Slide和Geo-Slope在土質邊坡中的應用

曾 理，許戰軍，屈 潔

（中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065）

0 前言

Slide是一個用于評價土質或巖質邊坡沿圓形或非圓形滑裂面失穩的計算軟件。該軟件采用的極限平衡理論，操作簡單，運算速度快，可以建立復雜模型。計算中可以考慮外荷載、地下水以及支護措施。

SLOPE/W是巖土工程分析軟件GeoStudio的一個模塊（簡稱Geo-Slope）。它既能采用極限平衡理論，對邊坡進行穩定性分析、失效概率分析和參數敏感性分析；還可以采用有限元方法計算分析大部分邊坡的穩定性。

為了驗證這兩款軟件計算土質邊坡穩定的可靠性，本文選取了理論解驗證和澳大利亞計算機應用協會（ACADS）邊坡穩定分析經典考題驗證[1]，經典考題包括均質土坡、非均質土坡和均質土坡+水3個考題算例，通過與考題裁判解對比，判斷兩種軟件的可靠性。

1 軟件驗證

1.1 理論解驗證

設砂土粘聚力c=0，內摩擦角φ=30°，邊坡滑面為一單直線滑面，與水平面的夾角為β，則根據土力學平衡條件，該邊坡穩定安全系數的理論解應為 tgφ/tgβ。指定 β=15°、30°、45°，將兩款軟件計算得出的安全系數與理論解進行對比，結果見表1。

表1 軟件計算所得安全系數與裁判值對比表

1.2 均質土坡

均質土坡材料參數為：容重γ=20 kN/m3，粘聚力c=3.0 kN/m3，內摩擦角φ=19.6°，邊坡形狀如圖1所示。

圖1 均質土坡考題輪廓圖

將兩款軟件計算得出的安全系數與裁判值進行比較，結果見表2。

表2 軟件計算所得安全系數與裁判值對比表

1.3 非均質土坡

非均質土坡材料特性如表3。邊坡形狀如圖2。

圖2 非均質土坡考題輪廓圖

將兩款軟件計算得出的安全系數與裁判值進行比較，結果見表4。

表4 軟件計算所得安全系數與裁判值對比表

1.4 均質土坡+地下水

均質土坡材料參數為：容重γ=20 kN/m3，粘聚力c=11 kN/m3，內摩擦角φ=28°，邊坡形狀如圖3所示。

圖3 均質土坡+地下水考題輪廓圖

將兩款軟件計算得出的安全系數與裁判值進行比較，結果見表5。

表5 軟件計算所得安全系數與裁判值對比表

1.5 小結

對Slide和Geo-Slope這兩款軟件都進行驗證計算，驗證考題包括理論解驗證、均質土坡、非均質土坡以及均質土坡+水，其計算結果與考題結果基本一致，Slide相對于Geo-Slope誤差稍大，但不影響結果的正確性。總之，這兩款軟件操作簡單，計算效率高，計算結果可靠可信。

2 工程實例

2.1 計算條件

老撾南湃水電站為高水頭、長引水式電站，電站額定水頭700m，總裝機容量86 MW。擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，壩高93 m，工程規模為二等大（2）型工程。設計地震動峰值加速度為 0.071 g[2]。

老撾南湃水電站左壩肩開挖邊坡風化強烈，無明顯斷層、裂隙等不利結構面組合。選取左壩肩開挖邊坡典型剖面，分析計算該邊坡的穩定性。

邊坡典型剖面模型見圖4，邊坡巖體物理力學參數見表6。

圖4 邊坡典型剖面模型

表6 邊坡巖體物理力學參數表

3.2 計算結果

左壩肩開挖邊坡典型剖面在各工況下的穩定安全系數見表7。

表7 左壩肩開挖邊坡典型剖面穩定安全系數(簡化畢肖普法）

2.3 小結

現今老撾南湃水電站已蓄水發電，截止到目前為止，左壩肩開挖邊坡都是穩定的，表明了本文計算結果的正確性。

3 軟件使用總結

3.1 軟件選取

Slide軟件上手簡單、操作簡便，作為邊坡穩定計算初學者可以優先采用。Geo-Slope軟件界面相對復雜，但是相應的Geo-Slope功能也更為強大，其作為Geo-Studio眾多模塊中的一個模塊，突出優點就是耦合分析，Geo-Studio的所有模塊都可以在同一環境下運行，各模塊之間的計算結果可以互相引用，從而做到滲流場、應力場、變形場三場耦合，從而更加真實的模擬邊坡穩定分析過程，比如降雨入滲影響下的土質邊坡穩定性。但是Geo-Slope主要是用來計算土質邊坡，對于巖質邊坡有其局限性，故對于沿結構面滑動的巖質邊坡應優先采用Slide。

