巖土工程邊坡滑坡災(zāi)害穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及防治技術(shù)研究

摘 要：為探究巖土工程邊坡滑坡災(zāi)害穩(wěn)定性，以某巖土工程項(xiàng)目為例，對(duì)其開展研究。利用ABAQUS構(gòu)建巖土工程邊坡模型，設(shè)置模型中的物理力學(xué)參數(shù)，模擬不同工況下模型結(jié)構(gòu)變化情況。邊坡的水平位移變形量與地震動(dòng)載荷的強(qiáng)度呈直接正相關(guān)關(guān)系。說明在地震工況作用下，巖土工程邊坡滑坡災(zāi)害穩(wěn)定性弱，無法保證邊坡水平位移在合理范圍內(nèi)，對(duì)巖土工程安全性造成影響，可通過排水優(yōu)化、削方減重、邊坡支擋加固等技術(shù)進(jìn)行防治，提高邊坡穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：巖土工程；滑坡；評(píng)價(jià)；穩(wěn)定性；邊坡

中圖分類號(hào)：P 641 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

巖土工程邊坡滑坡災(zāi)害作為地質(zhì)災(zāi)害的重要類型之一，其頻發(fā)性和危害性對(duì)人類生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[1]。因此，深入研究巖土工程邊坡滑坡災(zāi)害的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及防治技術(shù)，對(duì)減少災(zāi)害損失、保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。穩(wěn)定性評(píng)價(jià)是滑坡防治工作的基礎(chǔ)，它涉及對(duì)邊坡巖土體物理力學(xué)性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、氣候條件及人類活動(dòng)因素的綜合分析。通過科學(xué)、合理的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，可以準(zhǔn)確判斷邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)，為后續(xù)的防治工作提供可靠依據(jù)[2]。同時(shí)，防治技術(shù)的研究與應(yīng)用也是減少滑坡災(zāi)害損失的關(guān)鍵。本文將以某巖土工程為例，開展巖土工程邊坡滑坡災(zāi)害穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及防治技術(shù)研究。

1 工程概況

在巖土工程項(xiàng)目涉及的區(qū)域內(nèi)，地形顯著特征為以NE-NS向?yàn)橹鞯纳矫}密布，同時(shí)溝壑深切，地勢(shì)陡峭，屬于典型的構(gòu)造斷塊剝蝕高中山地貌[3]。該區(qū)域地形切割強(qiáng)烈，深度為300m～1000m，最低侵蝕基準(zhǔn)面設(shè)定在海拔971m處，為區(qū)內(nèi)最低點(diǎn)。

研究河段主要呈峽谷景觀，河道形態(tài)狹窄，水流湍急，河床沿縱向的坡度變化較大，平均坡度約為0.75‰，部分區(qū)域甚至達(dá)到1.84‰，具有強(qiáng)烈的地勢(shì)落差與水流動(dòng)力特征。

該區(qū)域位于干熱河谷地帶，其氣候特征鮮明，具有季節(jié)性差異。具體來說，冬季與春季為干燥季節(jié)，降水量稀少，而蒸發(fā)作用強(qiáng)烈，導(dǎo)致環(huán)境干燥。相反，在夏季與秋季，進(jìn)入濕潤(rùn)季節(jié)，降雨量顯著增加，且常伴隨高強(qiáng)度的降雨事件，這主要?dú)w因于西南暖濕氣流的增強(qiáng)與影響[4]。工程項(xiàng)目所在地區(qū)的月降雨情況如圖1所示。

在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，靠近庫(kù)壩的溝谷底部因人為活動(dòng)而遭受了嚴(yán)重改造，植被破壞現(xiàn)象顯著，，大部分區(qū)域已被攀鋼尾礦填埋，對(duì)自然生態(tài)造成了顯著的影響[5]。

