水重度；如果通過公式得到的結(jié)果中，最小安全系數(shù)Fsmin如果滿足條例中的數(shù)值表明邊坡比較穩(wěn)定，如果不符合就要對邊坡穩(wěn)定性進行加強，最后到Fsmin達到所規(guī)定的數(shù)值。

5 結(jié)束語

堤防工程的安全性和穩(wěn)定性在建造過程中受到多種不同因素的影響。本文主要是對邊坡穩(wěn)定性造成影響的形式為切入點，分析了影響其穩(wěn)定性的因素，然后介紹了幾種邊坡穩(wěn)定性的分析方法從不同層面分析了不同的分析方法有什么樣的利弊，同時簡單闡述了方法應用。希望對今后邊坡穩(wěn)定性的研究提供一些幫助。

參考文獻

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收稿日期：2018-10-9

作者簡介：曾秀芳（1980-），女，水利工程工程師，大學本科。

王 ?。?976-），男，水利工程工程師，大學本科。