3.2 土體容重選取

水位以上和水位以下定義不同的土體容重對于邊坡穩定安全系數的影響是非常小的。首先，土體容重主要跟土壤的含水率相關，但是一般土的飽和容重和天然容重相比差距很小，從邊坡穩定計算分析來看，是可以忽略的；其次，滑塊的重力可以分解為沿著滑動面的下滑力和法向壓力，當滑塊的重量增大時，會導致下滑力和滑動面的法向壓力均增大，抗滑力也會隨之增大。故土體容重對安全系數的影響不敏感。

3.3 水位以下土體抗剪強度參數折減

土體的剪應力只能由土骨架來承擔，因為土體中的孔隙水不能承受剪應力但能承受壓力。由于孔隙水壓力沿各個方向都相等，不會使土骨架產生變形，因此土的抗剪強度并不取決于剪切面上的總法向應力σ，而取決于該面上的有效法向應力σ'。因此，土的抗剪強度有兩種表示方法，一種是用總應力σ表示，稱為總應力法；另一種是用有效法向應力σ'（等于σ-μ）表示，稱為有效應力法[3]。

式中：c'、φ'為分別為土的有效粘聚力（kPa)和有效內摩擦角（度）；c、φ為分別為總應力表示的土的粘聚力（kPa)和內摩擦角（度）；σn、σ'n為分別為剪切面上的總法向應力和有效法向應力，kPa；μ 為孔隙水壓力，kPa。

一般情況下 σn≠σ'n，得到的 c、φ 與 c'、φ'必然有所不同，這是由于孔隙水壓力造成的。根據有效應力原理，同種土的抗剪強度參數c'和φ'是定值，因此和才是真正的抗剪強度參數。

有效應力抗剪強度參數與總應力抗剪強度參數不能混用，應該分別與有效應力法和總應力法相對應[4]。Slide和Geo-Slope這兩款軟件均對參數c和φ沒有區別設置，用戶應該從計算原理上，即是否已經定義了孔隙水壓力來區別軟件計算采用的是有效應力法還是總應力法[5]。對于穩定滲流且已定義了地下水位線時，應該輸入有效應力參數，軟件計算得到有效應力法的結果。

由上式可以得出，在地下水位線以下，正的孔隙水壓力降低了有效應力，從而降低了土體的抗剪強度，這點計算軟件已考慮，所以計算時再人為的折減有效抗剪強度參數值得商榷。

4 結語

Slide和Geo-Slope是兩款常用的邊坡穩定分析軟件，本文通過理論解驗證以及均質土坡、非均質土坡和均質土坡+水3個考題算例驗證了其可靠性和準確性。并將這兩款軟件應用于老撾南湃水電站左壩肩邊坡穩定計算分析，其計算結果對邊坡開挖支護設計具有指導作用。最后將這兩款軟件在使用中遇到的問題進行了簡單總結，得到的主要結論如下：

（1）Slide上手簡單、操作簡便，但是Geo-Slope功能更為強大。

（2）邊坡穩定安全系數對于土體容重取飽和容重或天然容重的影響不敏感。

（3）在邊坡穩定計算中，將地下水位線以下土體的有效抗剪強度參數進行人為的折減是值得商榷的。

[1]彭良泉.對ACADS邊坡穩定分析考核題的探討[J].第三屆全國巖土與工程學術大會論文集,2009.

[2]老撾南湃水電站基本設計報告[R].中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司.

[3]黨進謙，李法虎.土力學[M].北京：中國水利水電出版社,2013.

[4]陳娟.有效應力強度指標與總應力強度指標的關系[J].巖土力學,2011,32(2):471-473.

[5]陳振民.SLOPE/W軟件總應力法和有效應力法的應用[J].水運工程,2009(7):107-117.