基于極限平衡法的滑坡穩(wěn)定性分析

范慧琪

（山西潞安集團(tuán)潞寧孟家窯煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036700）

在工業(yè)生產(chǎn)中，地質(zhì)災(zāi)害往往會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)與財(cái)產(chǎn)的嚴(yán)重?fù)p失。本文依據(jù)山西孟家窯礦實(shí)際水文地質(zhì)情況，分析孟家窯礦地表邊坡穩(wěn)定性，防止雨季或者洪水季節(jié)到來(lái)時(shí)對(duì)地表道路運(yùn)輸產(chǎn)生影響。在對(duì)孟家窯礦地表的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)估分析時(shí)，應(yīng)了解該礦邊坡力學(xué)性質(zhì)并做出安全系數(shù)評(píng)價(jià)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在對(duì)滑坡地質(zhì)穩(wěn)定性研究逐漸深入的過(guò)程中，按照發(fā)生原理的不同將滑坡穩(wěn)定性分析法分為：定性分析法、定量分析法、不確定分析法以及人工智能方法[1-2]。由于極限平衡法所需要的數(shù)學(xué)模型較為簡(jiǎn)單，其對(duì)剖面以及加載形式的適應(yīng)性較強(qiáng)，因此該方法是用于分析邊坡穩(wěn)定性的普遍方法，其中極限平衡法中又包括剛體、彈塑性體極限平衡法以及三位極限平衡法[3-4]。與此同時(shí)，極限平衡法也存在其自身的局限性，其局限性主要體現(xiàn)在主要假設(shè)中的整體滑動(dòng)假設(shè)，以及不考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)與巖體之間的力學(xué)作用及變形關(guān)系。為解決此問(wèn)題，學(xué)者們使用數(shù)值方法彌補(bǔ)極限平衡法的不足。數(shù)值方法中以有限元法數(shù)值建模的方法被用于計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性問(wèn)題[5-6]。

通過(guò)對(duì)上述方法的探究，本文將使用極限平衡法對(duì)山西孟家窯礦地表邊坡的滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得出其安全系數(shù)，并通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)比低水位與高水位影響下的邊坡穩(wěn)定性。

1 地質(zhì)概況

山西孟家窯煤礦位于寧武縣鳳凰鎮(zhèn)杜莊-余莊鄉(xiāng)榆樹(shù)坪村一帶，距縣城9km，行政區(qū)劃隸屬寧武縣鳳凰鎮(zhèn)和余莊鄉(xiāng)管轄。井田地理位置：東經(jīng)112°11′17″～112°14′3″，北緯38°55′52″～38°59′51″；中心地理坐標(biāo)：東經(jīng)：112°12′56″，北緯：38°57′52″。

本區(qū)域地表水為恢河支流。根據(jù)含水層巖性及含水介質(zhì)特征，區(qū)域主要含水巖組有：碳酸鹽類巖溶裂隙含水巖組、碎屑巖類裂隙含水巖組、松散巖類孔隙含水巖組。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)和工程地質(zhì)鉆孔資料顯示，由于地質(zhì)構(gòu)造作用使得地層的層理發(fā)生變化，滑坡所在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造強(qiáng)烈，巖石較為破碎。該區(qū)域滑坡發(fā)育經(jīng)歷過(guò)多個(gè)階段，先是出現(xiàn)局部裂縫，其后裂縫逐漸貫通，形成滑坡周界。

2 計(jì)算分析

2.1 基本原理

為了解決滑坡地質(zhì)穩(wěn)定性問(wèn)題，本文采用極限平衡法進(jìn)行分析計(jì)算。

極限平衡法作為分析邊坡穩(wěn)定性的主要手段之一，該方法由諸多學(xué)者完善，得出不同原理下的分析方法，具體的主要分為：滑面、平衡條件以及條間力假設(shè)等[5]。不同理論的考慮因素如表1所示。

表1 不同原理極限平衡法對(duì)比

如表1所示，根據(jù)條件不同共有六種計(jì)算方法。本文選用的GeoStudio計(jì)算軟件中帶有表1中的四種極限平衡計(jì)算方法，運(yùn)用四種分別計(jì)算其輸出結(jié)果。根據(jù)軟件計(jì)算條件的要求，對(duì)滑坡做出一定的模型簡(jiǎn)化假設(shè)：（1）巖土為各向均質(zhì)體；（2）地下水為二流穩(wěn)定流，且不考慮地下水蒸發(fā)。

其中，計(jì)算河渠間潛水流為公式（1）：

式中：

h1、h2-水位高程，分別為滑坡斷面上的已知點(diǎn)的地下水位高程；

l、x-水平距離。

2.2 理論計(jì)算

假設(shè)滑坡滑面為泥砂巖，且將滑體與滑帶作為一個(gè)整體分析。計(jì)算所需巖土力學(xué)參數(shù)如表2所示。

根據(jù)上述給出的巖土力學(xué)參數(shù)，帶入計(jì)算軟件GeoStudio進(jìn)行計(jì)算，得出由表1中所示的前四種方法得出的安全系數(shù)與水位埋深隨著觀測(cè)日期的變化趨勢(shì)。其具體的變化趨勢(shì)如圖1所示。

