滑坡穩(wěn)定性與安全系數(shù)取值的相關(guān)性

李晨東，張 揚，陳邦華，葉興龍 四川省林業(yè)勘察設(shè)計研究院，四川 成都 610081

地質(zhì)災(zāi)害中，滑坡災(zāi)害已經(jīng)成為了我國地質(zhì)災(zāi)害防治的主要對象，其中穩(wěn)定性分析是滑坡研究的主要任務(wù)之一。此外，邊坡治理投資大小以及穩(wěn)定性的重要評價標(biāo)準(zhǔn)——安全系數(shù)，其取值是否合理，會對工程的整體經(jīng)濟效益和安全性產(chǎn)生直接的影響。當(dāng)然安全系數(shù)的取值還是要根據(jù)具體的情況進行計算來確定。除此之外，安全系數(shù)還受到極限平衡法假設(shè)條件的影響，因此安全系數(shù)的取值相關(guān)性也應(yīng)該有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。本文便是針對三板溪水電站進水口滑坡和水布埡水電站大巖淌滑坡，分別采用剛體極限平衡法、塊體單元法、有限單元法對穩(wěn)定安全系數(shù)和條間推力分布曲線進行分析和比較，以便達到研究各種方法的差異和計算精度以及各種方法穩(wěn)定安全系數(shù)的取值標(biāo)準(zhǔn)的目的。

1 三板溪滑坡穩(wěn)定性分析

1.1 基本概況

三板溪滑坡體主要在電站進水口上游右側(cè)的大支溝內(nèi)存在，其支溝下游邊坡為陡崖形式，上游則為順層坡面，滑坡體的高程在375.0～657.0 米之間，厚度為5.0～40.0 米，平均厚度為15.20 米，約44 萬立方米。正常的水庫蓄水位約6 萬立方米，正常的蓄水位以上部分約38萬立方米。綜合來看，滑坡體構(gòu)造比較復(fù)雜，巨型塊石、碎石等主要在高程為592.0 米以下分布。高程592.0～613.0 米為碎石夾粘土，塊徑約為0.5～1.0 米，含量約為50%～60%。凝灰質(zhì)粉細(xì)砂巖是構(gòu)成基巖的主要成分，滑坡體與基巖之間的滑帶為灰黃色可塑至軟塑狀粘土，厚度約為0.5 米?？傮w來說，三板溪滑坡體較為狹長單薄，滑面結(jié)構(gòu)夠成復(fù)雜。在自然地狀態(tài)下，滑坡地下水位常處于滑動面以下，可以不考慮地下水對其的作用。表1 為滑坡物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)。

表1 三板溪滑坡巖土體力學(xué)參數(shù)指標(biāo)

1.2 剛體的極限平衡法

通常情況下，主滑面滑坡體可具體分為二十個條塊(圖1 所示)。對滑坡體穩(wěn)定性進行分析時，一般應(yīng)用改進剩余推力法、剩余推力法、以及Sarma 法等。運用上述幾種計算方法，得出計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)剩余推力法得出的安全系數(shù)(1.10458)要小于Sarma 法得出的安全系數(shù)(1.10807)。所以在針對三板溪滑坡的安全系數(shù)應(yīng)用時應(yīng)對其坡度較陡問題進行充分考慮，由于剩余推力法計算時會遇到剪切力大于極限抗剪強度的問題，因而會使得的計算結(jié)果偏小。再者，Sarma 法計算得出的安全系數(shù)與改進剩推力法基本接近，略偏高，這也就說明改進剩余推力法較剩余推力法來說以更為先進，能夠?qū)O限抗剪強度問題充分考慮后在進行計算，因而該種計算方式的結(jié)果更趨于合理化。

圖1 天然狀態(tài)下主滑面S0 斷面條分

1.3 塊體單元法

對滑坡穩(wěn)定性進行塊體單元法分析時，通常采用的滑坡穩(wěn)定性判斷方法是“強度儲備安全系數(shù)法”。一是滑坡體比較穩(wěn)定時，其位移應(yīng)在允許值之內(nèi)，確保某處屈服區(qū)穩(wěn)定性，并且不會存在連續(xù)的屈服區(qū)。二是滑坡體不穩(wěn)定時，位移量過大或是未收斂，則屈服區(qū)呈現(xiàn)不斷擴大的趨勢?？梢酝ㄟ^建立三板溪滑坡體穩(wěn)定分析塊體單元法計算模型進行滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)研究，模型中結(jié)點、離散平面、塊體的數(shù)量分別為305 個、94 個、20 個。通過相關(guān)計算(運用塊體單元法)得出滑坡穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.10。

