基于極限平衡方法與蒙特卡洛可靠度分析法的邊坡穩定性研究
2012-04-29 00:00:00高鳳懷白逢義張志豪
中華建設科技 2012年2期
【摘 要】本文以某水庫庫區某邊坡工程為研究背景，以現場調研，室內外試驗，勘察成果等資料為研究基礎，利用極限平衡方法分析了坡體不同工況的穩定性；由可靠度指數、失穩概率等參數進一步判斷了邊坡的穩定狀態。極限平衡法是相對比較成熟的方法，在一定程度上能夠很好的判斷邊坡體狀態，并且計算簡便；可靠度分析可以進一步確定坡體狀態以及影響邊坡穩定的主要因素。
【關鍵詞】穩定性分析；極限平衡法；蒙特卡洛可靠度分析
Slope Stability Analysis Based on Limit Equilibrium Method and Monte-Carlo Method
Gao Feng-huai1，Bai Feng-yi 2，Zhang Zhi-hao1
(1.Geotechnical Engineering Company，East-China Survey Design＆Research Institute of China Qingdao Shandong 266071;
2.China Northern Engineering Technology Co.， ltd Anshan Liaoning 114002)
【Abstract】Taking a reservoir slope engineering background， with site investigation， indoor and outdoor tests ，and investigation achievements for the basic data， using the limit equilibrium method to analyze slope stability under different conditions; using the reliability index， instability parameters to further judge the slope stability . The limit equilibrium method is relatively mature method， to a certain extent， to very good judgment slope body state， and simple calculation; Reliability analysis can be further define the slope state and the main factors influencing slope stability.
【Key words】Stability analysis;Limit equilibrium analysis;Monte-Carlo method
1. 引言
邊坡是指地表面一切具有傾向臨空面的地質體，是廣泛分布于地表的一種地貌景觀，滑坡是邊坡失穩的主要形式之一。滑坡是僅次于地震的第二大地質災害，它能夠導致交通中斷，河道堵塞，建筑物傾斜甚至倒坍被掩埋，影響人們的正常生產生活和經濟建設等。正是由于滑坡的危害性和高發性促使了人類不斷去認知和研究它，在努力與滑坡進行斗爭的同時認識掌握滑坡滑動機理、不斷的完善邊坡穩定分析的方法、提出治理加固的有效手段、以及開展有針對性的滑坡監測和失穩預報工作。
本文利用極限平衡分析方法以安全系數量化的確定滑體局部穩定和整體的穩定狀態，并討論不同工況下的穩定性；并通過蒙特卡羅可靠度的分析方法與極限平衡法相結合，確定邊坡體的可靠度指標和失穩概率，對影響邊坡穩定的因素進行確定和分析。
2. 工程概況
某水庫庫區邊坡位于庫區壩址流沙河上游約800m，坡長為1700m，沿河寬約1000m，坡高近200m，坡度為15o～25o的超高陡坡。上世紀末邊坡已經出現過局部的變形破壞，現場觀測資料表明該邊坡有滑動的跡象，而且該區域有大量的泉點出露。由于該邊坡距離大壩較近，如果失穩必將威脅到水庫及壩體的安全，因此很有必要對該邊坡進行較系統的穩定性研究，并根據分析結果制定必要的處理方案。
