基于簡布法與強度折減法的滑坡穩(wěn)定性研究

李青山，康小兵，許 模，李子隆，李 強

(成都理工大學地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川成都610059)

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基于簡布法與強度折減法的滑坡穩(wěn)定性研究

李青山，康小兵，許 模，李子隆，李 強

(成都理工大學地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川成都610059)

基于簡布法與強度折減法，對四川巴中黃果樹滑坡進行了穩(wěn)定性研究。結(jié)果表明，簡布法所得的穩(wěn)定系數(shù)隨著蓄水水位的升高而減小，在蓄水水位以1m/d的速度升降工況中，穩(wěn)定系數(shù)隨著水位的上升和下降先減小后增大，如果其最小值達到了坡體滑動條件，坡體即滑動，如果未達到滑動條件則漸漸恢復到一定值；而強度折減法所計算出的穩(wěn)定系數(shù)在工況1、2下比簡布法計算的結(jié)果稍大，在工況3、4下穩(wěn)定系數(shù)誤差在中間時步較大，在其他時步相對較小。2種方法的分析結(jié)果穩(wěn)定系數(shù)差異較小，都符合分析要求，均可為滑坡穩(wěn)定性提供有效分析與評價。

穩(wěn)定系數(shù)；簡布法；強度折減法；黃果樹滑坡

0 引 言

近年來，分析與評價邊坡穩(wěn)定性的各種方法得到了廣泛的應用[1]，如簡布法、有限差分法、有限單元法、強度折減法等。徐衛(wèi)亞等[2]分別對考慮加固力作用的邊坡穩(wěn)定性分析的Morgens-Price和Sarma法推導了穩(wěn)定系數(shù)的計算過程；連鎮(zhèn)營等[3]分析了強度折減有限元法在開挖邊坡的穩(wěn)定性；楊有成等[4]闡明了在邊坡穩(wěn)定分析中邊界范圍和網(wǎng)格的疏密對強度折減法結(jié)果的影響；鄭穎人，趙尚毅等[5]探討了有限元強度折減法研究進展。通常的強度折減法分析滑坡穩(wěn)定性是以土體彈塑性有限元分析為基礎的，通過逐步折減土體的抗剪強度，改變土體的屈服準則，計算坡體的應力應變，考察土坡的位移發(fā)展情況，判斷土坡是否處于穩(wěn)定狀態(tài)，并以破壞前土坡達到臨界狀態(tài)的折減系數(shù)為穩(wěn)定系數(shù)，其穩(wěn)定系數(shù)具有“強度儲備”的意義。眾多學者在強度折減計算及其工程應用方面進行了大量研究，如 Matsui[6]、Dawson[7]、趙尚毅[8]、唐春安[9]等進行了富有成效地探索，推動了強度折減理論在邊坡穩(wěn)定性分析與評價方面的應用。

圖1 黃果樹滑坡工程地質(zhì)平面

邊坡的實際失穩(wěn)過程并非一次瞬間完成，而是由坡體局部應力集中或力學參數(shù)的減弱，導致坡體局部范圍出現(xiàn)損傷破壞，隨后破損范圍逐漸擴展，并最終形成整體滑面[10]。強度折減法的優(yōu)點是能夠考慮坡體的應力-應變關系、流固耦合作用，分析坡體內(nèi)一點的水平和豎直位移變化、應力變化。對比簡布法，強度折減法有以下優(yōu)點：①能夠?qū)哂袕碗s地質(zhì)地貌的邊坡進行穩(wěn)定性計算；②能夠考慮土體的應力-應變關系，假設條件無需太多簡化，形成了嚴密的理論體系；③能夠模擬出土坡失穩(wěn)過程及滑動面形狀；④計算穩(wěn)定系數(shù)時，無需假設滑動面位置及形狀，更不必進行條分計算；⑤可以計算滲流作用，得出孔隙水壓力，對于土體變形和滲流作用的耦合計算有很大的幫助[11]。本文采用簡布法和強度折減法，對四川巴中黃果樹滑坡進行計算分析，對比分析2種方法的準確性。

1 工程地質(zhì)概況

巴中黃果樹滑坡位于恩陽河左岸，距水庫壩址約10.9 km。該滑坡為一古滑坡堆積體，總體上是一個經(jīng)過多次滑移且滑坡體物質(zhì)堆積差異性較大的古滑坡，表現(xiàn)為前緣和中部稍寬、后緣則逐步收斂，河流改道和巖層反翹，在平面上滑坡體整體上呈圈椅狀。通過現(xiàn)場勘查，結(jié)合滑坡地貌特征和變形特征，將滑坡分為3個區(qū)：古滑坡復活體(1區(qū))、古滑坡坡體(2區(qū))、覆蓋層變形體(3區(qū))。1區(qū)縱長(近似垂直恩陽河方向)約390 m，橫寬(近似平行恩陽河方向)約280 m，面積約1.01×105m2，堆積體平均厚度約19 m，滑體方量約1.9×106m3；2區(qū)縱長約190 m，橫寬約350 m，面積4.8×104m2，覆蓋層平均厚度20 m，變形體方量約9.6×105m3；3區(qū)縱長約357 m，橫寬190 m，面積5.9×104m2，變形體平均厚度9 m，變形體方量約5.3×105m3。此次對該滑坡分析只針對1區(qū)和2區(qū)，3區(qū)地形起伏變化不大、覆蓋層較薄、大部分地區(qū)被殘坡積物覆蓋，且通過現(xiàn)場調(diào)查，該區(qū)未見明顯的地表變形跡象，故不做討論。黃果樹滑坡工程地質(zhì)平面見圖1。C-C′工程地質(zhì)縱剖面見圖2。