2 建立巖土工程邊坡模型

針對(duì)上述巖土工程項(xiàng)目，為減少三維模型計(jì)算量，在保留必要主題以及一定厚度基巖的情況下，將修改后的三維地質(zhì)模型導(dǎo)入ABAQUS中，并對(duì)其進(jìn)行有限元計(jì)算。通過運(yùn)用插值技術(shù)，可以估算單元組合體上未知的恒定函數(shù)值，并進(jìn)一步求解該函數(shù)在特定節(jié)點(diǎn)上的精確或近似值[6]。細(xì)化單元?jiǎng)澐帜軌蛴行嵘逯稻?，促使求解結(jié)果逼近理論上的精確值。有限元計(jì)算網(wǎng)格劃分示意圖如圖2所示。

假設(shè)多個(gè)不同形狀的滑動(dòng)面，計(jì)算各個(gè)面的安全系數(shù)，最后取最小安全系數(shù)對(duì)應(yīng)滑動(dòng)面作為邊坡滑坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，并將其安全系數(shù)值作為整個(gè)邊坡的安全系數(shù)，如公式（1）所示。

（1）

式中：FOS為安全系數(shù)；C為材料內(nèi)聚力；σ為滑動(dòng)面的正應(yīng)力；φ為內(nèi)摩擦角；d為材料的重度；A為滑動(dòng)面的面積；τ為剪切力。

材料內(nèi)聚力C與由正應(yīng)力σ通過內(nèi)摩擦角φ產(chǎn)生的摩擦力共同構(gòu)成了滑動(dòng)面上單位面積內(nèi)抵抗滑坡的合力。而τdA則直接體現(xiàn)了單位面積上沿滑動(dòng)面方向作用的剪切力。兩者的比值，即安全系數(shù)FOS，直觀反映了邊坡在當(dāng)前狀態(tài)下的滑坡抵抗能力[7]。

在此基礎(chǔ)上，分別通過一個(gè)折減系數(shù)SRF進(jìn)行折減。具體來說，原始的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角值將被2個(gè)新的、經(jīng)過折減的數(shù)值所替換分別為CR和φR，這2個(gè)新的數(shù)值將替代原先公式（2）和公式（3）中的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角值。

（2）

（3）

采用上述方法計(jì)算邊坡安全系數(shù)具備較高精度，并且計(jì)算得出的結(jié)果不僅可以反映邊坡的變形情況，而且可以實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)耦合，適用于各類更復(fù)雜工況。

為了確保模型在計(jì)算中的效率，同時(shí)兼顧精度，將巖土工程邊坡模型劃分為79000個(gè)網(wǎng)格，當(dāng)構(gòu)建針對(duì)排土場(chǎng)邊坡復(fù)雜形態(tài)進(jìn)行模擬的網(wǎng)格時(shí)，為優(yōu)化分析精度與效率，選用了四面體單元作為基本網(wǎng)格單元。針對(duì)模型的邊界條件設(shè)定：一是自由表面處理，將模型外層設(shè)為自由面，僅受重力。二是四周邊界法向約束，限制垂直位移，允許平面內(nèi)變形。三是底面全約束，固定底面所有節(jié)點(diǎn)位移，確保模型穩(wěn)定，便于分析排土場(chǎng)在外部荷載下的變形與穩(wěn)定性。

通過上述論述，選用四面體單元作為網(wǎng)格單元，合理設(shè)置模型的邊界條件，構(gòu)建一個(gè)既符合排土場(chǎng)實(shí)際情況又便于進(jìn)行數(shù)值模擬分析的模型，為后續(xù)的邊坡穩(wěn)定性評(píng)估、變形預(yù)測(cè)及治理方案設(shè)計(jì)提供有力支持。模型中各材料的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

