滑坡體穩(wěn)定性分析方法比較

李紅英 濮仕坤 譚躍虎

（陸軍工程大學(xué) 國防工程學(xué)院，江蘇南京 210007）

0 引 言

在水電工程實(shí)施之初，對潛在的滑坡地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估分析是一項(xiàng)重要的研究課題，而滑坡體穩(wěn)定性分析是滑坡風(fēng)險(xiǎn)分析的重要研究內(nèi)容。國內(nèi)外學(xué)者針對滑坡穩(wěn)定分析方法進(jìn)行了大量的研究，基于可靠度理論的邊坡穩(wěn)定性分析得到廣泛研究和應(yīng)用，近年來基于強(qiáng)度折減法的邊坡穩(wěn)定分析也日益受到重視[1-2]。

J M Duncan[3]綜述了邊坡極限平衡法；陳祖煜等發(fā)展了三維的極限平衡法并進(jìn)行了可靠度分析計(jì)算研究[4-5]；李世海等[6]對滑坡體穩(wěn)定性分析方法進(jìn)行了詳細(xì)地論述和比較；劉 寧等[7]通過運(yùn)用結(jié)構(gòu)可靠度計(jì)算的優(yōu)化算法，將工程結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)率轉(zhuǎn)化為對結(jié)構(gòu)可靠度指標(biāo)的計(jì)算，將可靠度與風(fēng)險(xiǎn)結(jié)合起來。近年來，邊坡可靠度分析熱點(diǎn)逐步轉(zhuǎn)移到如何計(jì)算邊坡的實(shí)效概率[8-9]，以及如何考慮降雨和地震等荷載的影響[10-11]。強(qiáng)度折減法是邊坡穩(wěn)定性分析的另一種常用方法，這種方法可自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑動(dòng)面性狀[12-14]，鄭穎人等[15]全面介紹有限元強(qiáng)度折減法的應(yīng)用，并比較了不同強(qiáng)度準(zhǔn)則條件下該方法計(jì)算結(jié)果的差異。本文分別采用基于可靠度的滑坡體穩(wěn)定性分析和基于強(qiáng)度折減法的滑坡體穩(wěn)定性分析兩種不同方法，對典型滑坡體進(jìn)行穩(wěn)定性分析，并探討兩種分析方法的一致性和適用性，為滑坡災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)及水電站壩址比選提供可靠依據(jù)。

1 工程概況

擬建的卡拉水電站工程區(qū)位于雅礱江干流中游河段，工程區(qū)內(nèi)滑坡發(fā)育且規(guī)模巨大，分布有多個(gè)大型滑坡體和崩坡積體，若出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)，將造成水庫淤積或河道堵塞，并危及大壩及其它樞紐建筑的安全，因此坡體穩(wěn)定性是決定壩址選擇的控制性因素之一。

下田滑坡體地處雅礱江右岸，呈方形展布，滑坡體近南北走向，東、西兩側(cè)均以沖溝為界，滑坡體走向長約1100 m。前緣直抵雅礱江，高程1925 m；后緣為坡度陡緩交界處，高程2730 m 左右，前后緣高差約800 m，長約1500 m?；麦w地形前陡后緩，總方量為11640.7×104m3，屬巨大型滑坡。滑坡體邊界較為清楚，物質(zhì)組成主要為碎石土層，顆粒組成以粗、巨粒為主。根據(jù)滑坡堆積物的組成結(jié)構(gòu)及地形差異，將滑坡體上下游分為A、B 兩區(qū)（見圖1）。

圖1 下田滑坡體全貌圖

其中A 區(qū)前沿淺層細(xì)顆粒含量較高，存在淺層滑帶，地下水活動(dòng)較活躍，穩(wěn)定性相對較差。

2 基于可靠度的滑坡體穩(wěn)定性分析

邊坡可靠度分析是基于極限平衡原理建立狀態(tài)方程，通過安全系數(shù)求得可靠度?？煽慷确治鍪窃谟?jì)算安全系數(shù)的同時(shí)考慮安全系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差或變異系數(shù)，并計(jì)算出失穩(wěn)概率。滑坡體失穩(wěn)概率計(jì)算采用Monte Carlo 模擬方法進(jìn)行計(jì)算[16-17]，其中，單組樣本對應(yīng)的邊坡狀態(tài)函數(shù)穩(wěn)定性，采用GEO-SLOPE 商業(yè)軟件中的SLOPE/W 模塊計(jì)算，穩(wěn)定性計(jì)算方法選擇Morgenstern-Price 法和Bishop 法；應(yīng)用@RISK 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的隨機(jī)抽樣（本文隨機(jī)抽樣數(shù)據(jù)取10000 組）；應(yīng)用Edit And Run 自編程序?qū)崿F(xiàn)@RISK和GEO-SLOPE 程序之間的對接。計(jì)算步驟見圖2。