根據(jù)滑體及滑帶土體粒度成分特點，本次對滑坡體塊碎石土、滑帶土進行了原狀樣和室內(nèi)重塑樣的土力學試驗，分別考慮在天然含水和飽水狀態(tài)下，對滑帶土、塊碎石土進行直剪試驗獲取巖土體強度參數(shù)。力學計算參數(shù)取值見表1。

2 穩(wěn)定性對比分析

根據(jù)巴中黃果樹滑坡現(xiàn)場調(diào)查以及計算區(qū)域歷史發(fā)生過的大的滑動跡象和該水庫蓄水實際情況，選擇垂直于恩陽河方向的C-C′剖面進行分析?？紤]了4種工況：蓄水水位353 m(工況1)、蓄水水位372 m(工況2)、水位從353 m以1 m/d的速度上漲到 372 m(工況3)、水位從372 m以1 m/d的速度下降到353 m(工況4)。運用簡布法、強度折減法分別計算了該滑坡的4種工況的穩(wěn)定性，根據(jù)計算結(jié)果對該滑坡進行穩(wěn)定性評價。

圖2 黃果樹滑坡C-C＇工程地質(zhì)縱剖面

計算材料天然狀態(tài)抗剪強度飽和狀態(tài)抗剪強度粘聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)粘聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)天然密度ρd/kN·m-3飽和密度ρSat/kN·m-3變形模量E/kPa泊松比μ滲透系數(shù)K/10-6m·d-1滑體2118171518.52148000.321潛在滑帶10.57.587.152626.8460.30.1古滑帶91381127.2295000.331滑床15201217.523.22515000.20.1

2.1 簡布法

運用簡布法分別計算了該滑坡的4種工況的穩(wěn)定性，工況1穩(wěn)定系數(shù)為1.07；工況2為1.00；工況3為0.95；工況4為0.89。該滑坡在1、2工況時穩(wěn)定系數(shù)分別為1.07和1.0，參照滑坡工程規(guī)范，該滑坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；而在工況3時，根據(jù)計算結(jié)果，大約在第2～3 d時，水位在355～356 m時，穩(wěn)定性系數(shù)下降接近1，出現(xiàn)臨界狀態(tài)，大約在第7 d，水位升至360 m時，穩(wěn)定性系數(shù)最低，為0.95，隨著計算的進行，穩(wěn)定系數(shù)漸漸變大[12]；工況4時，根據(jù)計算結(jié)果，大約在第3 d初水位降至370 m時，穩(wěn)定性系數(shù)下降接近1，出現(xiàn)臨界狀態(tài)，大約在第6 d，水位降至362 m時，穩(wěn)定性系數(shù)最低，為0.89，隨著計算的進行，穩(wěn)定系數(shù)漸漸變大。工況3、4穩(wěn)定系數(shù)隨時間的變化見圖3。根據(jù)3、4工況的穩(wěn)定系數(shù)，表明了該滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。該方法計算的滑動面見圖4。

圖3 穩(wěn)定系數(shù)隨時間的變化

圖4 簡布法計算的滑動面

2.2 強度折減法

用強度折減法對該滑坡的C-C′剖面進行穩(wěn)定性分析。工況1穩(wěn)定系數(shù)為1.11；工況2為1.01；工況3為0.97；工況4為0.92。與簡布法計算結(jié)果相比，該方法計算結(jié)果在353 m水位時較簡布法大，而水位上漲到372 m之后的計算結(jié)果比較接近，這也和實際工程狀況相吻合；工況3、4的穩(wěn)定系數(shù)則與簡布法的計算不同，在穩(wěn)定系數(shù)減小過程中，其速度變化平均值和簡布法保持一致，但最小值要比簡布法小，在增大過程中速度平均值變化同樣和水位下降過程中保持一致，說明強度折減法在滑坡體計算過程中穩(wěn)定系數(shù)減小和恢復的速度和簡布法一致，且最大不平衡力曲線也更進一步證實了該算法的正確性，強度折減法計算的4種工況下的滑動面見圖5。

分析2種方法在不同工況下穩(wěn)定系數(shù)值，工況1～4呈變下降趨勢，表明了該滑坡在水庫處于高水位時比低水位危險；水位下降過程的穩(wěn)定系數(shù)值比水位上升時大，說明水位下降比水位上升時危險，這極有可能是由于地下水滲透力和揚壓力引起的[13]。

