基于極限平衡理論的坡體組合滑面分析

（文成縣水利局，浙江 文成 325300）

巖土質邊坡是一類復雜特殊的邊坡，不同于單一的土質邊坡或者巖質邊坡，在實際邊坡工程中，上部覆土、下部巖石、巖土交互的混合巖土質邊坡較為常見。巖土交互型邊坡常見于沉積巖層狀邊坡，其主要原因是裂隙水沿著層理面滲透，使一些較軟的巖層風化嚴重，出現了巖土互層的情況［1-3］。

在極限平衡法計算過程中，通常采用條分法計算（包括畢肖譜法、瑞典條分法等），然后多次迭代計算，搜索出最危險滑面，而搜索出的滑面多假定為圓弧形滑面，但在某些巖土交互型坡體中，如果搜索出的圓弧形滑面穿過下部弱風化巖體，這是不符合實際工程應用的［4-7］。

本文中所計算的邊坡為巖土交互型邊坡，邊坡的上部為一定厚度的黏性土，下部為順坡向的巖層或者巖土交界面，受到氣候和風化作用的影響，以及施工對邊坡底部擾動的影響，邊坡易發生滑移的風險，因此在施工前，需要對此類邊坡進行穩定性計算和支護分析，確保巖土體的穩定性和施工的安全性。

1 模型的建立及模型參數

以西南某大型水利樞紐為例，其溢洪道位于第四系全新統崩坡積層覆蓋層上，局部崩坡積層下伏第四系上更新統沖積層，覆蓋層以下為志留系下統小河壩組砂巖。第四系全新統崩坡積層主要為崩積、坡積的砂巖、粉砂巖塊（碎）石含黏土。土體中塊、碎石含量30%～60%，多呈次棱角狀，表層局部殘留少量河流沖積砂卵石、漂石，下部局部含有頁巖碎片組成的深灰色碎石土，土體結構較均勻，一般呈松散狀。邊坡的穩定與否將影響到溢洪道的運行穩定，因此，選取其中一處典型斷面進行分析。

該處坡體下部為巖體，巖體中有一處軟弱結構面，巖體上覆為黏土體。

圖1為所建立的邊坡簡化模型，坡高60m，坡角為30°，軟弱結構面傾角20°，貫通率100%。巖土體的相關參數，如表1。

圖1 邊坡典型斷面

表1 巖土體物理力學參數

2 坡體穩定性分析

2.1 圓弧形滑面

利用極限平衡法軟件Slide，對坡體進行穩定性分析，采用畢肖譜法計算得到圓弧形搜索時得到坡體最危險滑面的安全系數為1.098。極限平衡法計算分析如圖2。

圖2 圓弧形滑面搜索示意圖

2.2 組合滑面

通常情況下，在極限平衡法中如果對坡體采用圓弧形滑面進行搜索，尋找最危險滑面，則圓弧形滑面可能穿過下部基巖，而這種情況是不符合實際工程的，不應考慮這種破壞模式。在實際順層巖質邊坡工程中，坡體的破壞通常是沿著軟弱夾層的層面發生滑移破壞，如果對外部邊界的下邊緣進行限定，滑面在進行搜索過程中，將會考慮外部邊界及基巖等狀況，生成更為合理的組合型滑面?！敖M合滑面”能用于基巖滑面，通過使用“組合滑面”來完成一個與基巖形狀相同的圓弧面搜索，這些滑面將被分析且被視為有效的，假定這種滑面為圓弧形-線型-圓弧形滑面組合形式，滑面組合形式如圖3。

圖3 組合滑面示意圖

利用Slide極限平衡法軟件，對該邊坡采用組合滑面形式進行分析，處理方法是將底部邊界限定為軟弱夾層的下層面，采用畢肖譜法計算得到組合滑面搜索時得到坡體最危險滑面的安全系數為1.090。極限平衡法計算如圖4。

圖4 組合滑面搜索示意圖

2.3 非圓弧形滑面搜索

在坡體極限平衡法分析中，如果將滑體分為幾個典型塊體，則這幾個塊體可以看做是由 “主動塊體”“中間塊體”和“被動塊體”組成，如圖5。對于具有既窄又薄的軟弱層來說，因為滑動面基本是沿著軟弱夾層面發生滑動，因此對滑動面適合運用“分塊搜索”。

圖5 主動塊體、中間塊體及被動塊體

利用Slide進行“分塊搜索”時，如果對滑面進入軟弱夾層中的“投射角”進行限定，則采用“分塊搜索”時滑面總是在一條線上生成兩點，滑面出現在多線的兩個點之間。在一般情況下，當一個“分塊搜索”由多條線段組成時，這時容易定義一個沿著不規則（非線性）軟弱層的“分塊搜索”。

