邊坡臨界滑動(dòng)場(chǎng)軟件改進(jìn)及在滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

張慧君，蔣澤鋒，朱大勇，石 杰

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院），浙江 杭州 310017；2.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310002；3.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院，浙江 寧波 315100；4.江蘇三恒科技股份有限公司，江蘇 常州 213022）

0 引 言

在全面擴(kuò)大有效投資、適當(dāng)提前開展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大環(huán)境下，新建、擴(kuò)建水庫(kù)等水利工程建設(shè)全面提速，岸坡整治工程也越來(lái)越多，其安全評(píng)價(jià)及加固設(shè)計(jì)都需要軟件支持。目前，GeoStudio、理正、Autobank等國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較廣的軟件在搜索任意形狀滑動(dòng)面方面都沒(méi)有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。已有研究證明，邊坡臨界滑動(dòng)場(chǎng)方法具有在不同條件下自動(dòng)搜索出任意形狀滑動(dòng)面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[1-6]。為更好地推廣該方法，增強(qiáng)國(guó)內(nèi)邊坡軟件的競(jìng)爭(zhēng)力，邊坡臨界滑動(dòng)場(chǎng)研究團(tuán)隊(duì)已開發(fā)出基礎(chǔ)版軟件[7]。為增強(qiáng)軟件適用性，在軟件中增加水壓力模塊后，將其應(yīng)用于三峽庫(kù)區(qū)某大型滑坡的穩(wěn)定性分析，拓展邊坡臨界滑動(dòng)場(chǎng)軟件的工程應(yīng)用范圍，并驗(yàn)證其結(jié)果的合理性。

1 邊坡臨界滑動(dòng)場(chǎng)軟件的改進(jìn)

1.1 涉水外力處理

1）外水壓力：對(duì)于坡外水體的處理，水壓力模塊采取將岸坡外水體以水壓力的形式直接加在坡面上。

2）孔隙水壓力：采用水位線法計(jì)算，該方法可簡(jiǎn)單方便地計(jì)算土條底部中心到水位線的豎向距離，再乘以水的密度即可得到孔隙水壓力值。

3）滲透力：軟件選擇以土體為研究對(duì)象，即選擇總應(yīng)力法[8]。

1.2 水壓力模塊集成

在邊坡臨界滑動(dòng)場(chǎng)軟件的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新融合水壓力模塊，使其能夠添加外水壓力及提取孔隙水壓力場(chǎng)。為增強(qiáng)水壓力模塊的實(shí)用性及可操作性，目前可通過(guò)3種方式提取孔隙水壓力：一是利用坐標(biāo)輸入直接定位水位線；二是利用GDI+（Graphics Device Interface plus）技術(shù)在界面上畫出外水壓力線及浸潤(rùn)線；三是創(chuàng)新開發(fā)并融合孔隙水壓力場(chǎng)提取程序，通過(guò)劃分相同的細(xì)小單元，提取其他滲流分析軟件計(jì)算的孔隙水壓力場(chǎng)。待瞬態(tài)滲流分析程序通過(guò)驗(yàn)證，一并納入水壓力模塊。

2 算例分析

選取三峽庫(kù)區(qū)某滑坡作為驗(yàn)證算例。該滑坡體具有明顯的地層分界線，可直觀判斷臨界滑動(dòng)面位置，初步判斷邊坡臨界滑動(dòng)場(chǎng)軟件自動(dòng)搜索出的臨界滑動(dòng)面的合理性，并與GEO-SLOPE軟件自動(dòng)搜索臨界滑動(dòng)面技術(shù)相比較，以驗(yàn)證集成水壓力模塊的邊坡臨界滑動(dòng)場(chǎng)軟件計(jì)算庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性的合理性及準(zhǔn)確性。

2.1 工程概況

三峽庫(kù)區(qū)某滑坡位于長(zhǎng)江青干河支流右岸，為土質(zhì)滑坡，滑坡體平面呈“圈椅”狀，后緣存在陡坎，地質(zhì)平面見(jiàn)圖1。滑坡體縱向長(zhǎng)約250 m，橫向?qū)捈s200 m，厚度約15 m。滑坡體前緣出口高程為105.00 m，后緣高程為225.00 m。坡度總體范圍15o~ 30o，前緣近河谷處較為陡峭，范圍35o~ 50o。A—A’工程地質(zhì)剖面見(jiàn)圖2。

圖1 滑坡平面圖

圖2 A—A’工程地質(zhì)剖面圖

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，滑坡體主要以粉細(xì)砂巖夾少量粉砂質(zhì)黏土巖、泥巖塊碎石、黏性土夾砂巖為主，透水性較弱；滑帶主要由黏土夾少量碎石組成，碎石基本為黃褐色泥質(zhì)粉砂巖，厚度0.3~1.2 m，透水性較弱；滑床（下覆基巖）主要由石英砂巖、粉細(xì)砂巖夾粉砂質(zhì)黏土巖、泥巖組成，透水性較弱。

