庫區邊坡穩定性及滑坡分析

殷杏元

（赫章縣水務局， 貴州 赫章 553200）

隨著我國經濟的迅速發展， 水電站的建設也飛速發展起來，其發展是符合我國國情的，能給周邊區域的經濟提供支撐， 因此水電站的建設常常被當地當作重點項目建設。隨著水電站的發展，其安全問題也需要引起重視。 因各種問題導致的庫岸邊坡失穩的案例數不勝數，因此對庫岸邊坡穩定性問題的研究也一直是重點。

國內外專家對庫區邊坡穩定性及滑坡問題做了一系列研究，并取得了豐碩的科研成果［1-3］。魯濤［4］利用有限元軟件建立三維模型， 對三峽庫區某邊坡進行數值模擬，總結了庫岸邊坡的變形規律，并對含水率、降雨等敏感因素進行分析；殷躍平［5］基于三峽庫區邊坡，通過ABAQUS有限元軟件進行邊坡模擬，對庫岸邊坡的穩定性進行了評價， 并對其失穩模式進行深入的研究；劉厚成［6］同樣基于三峽庫區邊坡工程，對其蓄水運行過程進行有限元模擬，通過對邊坡的變形及應力分析，研究了庫岸邊坡穩定性演化規律；張麗娟等［7］對某實際庫岸邊坡進行數值模擬，通過對水庫水位變化引起的路基應力的分析， 研究了庫水動態對沿岸路基應力的影響；劉才華等［8］基于大型三維數值軟件， 對庫水位上升引起的邊坡變形和應力變化， 研究了水庫水位升降影響下庫岸裂隙巖體滲流特性。本文基于某庫岸邊坡工程，對邊坡變形和穩定性進行分析。 本工程所得結論對于今后類似工程具有重要的參考和借鑒價值。

1 工程概況

研究區概況如圖1。

圖1 研究區概況圖

1.1 地質條件

經調研研究查明，研究區場地巖土主要由第四系全新統人工填土 （）、 第四系全新統沖洪積層（）和下伏侏羅系中統沙溪廟組基巖（）組成。

1.2 水文條件

據該區氣象站多年氣象資料統計， 區內多年平均降雨量為941.8mm，且多集中在5—9月，占全年的84.38%。而根據1971年以來氣象資料統計，降雨最多年份出現在1981年，降雨量達1587.2mm，最少年份出現在1997年，降雨量只有666.4mm。

2 基于剛體極限平衡法邊坡穩定性分析

2.1 計算方法及原理

如圖2，取第i條土塊進行受力分析，其高為hi，寬為bi，底部傾角為ai，長為li，土體容重為γi，R為該滑動面圓弧的半徑。

圖2 瑞典條分法

由能量準則，得滑動面AB上的剪切強度為：

式中 τ為滑動面上的切向應力；σ為滑動面上的法向應力；m為應力狀態和材料性質相關因子。

其中，邊坡穩定安全系數Fs滿足如下關系式：

式中 τ為整個圓弧滑動面上的平均切向應力；τs為整個滑動面上的平均抗剪強度；Fs為邊坡穩定安全系數。

因此，進一步得到土條底部的切向阻力Ti的大小：

通過把能量強度判據式（1）代入式（3），可得：

取土條底部法向平衡，可得：

對土條圓心O取矩，由力矩平衡關系可得：

如圖2所示，由幾何關系可知：xi=R1sinαi，其中xi為土條中心線到圓心O的水平距離。

將式（4）和式（5）代入式（6），整理化簡后得：

計算過程中，沿厚度方向取單位厚度，可得：

將式（8）代入式（7），可得：

若需要考慮地下水的影響， 則利用類似的方法可以推導得：

在不考慮地下水影響時，式（7）或式（9）為將能量準則引入邊坡穩定安全系數計算的表達式。 當研究考慮地下水影響時，式（10）或式（11）為此情況下邊坡穩定安全系數表達式。

2.2 計算方案

根據地質資料，本文分別選取了K23+050～K23+100和K23+200～K23+250里程處的1-1′和2-2′工程地質橫剖面作為研究對象，如圖3和圖4，采用折線公式對每一滑塊的各層潛在滑動面進行穩定系數及下滑推力計算，滑帶土土性參數根據剖面柱狀圖，并采用室內試驗和廣元市附近類似土體進行對比，得到1-1′天然抗剪強度標準值：c=13.20kPa、φ=18.0°，飽和抗剪強度標準值c=10.30kPa、φ=14.50°。 而2-2′滑帶附近角礫含量較多， 因此2-2′剖面飽和抗剪強度標準值為c=10.50kPa、φ=15.60°。