圖2 滑坡體失穩(wěn)概率蒙特卡洛計(jì)算步驟

2.1 計(jì)算模型

根據(jù)各勘探剖面在滑坡體中的位置及其代表性，穩(wěn)定性計(jì)算選取A 區(qū)Ⅲ-Ⅲ′剖面作為計(jì)算模型，計(jì)算模型見圖3。

圖3 下田滑坡體Ⅲ-Ⅲ′主剖面計(jì)算剖面圖

根據(jù)滑坡體所在的位置與樞紐工程的關(guān)系，下田滑坡體穩(wěn)定計(jì)算主要考慮天然、蓄水、暴雨、蓄水+暴雨、水位驟降、地震及蓄水+地震7 種工況。引入Bayes 推廣法對滑坡體巖土參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定滑坡體巖土參數(shù)的分布類型，滑坡體巖土參數(shù)（重度、黏聚力、內(nèi)摩擦角）的分布規(guī)律滿足正態(tài)分布規(guī)律。

2.2 滑坡體穩(wěn)定性計(jì)算分析

通過計(jì)算分析，滑坡體Ⅲ-Ⅲ′剖面計(jì)算模型在各工況下的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表1。

從表1可知，滑坡體在工況1（天然）、工況2（正常蓄水)、工況3（暴雨）、工況5（水位驟降）和工況6（地震）條件下，有較高的安全儲備，失穩(wěn)概率為0，但在工況4（蓄水暴雨）和工況7（蓄水地震）條件下穩(wěn)定性相對較差，失穩(wěn)概率分別為0.37%和7.10%，說明蓄水對坡體的穩(wěn)定不利。

表1 下田滑坡體A 區(qū)Ⅲ-Ⅲ′剖面穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

為了計(jì)算失穩(wěn)面積，首先在10000 組數(shù)據(jù)中選取安全系數(shù)小于1.0 的所有安全系數(shù)，計(jì)算其對應(yīng)的滑坡失穩(wěn)面積的平均值，以此面積均值作為滑坡整體失穩(wěn)概率所對應(yīng)的失穩(wěn)面積。經(jīng)計(jì)算，計(jì)算剖面在工況4、工況7 條件下的失穩(wěn)面積分別為5194.7 m2、5743.1 m2?；率Х€(wěn)位置與現(xiàn)場勘察所得定性分析結(jié)果是相符合的。

3 基于強(qiáng)度折減法的滑坡體穩(wěn)定性分析

為了更全面準(zhǔn)確地分析工程區(qū)滑坡體的穩(wěn)定性，采用基于強(qiáng)度折減法的有限元計(jì)算軟件ABAQUS對同一個(gè)滑坡體進(jìn)行分析計(jì)算[18-19]。ABAQUS 是一種在國際上得到廣泛應(yīng)用的大型有限元軟件，具有強(qiáng)大的巖土工程數(shù)值分析功能。強(qiáng)度折減法可以簡單地用式（1）、式（2）表示：

式中：Fr為強(qiáng)度折減系數(shù)，即在外荷載保持不變下，土體的最大抗剪強(qiáng)度與外荷載在邊坡內(nèi)產(chǎn)生的實(shí)際剪應(yīng)力的比值；c和φ為土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)；cm和φm為維持平衡所需要的或土體實(shí)際發(fā)揮的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

假定所有土體抗剪強(qiáng)度的發(fā)揮一致時(shí)，強(qiáng)度折減系數(shù)就相當(dāng)于用極限平衡法計(jì)算的邊坡整體安全系數(shù)，因此強(qiáng)度折減系數(shù)與安全系數(shù)在概念上是一致的。采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，首先假定一個(gè)強(qiáng)度折減系數(shù)Fr，根據(jù)折減后的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行有限元分析，觀察是否收斂，然后不斷地增加Fr，達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)的強(qiáng)度折減系數(shù)就是邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。