1.4 有限單元法

對滑坡穩(wěn)定性進行有限單元法分析時，通常應(yīng)用的滑坡穩(wěn)定性判斷方法仍為“強度儲備安全系數(shù)法”，其主要的優(yōu)勢是可以減小有限元優(yōu)化網(wǎng)格模型中出現(xiàn)的誤差，并且可以利用非線性有限元迭代計算進行折減后強度參數(shù)計算。倘若滑坡屈服區(qū)域出現(xiàn)連續(xù)并出現(xiàn)滑動通道時，說明滑坡此時已失去穩(wěn)定性，極易出現(xiàn)滑坡災(zāi)害;當(dāng)然，倘若滑坡屈服區(qū)域未出現(xiàn)連續(xù)滑動通道，說明滑坡仍比較穩(wěn)定，不會出現(xiàn)滑坡災(zāi)害。同時，可以通過建立三板溪滑坡體穩(wěn)定分析塊體單元法計算模型進行滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)研究，以減小誤差。優(yōu)化的離散結(jié)點、四邊形單元數(shù)量分別為3243 個、3096 個。通過相關(guān)計算(運用有限單元法)得出滑坡穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.03。

1.5 各種方法的比較

通過以上的計算方法可以發(fā)現(xiàn)計算得出的安全系數(shù)最小的方法是有限單元法，而剛體極限平衡法與塊體單元法得出的安全系數(shù)基本相似。采用塊體單元法、剩余推力法以及Sarma 法得出的條間水平推力曲線(圖二所示)很相似，特別是條間水平推力最小的是有限單元法;條間水平推力曲線最為相近的是Sarma 法，造成該種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因主要是剛體極限平衡法與塊體單元法在理論基礎(chǔ)上具有相似性。有限單元法注重分析滑坡體彈性區(qū)以及屈服區(qū)，這就使得條分面上的屈服性和彈性不完全，也就意味著可以較為精準(zhǔn)的得到計算結(jié)果。綜上所述可得有限單元法得到的安全系數(shù)明顯低于剛體極限平衡法，而剛體極限平衡法與塊體單元法的允許安全系數(shù)則與取得的結(jié)果幾乎接近。

圖2 三板溪滑坡體條間水平推力分布曲線

2 大巖淌滑坡穩(wěn)定性分析

2.1 基本概況

大巖淌滑坡上部距離壩軸線約800 多米，距離最大的挑距沖坑約60 米。該滑坡的滑坡原主要由兩部分組成，一是主滑體。二是東、西兩級的次滑體，滑坡的結(jié)構(gòu)組成比較復(fù)雜。調(diào)查相關(guān)資料得知，此滑坡的總面積約為0.196 平方千米，厚度為25～40 米，總體積約為588 萬立方米。該滑坡的主滑體呈狹長帶狀在平面上分布，特點是厚度較大，較為平緩，滑坡體相對高差約為225 米，因此勢能較高。

2.2 剛體極限平衡法

將該滑坡的主滑面滑坡體具體分為二十個條塊(圖3 所示)。對滑坡體穩(wěn)定性進行分析，改進剩余推力法計算得出的安全系數(shù)值為1.41692;剩余推力法計算得出的安全系數(shù)值為1.42953;Sarma 法計算得出的安全系數(shù)值為1.41872。

圖3 大巖淌滑坡B-B 剖面的條分情況

2.3 塊體單元法

可以通過建立大巖淌滑坡體穩(wěn)定分析塊體單元法計算模型進行滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)研究，其中結(jié)點、離散平面、塊體的數(shù)量分別為334 個、103 個、20 個。通過相關(guān)計算(運用塊體單元法)得出滑坡穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.47。

2.4 有限單元法

計算網(wǎng)格最優(yōu)化后，離散結(jié)點、四邊形單元數(shù)量分別為3639 個、3483 個。通過相關(guān)計算(運用有限單元法)得出滑坡穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.31。

2.5 各種方法的比較

較三板溪滑坡來說，剛體極限平衡法與塊體單元法得出的安全系數(shù)基本相似，而計算得出的安全系數(shù)最小的方法是有限單元法。Sarma法、有限單元法、塊體單元法、剩余推力法計算的條塊水平推力大小的曲線分布也與三板溪工程的計算結(jié)果幾乎相同。

3 結(jié)語

綜上所述，本文通過對三板溪滑坡及大巖淌滑坡的穩(wěn)定性進行了分析計算，分別是利用剛體極限平衡法、塊體單元法、有限單元法等方法進行計算，可以得到相應(yīng)的安全系數(shù)。計算得出的安全系數(shù)最小的方法是有限單元法，而剛體極限平衡法與塊體單元法得出的安全系數(shù)基本相似。并且相應(yīng)的力學(xué)模型、分析方法、以及參數(shù)選取應(yīng)與相關(guān)的安全系數(shù)值相統(tǒng)一。運用安全系數(shù)對滑坡穩(wěn)定性進行系統(tǒng)分析，從而更好地采取積極措施降低滑坡對人們生命財產(chǎn)帶來的破壞影響。

［1］徐青，陳士軍，陳勝宏.滑坡穩(wěn)定性分析與安全系數(shù)取值研究［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2010，03:58-62.

［2］.對《關(guān)于滑坡穩(wěn)定性在滑坡安全系數(shù)取值中的作用討論》—文討論［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2009，03:154.

［3］方玉樹.關(guān)于滑坡穩(wěn)定性在滑坡安全系數(shù)取值中的作用討論［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2008，03:149-153.