圖3 1-1′剖面開挖后可能發生滑動的滑面計算

圖4 2-2′剖面開挖后可能發生滑動的滑面計算

2.3 計算結果及分析

通過斜坡堆積體穩定性驗算及推力計算， 根據DZ/T 32864—2016《滑坡防治工程勘查規范》確定評價標準，如表1，計算成果匯總如表2。 由以上滑坡體穩定系數計算結果可知： 滑坡體在考慮暴雨或強降雨影響時，滑坡體穩定性狀態為不穩定。 據此分析，滑坡體在持續暴雨或強降雨條件下， 存在進一步向下滑動的極大可能。

表1 滑坡穩定狀態分級

表2 經驗值穩定性驗算及推力計算成果匯總

3 基于有限元邊坡穩定性研究

3.1 有限元模型的建立

根據研究區勘察資料， 以勘探報告為依托建立計算模型，該模型的寬450m（Y）、長700m（X）、高200m，所建模型如圖5。 對X、Y方向設置水平向的約束，對Z方向的底部設置固定約束。 本節邊坡三維模型共劃分網格單元111459個，節點165726個。

圖5 模型示意圖

3.2 計算參數

根據人工邊坡的勘察報告所提供的巖土體物理力學參數， 天然工況下含塊石粉質黏土含水率取20%，計算參數如表3。 暴雨工況下含塊石粉質黏土含水率取35%，計算參數如表4。

表3 天然工況下計算參數

表4 暴雨工況下計算參數

3.3 數值結果及分析

3.3.1 天然工況分析

從圖6中可見，坡體水平和豎向位移的量值在一定程度上反映出該邊坡的現狀變形特征， 庫岸邊坡的前緣與邊坡中部的位移比較大， 公路上部邊坡土體的水平位移呈現遠離邊坡的趨勢， 主要變形發生在公路附近的土體，水平位移最大為4.7cm。 邊坡豎向位移主要發生在邊坡下半部分， 該部分豎向位移向上，最大位移為4.5cm。

圖6 天然工況下邊坡的位移云圖

可見土體飽和工況下，邊坡變形顯著，說明邊坡強度儲備不足，邊坡穩定性顯著降低。

通過PLAXIS3D有限元軟件計算，可以明顯確定出邊坡潛在滑動面的位置， 即邊坡發生滑動破壞的剪切帶或位移突變的地方，如圖7，天然邊坡地潛在滑動面自開挖坡頂后方一定距離處剪入， 以接近較大半徑圓弧的形狀斜向下延伸， 并從邊坡中部的開挖臺階處剪出，滑坡體厚度不大，滑體主要為上覆的碎塊石混粉質黏土，滑帶為強風化泥巖層，從圖中的網格劃分的土層分布清晰可見潛在滑體的范圍及滑動方向。同時，基于有限元強度折減法計算得到該邊坡的安全系數為1.18，庫岸邊坡整體處于穩定狀態，且安全系數在極限平衡法所得1.17～1.23安全系數之間，兩者基本吻合。

圖7 天然工況下邊坡的潛在滑移帶

3.3.2 暴雨工況分析

圖8給出了暴雨工況下庫岸邊坡的水平和豎向位移云圖。圖中可以看出，暴雨工況下庫岸邊坡的水平和豎向位移變形更大， 最大水平位移約為7.5cm，約為天然工況下的1.6倍， 最大豎向位移為8.1cm，約為天然工況下的1.8倍。 可見暴雨作用下土體飽和后，邊坡變形顯著增大，說明邊坡強度儲備不足，邊坡穩定性顯著降低。

圖8 暴雨工況下邊坡的位移云圖

圖9給出了暴雨工況下邊坡的潛在滑移帶。圖中可見，邊坡的潛在滑動面的范圍逐漸增加，在橫向、縱向兩個方向均有擴展， 邊坡的潛在滑動面自邊坡邊界處剪入，以更大半徑圓弧的形狀斜向下延伸，滑坡體厚度大，易形成大型滑坡風險。基于有限元強度折減法計算得到該邊坡的安全系數為0.645，庫岸邊坡整體處于不穩定狀態， 同樣安全系數在極限平衡法所得0.639～0.698安全系數之間。

圖9 暴雨工況下邊坡的潛在滑移帶

4 結語

（1）基于剛體極限平衡法可知，邊坡在天然工況下處于穩定狀態，但在考慮暴雨或強降雨影響后，滑坡體穩定性狀態為不穩定，存在進一步向下滑坡的風險。

（2）暴雨工況下土體含水率增大，導致邊坡變形增大近一倍。 且強降雨后邊坡滑動面的范圍顯著增大，庫岸邊坡穩定性安全系數僅為0.645，庫岸邊坡整體處于不穩定狀態。