棄渣體的斷裂參數(shù)為峰值強(qiáng)度為10kPa、斷裂能為3N/m、軟化類型為二次軟化。

3 邊坡滑坡災(zāi)害穩(wěn)定性計(jì)算

在成功配置模型參數(shù)后，深入分析了邊坡滑坡災(zāi)害的穩(wěn)定性，特別關(guān)注不同工況下的表現(xiàn)。首要步驟是在天然工況條件下進(jìn)行評(píng)估，即假設(shè)環(huán)境中無地震作用且棄渣體內(nèi)無水滲透。

在ABAQUS仿真環(huán)境中，規(guī)劃2個(gè)關(guān)鍵分析階段。第一階段聚焦重力平衡的達(dá)成，確保模型能夠準(zhǔn)確反映初始的應(yīng)力狀態(tài)。第二階段聚焦材料性能的逐步削弱，通過模擬材料參數(shù)的折減過程，觀察邊坡響應(yīng)的變化。隨著材料強(qiáng)度逐漸降低，邊坡變形顯著加劇，直至塑性區(qū)在特定位置完全貫通，標(biāo)志滑坡風(fēng)險(xiǎn)的臨界狀態(tài)。此過程中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)折減系數(shù)達(dá)到1.22時(shí)，滑動(dòng)面在道溝內(nèi)第一臺(tái)階處貫通，確認(rèn)滑坡發(fā)生的潛在路徑。

在本次模擬研究中，選用具有代表性的6.1級(jí)地震場(chǎng)景，并根據(jù)實(shí)際地區(qū)檢測(cè)的地震動(dòng)波形圖，通過精確縮放設(shè)計(jì)峰值加速度值，以確保模擬的震級(jí)與真實(shí)地震情況吻合?；谏鲜龅刭|(zhì)背景，在模擬中特意將地震波的入射方向設(shè)定為自南向北，以更貼近實(shí)際地震發(fā)生時(shí)地震波的傳播路徑。6.1級(jí)地震波波形如圖3所示。

在地震動(dòng)態(tài)模擬的精細(xì)構(gòu)建中，邊界條件的恰當(dāng)設(shè)定占據(jù)了舉足輕重的地位，特別是針對(duì)地震波在邊界可能引發(fā)的反射現(xiàn)象，其潛在干擾必須予以高度重視。由于計(jì)算資源的限制，有限元模型無法無限擴(kuò)展以徹底消除波的反射效應(yīng)。因此，在排土場(chǎng)主體邊界引入了六面體網(wǎng)格，并賦予其無限元單元（CIN3D8類型）屬性。

在施加地震荷載的步驟中，采取新的加載方式，即將模型的底部及四周邊界設(shè)定為隨地震波加速度變化的動(dòng)態(tài)邊界條件。

顯式動(dòng)力學(xué)分析流程的核心在于結(jié)合顯式積分算法與對(duì)角化質(zhì)量矩陣的高效協(xié)同運(yùn)作。在此框架下，物體的動(dòng)態(tài)行為遵循精心設(shè)計(jì)的顯式中心差分積分法則進(jìn)行數(shù)值積分，具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)如公式（4）所示。

（4）

式中：uN為一個(gè)自由度變量；i為一個(gè)顯式動(dòng)力學(xué)步中的增量編號(hào)；Δt為增量次數(shù)。

通過上述運(yùn)算，可以得到在地震工況下的邊坡滑坡災(zāi)害穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果。顯式中心差分法直接利用當(dāng)前步和前一步的信息來預(yù)測(cè)下一步，避免了隱式方法中需要求解非線性方程組的復(fù)雜性。在地震荷載作用下的邊坡滑坡問題中，由于地震波的傳播和反射等復(fù)雜現(xiàn)象，顯式方法能夠更準(zhǔn)確地模擬物體的動(dòng)態(tài)行為。此外，結(jié)合對(duì)角化質(zhì)量矩陣的高效協(xié)同運(yùn)作，可以進(jìn)一步提高計(jì)算效率，使大規(guī)模的動(dòng)力學(xué)問題得以快速求解。