2.2 計(jì)算模型及參數(shù)

根據(jù)滑坡巖土體的室內(nèi)試驗(yàn)資料及參數(shù)反演分析，綜合得到土體物理力學(xué)參數(shù)（見(jiàn)表1）。為便于比對(duì)后期不同軟件的計(jì)算結(jié)果，坡體內(nèi)的孔隙水壓力場(chǎng)統(tǒng)一由GeoStudio軟件的SEEP/W模塊計(jì)算。滲流有限元計(jì)算網(wǎng)格模型見(jiàn)圖3。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)表

圖3 滲流有限元計(jì)算模型網(wǎng)格剖分圖

2.3 計(jì)算工況

由于滑坡坡前水位隨三峽庫(kù)區(qū)水位波動(dòng)，屬于動(dòng)水壓力型滑坡。參照三峽水庫(kù)的運(yùn)行調(diào)度方案，該滑坡最不利工況為庫(kù)水位以1.2 m/d的速度泄水，從壩前正常蓄水位175.00 m高程下調(diào)至汛限水位145.00 m高程。

2.4 滲流場(chǎng)模擬

采用GeoStudio軟件的SEEP/W模塊計(jì)算滑坡瞬態(tài)滲流場(chǎng)，得到長(zhǎng)江水位從175.00 m驟降至145.00 m時(shí)坡體內(nèi)的地下水位線（見(jiàn)圖4）。

圖4 庫(kù)區(qū)水位從175.00 m驟降至145.00 m時(shí)地下水位線變化圖

2.5 滑坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果與合理性驗(yàn)證

庫(kù)水位從175.00 m驟降至145.00 m時(shí)，集成水壓力模塊的邊坡臨界滑動(dòng)場(chǎng)軟件計(jì)算的整體穩(wěn)定安全系數(shù)見(jiàn)表2；當(dāng)庫(kù)水位降至145.00 m時(shí)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。

表2 水位從175.00 m驟降至145.00 m時(shí)的滑坡安全系數(shù)表

圖5 水位下降至145.00 m時(shí)的計(jì)算結(jié)果圖

由表2和圖5可以看出，隨著三峽庫(kù)區(qū)水位下降，滑坡的安全系數(shù)不斷降低，到坡前水位下降至145.00 m時(shí)，安全系數(shù)迅速減小至1.039。這是由于坡前水位驟降，坡體所受的靜水壓力驟減，同時(shí)坡體內(nèi)孔隙水壓力難以在較短時(shí)間內(nèi)消散，導(dǎo)致安全系數(shù)隨水位降低迅速減小。為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的合理性，采用應(yīng)用較廣的GeoStudio軟件的SLOPE/W模塊計(jì)算坡前水位下降至145.00 m時(shí)的安全系數(shù)為1.055（見(jiàn)圖6）。2種軟件的計(jì)算結(jié)果誤差約為1.5%，在工程應(yīng)用中，誤差在允許的合理范圍內(nèi)。因此，集成水壓力模塊后，邊坡臨界滑動(dòng)場(chǎng)軟件計(jì)算結(jié)果仍是合理可靠的。

圖6 水位下降至145.00 m時(shí)SLOPE/W模塊計(jì)算結(jié)果圖

不同軟件搜索的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面見(jiàn)圖7。與GEO-SLOPE軟件的搜索結(jié)果相比，集成水壓力模塊的邊坡臨界滑動(dòng)場(chǎng)軟件搜索出的邊坡剪入口更靠近上緣。

圖7 不同軟件搜索的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面位置圖

3 結(jié) 論

本文在邊坡臨界滑動(dòng)場(chǎng)基礎(chǔ)版軟件中集成水壓力模塊，并應(yīng)用于三峽庫(kù)區(qū)滑坡的穩(wěn)定性分析，得出以下結(jié)論：

1）集成水壓力模塊后，水位變化過(guò)程中的邊坡臨界滑動(dòng)場(chǎng)軟件計(jì)算結(jié)果是合理可靠的，能夠較好地應(yīng)用于實(shí)際庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

2）軟件集成繪圖功能，能夠建立較復(fù)雜的臨水岸坡計(jì)算模型，并能較好地自動(dòng)搜索出地層復(fù)雜的臨水岸坡臨界滑動(dòng)面，有較強(qiáng)的適用性和可操作性，為后續(xù)開發(fā)人機(jī)交互性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便、工程適用性強(qiáng)的邊坡臨界滑動(dòng)場(chǎng)軟件奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。