巖土工程邊坡滑坡災害穩定性評價及防治技術研究

摘 要：為探究巖土工程邊坡滑坡災害穩定性，以某巖土工程項目為例，對其開展研究。利用ABAQUS構建巖土工程邊坡模型，設置模型中的物理力學參數，模擬不同工況下模型結構變化情況。邊坡的水平位移變形量與地震動載荷的強度呈直接正相關關系。說明在地震工況作用下，巖土工程邊坡滑坡災害穩定性弱，無法保證邊坡水平位移在合理范圍內，對巖土工程安全性造成影響，可通過排水優化、削方減重、邊坡支擋加固等技術進行防治，提高邊坡穩定性。

關鍵詞：巖土工程；滑坡；評價；穩定性；邊坡

中圖分類號：P 641 " 文獻標志碼：A

巖土工程邊坡滑坡災害作為地質災害的重要類型之一，其頻發性和危害性對人類生命財產安全構成了嚴重威脅[1]。因此，深入研究巖土工程邊坡滑坡災害的穩定性評價及防治技術，對減少災害損失、保障人民生命財產安全具有重要意義。穩定性評價是滑坡防治工作的基礎，它涉及對邊坡巖土體物理力學性質、地質構造、水文地質條件、氣候條件及人類活動因素的綜合分析。通過科學、合理的穩定性評價方法，可以準確判斷邊坡的穩定狀態，為后續的防治工作提供可靠依據[2]。同時，防治技術的研究與應用也是減少滑坡災害損失的關鍵。本文將以某巖土工程為例，開展巖土工程邊坡滑坡災害穩定性評價及防治技術研究。

1 工程概況

在巖土工程項目涉及的區域內，地形顯著特征為以NE-NS向為主的山脈密布，同時溝壑深切，地勢陡峭，屬于典型的構造斷塊剝蝕高中山地貌[3]。該區域地形切割強烈，深度為300m～1000m，最低侵蝕基準面設定在海拔971m處，為區內最低點。

研究河段主要呈峽谷景觀，河道形態狹窄，水流湍急，河床沿縱向的坡度變化較大，平均坡度約為0.75‰，部分區域甚至達到1.84‰，具有強烈的地勢落差與水流動力特征。

該區域位于干熱河谷地帶，其氣候特征鮮明，具有季節性差異。具體來說，冬季與春季為干燥季節，降水量稀少，而蒸發作用強烈，導致環境干燥。相反，在夏季與秋季，進入濕潤季節，降雨量顯著增加，且常伴隨高強度的降雨事件，這主要歸因于西南暖濕氣流的增強與影響[4]。工程項目所在地區的月降雨情況如圖1所示。

在現場調研中發現，靠近庫壩的溝谷底部因人為活動而遭受了嚴重改造，植被破壞現象顯著，，大部分區域已被攀鋼尾礦填埋，對自然生態造成了顯著的影響[5]。

2 建立巖土工程邊坡模型

針對上述巖土工程項目，為減少三維模型計算量，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模型導入ABAQUS中，并對其進行有限元計算。通過運用插值技術，可以估算單元組合體上未知的恒定函數值，并進一步求解該函數在特定節點上的精確或近似值[6]。細化單元劃分能夠有效提升插值精度，促使求解結果逼近理論上的精確值。有限元計算網格劃分示意圖如圖2所示。

假設多個不同形狀的滑動面，計算各個面的安全系數，最后取最小安全系數對應滑動面作為邊坡滑坡最危險滑動面，并將其安全系數值作為整個邊坡的安全系數，如公式（1）所示。

（1）

式中：FOS為安全系數；C為材料內聚力；σ為滑動面的正應力；φ為內摩擦角；d為材料的重度；A為滑動面的面積；τ為剪切力。

材料內聚力C與由正應力σ通過內摩擦角φ產生的摩擦力共同構成了滑動面上單位面積內抵抗滑坡的合力。而τdA則直接體現了單位面積上沿滑動面方向作用的剪切力。兩者的比值，即安全系數FOS，直觀反映了邊坡在當前狀態下的滑坡抵抗能力[7]。

在此基礎上，分別通過一個折減系數SRF進行折減。具體來說，原始的內聚力和內摩擦角值將被2個新的、經過折減的數值所替換分別為CR和φR，這2個新的數值將替代原先公式（2）和公式（3）中的內聚力和內摩擦角值。

（2）

（3）

采用上述方法計算邊坡安全系數具備較高精度，并且計算得出的結果不僅可以反映邊坡的變形情況，而且可以實現多場耦合，適用于各類更復雜工況。

為了確保模型在計算中的效率，同時兼顧精度，將巖土工程邊坡模型劃分為79000個網格，當構建針對排土場邊坡復雜形態進行模擬的網格時，為優化分析精度與效率，選用了四面體單元作為基本網格單元。針對模型的邊界條件設定：一是自由表面處理，將模型外層設為自由面，僅受重力。二是四周邊界法向約束，限制垂直位移，允許平面內變形。三是底面全約束，固定底面所有節點位移，確保模型穩定，便于分析排土場在外部荷載下的變形與穩定性。