圖5 強度折減法計算的各工況下的滑動面

2.3 簡布法與強度折減法間的誤差分析

工況3、4中2種方法穩(wěn)定系數(shù)的方差曲線見圖6。從圖6可知，在工況3中，2種方法穩(wěn)定系數(shù)之間方差先增大后減小，說明兩者間的誤差也在中間時步最大，其他時步基本保持一致，這也表明了在地下水下滲和恢復穩(wěn)定狀態(tài)其他時間段中，2種方法穩(wěn)定系數(shù)計算結(jié)果是相近的；工況4變化規(guī)律和工況3的結(jié)果保持一致。經(jīng)綜合分析，總體結(jié)果符合工程實際需要。

圖6 2種方法穩(wěn)定系數(shù)方差曲線

2.4 位移、應力變化分析

在水位從353 m以1 m/d的速度上漲到372 m之后，又以1 m/d的速度下降到原初始水位353 m的過程中，設置3個水平位移監(jiān)測點和3個豎直位移監(jiān)測點。觀察監(jiān)測點1、2、3的水平歷史位移曲線可知，1、2點的位移較大，分別為0.43、0.37 m，而3點的位移較小，為0.03 m。在相同位置的監(jiān)測點4、5、6豎向位移分別為0.23、0.55、0.09 m，表明該滑坡中部和前緣變形較大。后緣水平和豎向位移較小的緣故是因為后面古滑坡體現(xiàn)在處于相對穩(wěn)定狀態(tài)[14]，前緣和中部都是屬于古滑坡復活體。從XY方向剪應力云圖(見圖7)也可看出，前緣和中部應力最大，而后緣較小，處于古滑坡復活體的整體區(qū)域都處于剪應力增大區(qū)。經(jīng)綜合分析，該復活體蓄水后處于不穩(wěn)定狀態(tài)。相比簡布法而言，強度折減法分析滑坡在滿足穩(wěn)定系數(shù)與簡布法一致時，更能分析具體點流固耦合作用下水平和豎向位移變化、剪應力變化，從宏觀到微觀監(jiān)測到該滑坡的發(fā)展過程，而這也是傳統(tǒng)的簡布法所不能做到的，總體分析結(jié)果也符合要求。對比2種方法的分析結(jié)果，2種方法均可為滑坡穩(wěn)定性提供有效分析與評價。

圖7 XY方向剪應力云圖

3 結(jié) 語

本文采用簡布法與強度折減法對巴中黃果樹滑坡4種工況進行穩(wěn)定性分析，得如下結(jié)論：

(1)2種方法在不同工況下穩(wěn)定系數(shù)的計算結(jié)果表明，工況1到工況4，該滑坡穩(wěn)定性成下降趨勢，水庫處于高水位比低水位危險，水位下降比水位上升時危險。

(2)在水庫處于穩(wěn)定水位時，強度折減法穩(wěn)定系數(shù)較簡布法大；在水位升降過程中，兩者間的誤差在中間時步較大；在地下水下滲和恢復穩(wěn)定狀態(tài)其他時間段中，計算結(jié)果相近。2種方法總體結(jié)果都符合工程實際需要。

(3)強度折減法分析滑坡在滿足穩(wěn)定系數(shù)和簡布法一致時，更能分析具體點流固耦合作用下水平和豎向位移變化、應力變化，從宏觀到微觀監(jiān)測到該滑坡的發(fā)展的過程。

(4)對比2種方法的分析結(jié)果，2種方法均可為滑坡穩(wěn)定性提供有效分析與評價。

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(責任編輯 楊 健)

Research on Slope Stability Based on N.Janbu Law and Strength Reduction Method

LI Qingshan, KANG Xiaobing, XU Mo, LI Zilong, LI Qiang

(State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu University of Technology,Chengdu 610059, Shichuan, China)

The stability of Huangguoshu Landslide is studied by using N.Janbu Law and strength reduction method. The results show that： (a) the N. Janbu law’s stability factor will decrease with the raising of water level; (b) when the water level is changed with the speed of 1m per day, the stability factor will decrease first and then increase; and (c) if stability factor reaches the minimum slope sliding condition, the slope will slide, and if it does not reach the sliding conditions, the stability factor will gradually recover to a certain situation. The results also show that： the safety factor resulted from strength reduction method under operation condition 1 and 2 is slightly larger than N. Janbu’s results, the safety factors of two methods under operation condition 3 and 4 have larger difference which is larger in middle time of operation condition change and smaller in other change time of operation condition. The analysis results’ difference of two methods are relative smaller and both methods can provide effective analysis and evaluation of landslide stability．

stability factor; N. Janbu Law; strength reduction method; Huangguoshu Landslide

2016- 03- 18

地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室自由探索課題資助項目(SKLGP2013Z003)

李青山(1990—)，男，重慶人，碩士研究生，研究方向為工程與環(huán)境水文地質(zhì)；康小兵(通訊作者)．

TU457(271)

A

0559- 9342(2016)06- 0034- 05