4 巖土工程邊坡滑坡災(zāi)害穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分析

根據(jù)上述不同工況下的邊坡滑坡災(zāi)害穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，對(duì)巖土工程邊坡滑坡災(zāi)害穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，得出在不同頻率地震動(dòng)下各點(diǎn)相對(duì)基巖的水平位移，如圖4、圖5所示。

根據(jù)圖4和圖5的分析得出，在不同地震烈度下，排土場(chǎng)邊坡相對(duì)于基巖的水平位移具有顯著差異。具體來說，在輕微地震作用下，邊坡的水平位移范圍大致在20cm～40cm；而當(dāng)遭遇基本地震強(qiáng)度時(shí)，這一位移量顯著增加，擴(kuò)展至20cm～80cm。這一趨勢(shì)明確揭示了邊坡的水平位移變形量與地震動(dòng)載荷的強(qiáng)度呈直接正相關(guān)關(guān)系。隨著邊坡高度增加，其對(duì)地震動(dòng)的響應(yīng)變得更顯著，體現(xiàn)了高聳地形對(duì)地震波傳播具有放大作用，即所謂的“放大效應(yīng)”。

5 防治技術(shù)

基于巖土工程邊坡滑坡災(zāi)害的穩(wěn)定性評(píng)估結(jié)果，對(duì)巖土工程邊坡滑坡災(zāi)害進(jìn)行防治。當(dāng)應(yīng)對(duì)滑坡問題時(shí)，首要任務(wù)是深入剖析滑坡成因，清晰辨識(shí)并區(qū)分主要、次要因素以及內(nèi)部與外部誘因，進(jìn)而采取針對(duì)性強(qiáng)、科學(xué)合理的工程措施進(jìn)行治理。

5.1 排水優(yōu)化

鑒于水在滑坡形成與發(fā)展中的關(guān)鍵作用，實(shí)施有效排水是滑坡防治的基礎(chǔ)策略，旨在降低地下水位，減少水分對(duì)土體的不利影響。

5.2 削方減重

針對(duì)上部陡峭、下部平緩且滑面較淺的滑坡，可采取削方減重的措施，減少上部滑坡體的質(zhì)量，從而降低下滑力。

5.3 邊坡支擋加固

根據(jù)滑體推力大小，靈活選擇適宜的支擋結(jié)構(gòu)?？够瑯兑蚱鋵?duì)滑體擾動(dòng)小、施工簡(jiǎn)便、工期短且安全可靠而備受青睞；重力式抗滑擋土墻則憑借其自重穩(wěn)定性強(qiáng)、施工便捷、見效快的特點(diǎn)，成為另一種有效選擇。

5.4 預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)

針對(duì)危巖和巖質(zhì)陡坡，預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)提供了強(qiáng)有力的主動(dòng)支護(hù)，能夠顯著提升巖體和軟弱地帶的穩(wěn)定性。

5.5 土體改良

利用物理或化學(xué)方法改善滑坡土體的物理力學(xué)性質(zhì)，是增強(qiáng)滑坡穩(wěn)定性和加固效果的重要手段。

綜上所述，防治滑坡災(zāi)害需要綜合考慮多種措施，結(jié)合實(shí)際情況科學(xué)施策，以實(shí)現(xiàn)高效、經(jīng)濟(jì)的治理效果。

6 結(jié)語(yǔ)

本文深入探討了滑坡災(zāi)害的成因機(jī)制，總結(jié)了多種穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，并詳細(xì)分析了防治技術(shù)的具體應(yīng)用。這些研究成果為邊坡滑坡災(zāi)害的防治工作提供了重要的理論依據(jù)和技術(shù)支持。然而，地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生具有突發(fā)性和不確定性，需要不斷完善監(jiān)測(cè)預(yù)警體系，提高預(yù)警能力，因此，未來的研究應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)滑坡災(zāi)害的成因機(jī)制分析，探索更科學(xué)、更高效的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法和防治技術(shù)，提高防治工作的針對(duì)性和有效性。

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