通過上述論述，選用四面體單元作為網格單元，合理設置模型的邊界條件，構建一個既符合排土場實際情況又便于進行數值模擬分析的模型，為后續的邊坡穩定性評估、變形預測及治理方案設計提供有力支持。模型中各材料的物理力學參數見表1。

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

3 邊坡滑坡災害穩定性計算

在成功配置模型參數后，深入分析了邊坡滑坡災害的穩定性，特別關注不同工況下的表現。首要步驟是在天然工況條件下進行評估，即假設環境中無地震作用且棄渣體內無水滲透。

在ABAQUS仿真環境中，規劃2個關鍵分析階段。第一階段聚焦重力平衡的達成，確保模型能夠準確反映初始的應力狀態。第二階段聚焦材料性能的逐步削弱，通過模擬材料參數的折減過程，觀察邊坡響應的變化。隨著材料強度逐漸降低，邊坡變形顯著加劇，直至塑性區在特定位置完全貫通，標志滑坡風險的臨界狀態。此過程中，發現當折減系數達到1.22時，滑動面在道溝內第一臺階處貫通，確認滑坡發生的潛在路徑。

在本次模擬研究中，選用具有代表性的6.1級地震場景，并根據實際地區檢測的地震動波形圖，通過精確縮放設計峰值加速度值，以確保模擬的震級與真實地震情況吻合。基于上述地質背景，在模擬中特意將地震波的入射方向設定為自南向北，以更貼近實際地震發生時地震波的傳播路徑。6.1級地震波波形如圖3所示。

在地震動態模擬的精細構建中，邊界條件的恰當設定占據了舉足輕重的地位，特別是針對地震波在邊界可能引發的反射現象，其潛在干擾必須予以高度重視。由于計算資源的限制，有限元模型無法無限擴展以徹底消除波的反射效應。因此，在排土場主體邊界引入了六面體網格，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定為隨地震波加速度變化的動態邊界條件。

顯式動力學分析流程的核心在于結合顯式積分算法與對角化質量矩陣的高效協同運作。在此框架下，物體的動態行為遵循精心設計的顯式中心差分積分法則進行數值積分，具體實現細節如公式（4）所示。

（4）

式中：uN為一個自由度變量；i為一個顯式動力學步中的增量編號；Δt為增量次數。

通過上述運算，可以得到在地震工況下的邊坡滑坡災害穩定性計算結果。顯式中心差分法直接利用當前步和前一步的信息來預測下一步，避免了隱式方法中需要求解非線性方程組的復雜性。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雜現象，顯式方法能夠更準確地模擬物體的動態行為。此外，結合對角化質量矩陣的高效協同運作，可以進一步提高計算效率，使大規模的動力學問題得以快速求解。

4 巖土工程邊坡滑坡災害穩定性評價分析

根據上述不同工況下的邊坡滑坡災害穩定性計算結果，對巖土工程邊坡滑坡災害穩定性進行評價和分析。根據上述計算結果，得出在不同頻率地震動下各點相對基巖的水平位移，如圖4、圖5所示。

根據圖4和圖5的分析得出，在不同地震烈度下，排土場邊坡相對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；而當遭遇基本地震強度時，這一位移量顯著增加，擴展至20cm～80cm。這一趨勢明確揭示了邊坡的水平位移變形量與地震動載荷的強度呈直接正相關關系。隨著邊坡高度增加，其對地震動的響應變得更顯著，體現了高聳地形對地震波傳播具有放大作用，即所謂的“放大效應”。

5 防治技術

基于巖土工程邊坡滑坡災害的穩定性評估結果，對巖土工程邊坡滑坡災害進行防治。當應對滑坡問題時，首要任務是深入剖析滑坡成因，清晰辨識并區分主要、次要因素以及內部與外部誘因，進而采取針對性強、科學合理的工程措施進行治理。

5.1 排水優化

鑒于水在滑坡形成與發展中的關鍵作用，實施有效排水是滑坡防治的基礎策略，旨在降低地下水位，減少水分對土體的不利影響。

5.2 削方減重

針對上部陡峭、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量，從而降低下滑力。

5.3 邊坡支擋加固

根據滑體推力大小，靈活選擇適宜的支擋結構。抗滑樁因其對滑體擾動小、施工簡便、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定性強、施工便捷、見效快的特點，成為另一種有效選擇。

5.4 預應力錨固技術

針對危巖和巖質陡坡，預應力錨固技術提供了強有力的主動支護，能夠顯著提升巖體和軟弱地帶的穩定性。

5.5 土體改良

利用物理或化學方法改善滑坡土體的物理力學性質，是增強滑坡穩定性和加固效果的重要手段。

綜上所述，防治滑坡災害需要綜合考慮多種措施，結合實際情況科學施策，以實現高效、經濟的治理效果。

6 結語

本文深入探討了滑坡災害的成因機制，總結了多種穩定性評價方法，并詳細分析了防治技術的具體應用。這些研究成果為邊坡滑坡災害的防治工作提供了重要的理論依據和技術支持。然而，地質災害的發生具有突發性和不確定性，需要不斷完善監測預警體系，提高預警能力，因此，未來的研究應繼續加強滑坡災害的成因機制分析，探索更科學、更高效的穩定性評價方法和防治技術，提高防治工作的針對性和有效性。

參考文獻

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