利用Silde軟件計算時，固定投射角計算，得到坡體安全系數為1.077，如圖6。利用Silde軟件計算時不固定投射角計算，得到坡體安全系數為1.056，如圖7。

圖6 固定投射角塊體搜索計算示意圖

圖7 不固定投射角塊體搜索計算示意圖

從計算結果可以看出，當對投射角固定時，坡體安全系數要比不固定投射角時的計算結果大，通常情況下，對于坡體的滑出方向是未知的，對于坡體滑面不確定時，理應采取不固定投射角法進行計算。

2.4 計算結果分析

對坡體計算采用不同滑面，利用畢肖譜法計算的整體最小安全系數如表2。

表2 整體最小安全系數

表2結果表明，坡體采用圓弧形搜索整體最小安全系數時，其計算得到的安全系數最大；采用塊體搜索中的不固定投射角非圓弧形搜索時，計算得到的安全系數最小。根據實際工程中帶軟弱夾層的邊坡失穩模型來看，許多坡體的失穩都是沿著軟弱夾層發生滑動，不管采用塊體搜索還是組合型搜索，其滑面都是沿著軟弱夾層發生滑移破壞。

3 坡體敏感性分析

坡體穩定性分析結果表明，塊體采用不同滑面搜素時，利用平衡法計算得到的坡體安全系數不同。由于巖土體的離散性太大，而巖土體取值也具有很大的主觀性，當采用不同的滑面進行穩定性分析時，需要對巖土體的參數進行考慮。敏感性分析參數如表3。

表3 敏感性分析參數

對于該順層滑坡，因軟弱夾層的抗剪強度參數較低，根據現場實際情況，該坡體的滑面為軟弱夾層，因此利用Slide軟件對軟弱夾層進行敏感性分析，將容重、黏聚力和內摩擦角作為變量，分析參數變化對坡體穩定性的影響，如圖8～圖11。

圖8 圓弧形滑面敏感性分析

圖9 組合滑面敏感性分析

圖10 固定投射角塊體搜索敏感性分析

圖11 不固定投射角塊體搜索敏感性分析

從圖8～圖11的敏感性分析結果可以得到，內摩擦角對坡體穩定性影響最大，其次是黏聚力，容重變化對坡體穩定性影響最小。從計算結果整體分析，當坡體參數發生變化，采用不同滑面搜索，參數變化對坡體穩定性的敏感度也不一樣，從大到小依次為：圓弧形＞組合型＞固定投射角非圓弧形塊體搜索＞不固定投射角圓弧形塊體搜索。

4 結語

（1）利用極限平衡法軟件Slide對含有軟弱夾層的坡體進行穩定性分析。

（2）采用多種不同的滑面形式進行搜索，對比分析坡體不同滑面形式的安全系數變化，并對不同滑面情況下的坡體進行敏感性分析。

（3）采用不同滑面搜索時，計算得到的坡體安全系數從大到小依次為：圓弧形>組合型>固定投射角非圓弧形塊體搜索>不固定投射角圓弧形塊體搜索。

（4）進行敏感性分析時，坡體物理力學參數對坡體的影響程度從大到小依次為：內摩擦角>黏聚力>容重，進行不同滑面搜索時敏感度大小依次為圓弧形>組合型>固定投射角非圓弧形塊體搜索>不固定投射角圓弧形塊體搜索。

（5）在實際工程中，不同類型的坡體，應根據實際巖土體的結構來選擇合適的滑面進行搜索，最終得到合理的安全系數。

參考文獻：

［1］劉明維，鄭穎人.基于有限元強度折減法確定滑坡多滑動面方法［J］.巖石力學與工程學報，2006，25（8）：1544-1549.

［2］陳從新，黃平路，盧增木.巖層傾角影響順層巖石邊坡穩定性的模型試驗研究［J］.巖土力學學報，2007，28（3）：476-481.

［3］肖志勇，鄧華鋒，李建林.庫水位間歇性下降對堆積體滑坡穩定性的影響［J］.長江科學院院報，2016，33（8）：114-119.

［4］李偉，肖蓉，吳禮舟.巖質邊坡中結構面上水壓分布假設的改進研究［J］.巖石力學與工程學報，2017，36（3）：0599-0608.

［5］張金平.考慮強降雨影響的路塹邊坡穩定性分析［J］.公路，2007，2（2）：0054-0058.

［6］張俊，殷坤龍，王佳佳.三峽庫區萬州區滑坡災害易發性評價研究［J］.巖石力學與工程學報，2016，35（2）：0284-0297.

［7］姚環，鄭振，簡文彬，等.公路巖質高邊坡穩定性的綜合評價研究［J］.巖土工程學報，2006，28（5）：558-563.

［8］GB50330—2013，建筑邊坡工程技術規范［S］.