強(qiáng)度折減法的基本原理實(shí)質(zhì)就是材料的c、φ逐漸降低，導(dǎo)致某單元的應(yīng)力無法和強(qiáng)度配套，或超出了屈服面，不能承受的應(yīng)力將逐漸轉(zhuǎn)移到周圍土體單元中去，當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)滑移面（屈服點(diǎn)連成貫通面）之后，土體就將失穩(wěn)。而在ABAQUS 中材料的參數(shù)是可以隨溫度或場變量變化的，可以簡單地實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度參數(shù)減小的過程。

3.1 滑坡機(jī)理分析

對于一般的滑坡體，可以將其大體上分為主滑段、抗滑段和牽引段三個(gè)部分（見圖4）。

圖4 滑坡體三部分示意圖

滑坡產(chǎn)生的力學(xué)機(jī)理可以解釋為：一定地質(zhì)條件下的斜坡，由于外界因素的影響，主滑段首先不能保證平衡而失穩(wěn)，產(chǎn)生蠕動(dòng)；牽引段也因前方失去支撐力而產(chǎn)生張拉破壞，破壞后的牽引段連同主滑段一起推擠向抗滑段，使得抗滑段在被動(dòng)土壓力的作用下產(chǎn)生破壞，待抗滑段形成新的滑動(dòng)面并貫通時(shí)，滑坡即開始了整體滑動(dòng)。在這種滑坡機(jī)理基礎(chǔ)上進(jìn)行安全系數(shù)分析。

3.2 滑坡體穩(wěn)定性計(jì)算分析

本文以滑坡體在自然工況和地震工況下的穩(wěn)定性分析計(jì)算為例進(jìn)行比較分析。地震工況按地震烈度進(jìn)行了有限元分析（見圖5-圖7）。

圖5 天然工況下有限元模擬圖

圖7 9 度地震工況下有限元模擬圖

（2）8 度地震工況

圖6 8 度地震工況下有限元模擬圖

（3）9 度地震工況

（1）天然工況

針對每種工況，采用有限元模擬分別對mises 應(yīng)力、位移、等效應(yīng)變、場變量進(jìn)行計(jì)算分析，得出隨著地震烈度增大，應(yīng)力、位移、應(yīng)變等增大，穩(wěn)定性降低。

根據(jù)地震烈度，水平和垂直加速度如表2所示，通過軟件計(jì)算分析可以得到水平位移和安全系數(shù)之間的關(guān)系（見圖8）、地震烈度和安全系數(shù)之間的關(guān)系（見圖9）。

表2 不同地震烈度所對應(yīng)的水平和垂直加速度

圖8 水平位移和安全系數(shù)的關(guān)系

圖9 地震烈度和安全系數(shù)之間的關(guān)系

從圖9可以看出，地震烈度和安全系數(shù)之間的相互關(guān)系及變化情況。隨著地震烈度的增加，安全系數(shù)降低迅速。通過計(jì)算可得：滑坡體在天然狀態(tài)、6 度、7 度、8 度、9 度地震烈度的工況下，其安全系數(shù)拐點(diǎn)分別為：1.36、1.30、1.26、1.15、1.03，這一結(jié)果與表1中工況1 和工況6 的計(jì)算分析結(jié)果基本一致。

如圖9所示，隨著地震烈度的不斷增大，安全系數(shù)-強(qiáng)度折減系數(shù)不斷降低，穩(wěn)定性下降。一般地，最大位移越大，變形越大，滑坡體越不穩(wěn)定，但從如圖10 所示的地震烈度與最大位移之間的關(guān)系曲線上，表現(xiàn)出的是隨著地震烈度的增大，最大位移卻出現(xiàn)減小的趨勢，究其原因可能是隨著地震烈度的增加，安全系數(shù)不斷減小，土體在沒有到達(dá)相應(yīng)的極限變形的情況下就發(fā)生了破壞。

圖10 地震烈度和最大位移之間的關(guān)系

4 結(jié)論

分別采用可靠度法和強(qiáng)度折減法對雅礱江下田滑坡體進(jìn)行穩(wěn)定性分析，對比計(jì)算分析結(jié)果可以得到以下結(jié)論：

（1）兩種方法得出的穩(wěn)定性計(jì)算分析結(jié)果趨于一致，這為全面、準(zhǔn)確分析工程區(qū)滑坡體的穩(wěn)定性提供了可靠依據(jù)。

（2）有限元強(qiáng)度折減法是以彈塑性理論為基礎(chǔ)，考慮了滑坡的各項(xiàng)實(shí)際材料參數(shù)和邊界條件，計(jì)算結(jié)果能直觀反映出滑坡的變形位移和破壞過程，更接近于工程實(shí)際情況。