表2 巖土力學(xué)參數(shù)

圖1 不同算法滑坡穩(wěn)定性安全系數(shù)統(tǒng)計(jì)

由圖1分析可以得出：1～9月為滑坡不穩(wěn)定或較失穩(wěn)狀態(tài)，5～8月安全系數(shù)起伏較大，10～12月安全系數(shù)趨于穩(wěn)定狀態(tài)。1～4月安全系數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，4～6月安全系數(shù)下降，滑坡失穩(wěn)發(fā)生幾率變大，分析原因可能為氣候降水引起水位上升導(dǎo)致滑坡。6～8月安全系數(shù)回升，9月有一定幅度下降，而后持續(xù)上升，邊坡穩(wěn)定。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

為分析孟家窯礦地表滑坡穩(wěn)定性問(wèn)題，運(yùn)用ABAQUS數(shù)值模擬軟件，基于摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則本構(gòu)建立ABAQUS數(shù)值模擬模型，模型的長(zhǎng)×寬×高=535.96m×50m×183.22m，其中地層分為4層，從上至下依次為風(fēng)化砂巖、泥巖、風(fēng)化泥巖以及砂巖。模型邊界條件為：模型前后以及左右兩側(cè)，即X軸、Y軸方向的位移限制為0；模型底部X、Y、Z方向上位移為0；邊坡臨空位置不設(shè)置約束。建立的數(shù)值模型最終形態(tài)如圖2所示。

圖2 邊坡數(shù)值模型

3.2 模擬計(jì)算及分析

在分析水位與安全系數(shù)之間的關(guān)系時(shí)，在全年的水位分布中，全年的最小水位即為最低水位狀態(tài)，即為圖2中的5月。反之，全年的最大水位即為最高水位狀態(tài)，即為圖2中的12月。

（1）低水位下數(shù)值模擬分析

低水位狀態(tài)下模型的位移以及等效塑性應(yīng)變形態(tài)如圖3所示。

圖3 低水位下模型位移及塑性應(yīng)變變化

如圖3所示，低水位下的工點(diǎn)6處的邊坡位移量小，且邊坡未處于塑性區(qū)內(nèi)，所以此處邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；工點(diǎn)10處的位移量為0.25mm，且位移多出現(xiàn)在坡腳位置。由此可以得出：工點(diǎn)6與工點(diǎn)10連線區(qū)域的平均位移量較小。工點(diǎn)12處的位移分布較為均勻，平均位移為0.15mm。由圖3（b）可得土體產(chǎn)生的塑性區(qū)主要集中在工點(diǎn)10與工點(diǎn)12之間，且塑性區(qū)的底部分布在地層的不整合接觸帶上。因此，由圖3綜合分析得出低水位下的滑坡基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）高水位下數(shù)值模擬分析

高水位狀態(tài)下的模型的位移以及等效塑性應(yīng)變形態(tài)如圖4所示。

圖4 高水位下位移及等效塑性應(yīng)變圖

由圖4高水位狀態(tài)下的位移及應(yīng)變分析可得：在工點(diǎn)6的區(qū)域內(nèi)巖體依舊較為穩(wěn)定，而在工點(diǎn)10及工點(diǎn)12處，其位移量有明顯增大，其位移的分布規(guī)律較低水位狀態(tài)下的相對(duì)一致。工點(diǎn)10處的位移量為0.85mm，工點(diǎn)12的位移量為0.43mm。由此可以看出工點(diǎn)10與工點(diǎn)12處的水位對(duì)滑坡的位移量的變化有著較為顯著的影響。

4 結(jié)論

（1）由極限平衡法分析得出圍巖滑坡不穩(wěn)定、時(shí)間長(zhǎng)，但其安全系數(shù)總體呈增漲趨向，邊坡總體趨于穩(wěn)定狀態(tài)，且穩(wěn)定性受水位影響較大。由ABAQUS數(shù)值模擬分析可得，水位過(guò)高時(shí)會(huì)出現(xiàn)臨滑狀態(tài)。

（2）數(shù)值模擬分析低水位及高水位的滑坡穩(wěn)定性，通過(guò)位移及塑性區(qū)范圍判斷，高水位時(shí)滑坡失穩(wěn)嚴(yán)重，且由數(shù)值模擬分析得出其位移及塑性區(qū)的增加主要集中在工點(diǎn)10至工點(diǎn)12之間，即為邊坡的中部，所以分析得出滑坡的產(chǎn)生主要集中在坡體中部位置。