基于改進條分法的滑坡穩定性分析

江俊杰 劉東澤 盧應發 吳京戎 何英東

摘 要：為了研究邊坡漸進破壞過程及穩定性演化規律，在傳統條分法基礎上引入兩種土體本構模型，將變形與受力結合建立新型條分法，并提出一種新型邊坡穩定性分析方法，從滑面點、滑面和滑體進行多維度描述，有效地展現滑坡漸進破壞過程。對卡子灣滑坡進行實例分析，結果表明：用傳統穩定性方法計算的穩定系數為１．０６５ ９，即滑坡為欠穩定狀態，結合滑坡的點面體評價指標分析，滑坡在臨界狀態前移過程中，條分法計算的第２９ 條塊出現突變，證明滑坡在臨界狀態點移動至第２９ 條塊后可能會突然發生整體破壞，并且將理想彈塑性模型與剪應力模型的計算結果進行對比分析，得到基于剪應力本構模型的條分法更加接近滑坡受力情況，此類方法可以為滑坡的監測預警提供參考。

關鍵詞：條分法；本構模型；臨界狀態；滑坡；漸進破壞

中圖分類號：Ｐ６４２．２２ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０３．００８

引用格式：江俊杰，劉東澤，盧應發，等．基于改進條分法的滑坡穩定性分析［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（３）：３９－４６．

我國自然地質災害易發，且種類多、頻率高，成為世界上受自然地質災害損失最為嚴重的國家之一。滑坡作為最常見的地質災害之一，往往造成極大的經濟損失和人員傷亡。

據統計，我國在１９４９—２０１１ 年因滑坡引起的死亡人數保守估計超過２５ ０００ 人，平均每年超過４００ 人，且年均經濟損失約５ ０００ 萬美元［１］ 。僅在２０１０ 年，我國就發生滑坡２２ ３２９ 起，占到了全部地質災害總數的７２．８％［２］ 。為降低滑坡災害的影響，我國政府及有關部門高度重視滑坡防治工作，滑坡穩定性評價是滑坡防治工作的重要依據。郭亮等［３］ 采用極限平衡法對滑坡剖面的總抗滑力、總下滑力、穩定性系數進行計算，以此來分析滑坡的穩定性；方玉樹［４］ 采用一般條分法對滑坡或潛在滑體內有傾斜的相對弱面或端部條塊外側面傾斜且有水壓力作用時的穩定性進行分析；雷德鑫等［５］ 采用蒙特卡羅隨機抽樣法分析不同工況下滑坡穩定性的可靠度、失效概論及滑坡穩定性系數對滑體物理力學參數的敏感性； 戴小軍等［６］ 通過ＵＤＥＣ 離散元程序導入邊坡數值模擬和地下水分析已知條件與參數進行強度折減計算，對邊坡的穩定性進行分析；呂文斌等［７］ 運用極限平衡法和有限元數值模擬法對滑坡的穩定性系數進行計算，以此來研究滑坡的穩定性；蔣波等［８］ 對極限平衡法進行改進，改進后的極限平衡法可用于非極限狀態主動土壓力的研究；王振等［９］ 在簡布條分法的基礎上引入剪應力—剪切位移本構模型，建立了一種基于位移改進的簡布條分法，對滑坡的穩定性進行計算分析；Ａｚｍｏｏｎ 等［１０］ 在人工智能與傳統極限平衡法的基礎上，提出了一種基于深度學習的邊坡穩定性評價方法。

以上方法雖然在邊坡的穩定性分析方面取得一定成果，但僅在傳統的穩定性系數上進行分析，沒有引進漸進破壞過程。本文在傳統計算方法的基礎上引入土體本構模型，能夠有效地反映滑坡的漸進破壞過程，將本構模型引入條分法中，使變形和受力相結合，隨著滑坡不斷變形，穩定性系數在發生變化，在此基礎上建立新型的穩定性評價體系，從而反映出滑坡從局部破壞發展至整體破壞的演化過程，利用邊坡漸進破壞參數，對滑坡預防提供參考。