3. 極限平衡法穩定性分析
3.1 計算分析及參數。
基于對邊坡體的規模形態特征、形成條件、成因機制、地質情況等綜合分析，滑動部分主要以第四紀土層和碎裂巖土體為主，可按圓弧法進行計算；同時，滑體也存在沿著第四紀土體與下伏三疊系巖體表面的不規則滑動面的滑動。因此，在局部滑動中主要考慮第四紀中的圓弧滑動，整體按不規則滑面考慮，計算jf 選用圓弧滑動的簡化Bishop法和基于任意滑面的Morgenstern Price法作為計算重點，用Janbu法對計算結果進行對比分析。各巖土本物理力學參數見表1。
3.2 結果與分析。
根據邊坡觀測資料、現場滑動跡象及裂縫情況分析，將滑動面確定為沿底部的含礫粉質粘土層與基巖接觸帶為滑動帶。邊坡滑動主要是沿后緣裂縫圓弧滑動，中段為沿基巖和軟弱層接觸帶不規則滑面滑動，底部為沿邊坡腳巖體和第四紀地層剪出破壞，前緣局部破壞主要是小滑塌槽向后拉裂縫處的進一步剪切破壞，因此分三種情況進行分析，結果見表1－表3：
情況1：整個邊坡碎裂體穩定性結果（從裂縫處作為滑體的后緣，前緣直達坡腳）。
情況2:前緣穩定性分析結果（主要考慮局部破壞的可能性）。
由以上結果可見，滑坡體無論是整體、前緣還是腰部至坡腳情況，現階段都處于極限不穩定狀態，應采取排水以及坡前壓腳等措施可提高邊坡的穩定性。
4. 蒙特卡洛法（Monte-Carlo）邊坡可靠度分析與敏感度分析
4.1 蒙特卡洛法（Monte-Carlo）可靠度分析原理。
蒙特卡洛方法回避了結構可靠度分析中的數學上困難，不管狀態函數是否非線性、隨機變量是否正態，只要模擬的次數足夠多，就可得到一個比較精確的失效概率和可靠指標。參數不確定性是巖土材料的極不均勻性決定的。其基本原理如下：有統計獨立的隨機變量Xi( i=1，2，3，……，k)，其對應的概率密度函數分別為fX1、 fX2 ……，fXk ，功能函數式為Z=g(x1、x2……xk )。首先根據各隨機變量的相應分布，產生N組隨機數X1，X2，……XK值，計算功能函數值Zi：Zi = g(x1、x2……Xk )，若其中有L組隨機數對應的功能函數值z≤0，則當N→∞時，根據伯努利大數及正態隨機變量的特性有：
4.2 Monte-Carlo法邊坡穩定性分析。
本工程的可靠度分析主要考慮土體參數的離散性尤其是c、值對邊坡穩定性安全系數的影響，通過蒙特卡洛法進行可靠度的分析。模擬次數為5000次。對邊坡整體穩定性結合極限平衡的Morgenstern Price法進行可靠度分析結果如表5。
在邊坡穩定性可靠度分析中，據失效概率Pf的大小，常把邊坡危險性程度分為三類：Pf>60%，為危險性高；Pf=30%～60 %，為危險性中等；Pf < 30%，為危險性低。把Pf<5%及Pf > 90%的邊坡分別稱為穩定邊坡和不穩定邊坡。從上述結果可見，現狀和暴雨情況均有失穩的可能性（失穩概率分別為65％和98％），而且暴雨情況下的失穩概率極高，因此很有必要對該邊坡進行防治工作，通過對壓腳和排水的結果分析，兩種方法是保證坡體穩定比較有效的方法。
5. 結論及建議
極限平衡法是邊坡穩定性分析方法中應用較廣泛的方法，該方法理論較成熟并易于掌握，計算簡便，本文利用極限平衡法對坡體的狀態進行了分析，確定了邊坡不同狀態以及不同部位的安全系數，通過計算結果分析認為該邊坡處于極限不穩定狀
態，同時根據蒙特卡羅可靠度分析也證明了這樣的分析結果，并認為土體尤其是滑動帶土體的值的變化對邊坡的穩定性影響較大。
參考文獻
［1］ 周青峰.邊坡穩定性可靠度分析［J］ 公路2003（9）.
［2］ 祝玉學. 邊坡可靠性分析［M］，冶金工業出版社，1993.
［3］ 王保田.多層土質邊坡抗滑穩定的可靠性分析［J］.河海大學學報，1994.
［4］ 王國體等.土坡穩定可靠度指標分析.合肥工業大學學報，2002，25(3).
［5］ 張欽禮.露天礦邊坡穩定性的數值模擬分析［J］.采礦技術，1994，(24)：6～8.
［6］ 崔政權，李寧.邊坡工程－理論與實踐最新發展［M］. 中國水利水電出版社，1999.