１ 漸進破壞穩定性計算方法

１．１ 理想彈塑性模型計算

利用理想彈塑性模型進行計算時，在剪應力達到臨界應力之前，應力—應變為線性關系；在剪應力達到臨界應力之后，應力不再發生變化，計算公式為

３．３ 計算分析

當庫水位為１７５ ｍ 時，在５０ ａ 一遇暴雨作用下，卡子灣滑坡處于最不利工況。根據傳統臨界狀態法，其穩定系數為１．０６５ ９，處于基本穩定狀態，其各條塊（條塊號簡稱ＳＮ）底邊應力破壞率見圖６。各條塊下滑力、摩阻力和剩余下滑力見圖７。

采用部分強度折減法，當折減系數為１．００ 時臨界條塊為第２８ 條塊。當最后一條塊處于臨界狀態時強度折減法穩定系數等于傳統強度折減穩定系數，臨界狀態部分強度折減穩定系數隨臨界條塊號（簡稱ＣＳＮ）的變化如圖８ 所示；不同臨界狀態部分強度折減法的富余穩定系數如圖９ 所示。

基于部分強度折減法的理想彈塑性模型（簡稱ＰＥＰＭ）和剪應力本構模型（簡稱ＣＰＣＭ）進行漸進破壞計算，ＰＥＰＭ 和ＣＰＣＭ 的初始臨界條塊分別為第２８條塊和第２９ 條塊，選取臨界條塊號為２９、３２、３６ 的３個臨界條塊，其對應的下滑力、摩阻力和剩余下滑力分別見圖１０～圖１２ 對于滑坡演變過程中的點、面、體系數變化，通過臨界條塊的前移進行展現，其中圖１３ 為滑面點描述、圖１４～圖２１ 反映滑坡的滑面系數變化情況、圖２２～圖２４ 反映滑體的系數變化情況。

由圖１０～圖１２ 可知，基于剪應力本構模型的條分法計算的下滑力、摩阻力、剩余下滑力相比基于理想彈塑性模型的部分強度折減法計算的更為接近模型所確定的可能破壞狀態下的下滑力、摩阻力、剩余下滑力。圖１３ 所示理想彈塑性模型與剪應力本構模型確定的破壞區條塊應力破壞率相等均為１，故差為０，未破壞條塊的應力破壞率十分接近，當條塊劃分數量足夠多時，未破壞區應力破壞率之差主要小于０，即剪應力本構模型的應力破壞率大于理想彈塑性模型的。圖１４中，不同臨界條塊對應的兩種模型的應力破壞面積比相等，相同臨界狀態點對應的破壞面積相等。由圖１５可知，剪應力本構模型的應力破壞比基本大于理想彈塑性模型的，更為接近對應模型決定的可能破壞狀態下的應力破壞比。圖１６～圖２１ 表明，剪應力本構模型計算的滑面特征變化系數均大于理想彈塑性模型的，即臨界狀態條塊相同時，剪應力本構模型確定的滑面狀態比理想彈塑性模型確定的滑面狀態更接近模型所決定的滑面破壞狀態。從圖２２～圖２４ 可以看出，相同臨界狀態下，剪應力本構模型計算的滑體穩定系數大都小于理想彈塑性模型確定的穩定系數，僅在滑坡整體破壞狀態附近出現剪應力本構模型穩定系數略大于理想彈塑性模型的情況。原因是臨界狀態點在滑坡前緣附近時，剪應力本構模型的摩阻力逐漸趨于０，而理想彈塑性模型對摩阻力進行了過度折減，但二者差距十分微小，故可忽略。

將部分強度折減法富余穩定系數Ｆ余ｉ ｑ 與理想彈塑性模型和剪應力本構模型的主推力法穩定系數進行比較，如圖２５ 所示。部分強度折減法富余穩定系數雖然在部分臨界狀態下穩定性數值比兩種模型所得的主推力法穩定系數小，但是其變化趨勢與滑坡漸進破壞過程中地質體的軟化特征的符合程度遠不及兩種模型所得的ＭＴＭ 穩定系數。

４ 結論

卡子灣滑坡處于１７５ ｍ 庫水位與５０ ａ 一遇暴雨最不利工況。理想彈塑性模型計算滑坡的臨界狀態位置為第２８ 條塊，處于基本穩定狀態，但從第２８ 條塊移動至第２９ 條塊的過程中，滑坡的各項穩定性評價指標均顯示滑坡在此變化階段的穩定性有一個明顯突降過程，這表示滑坡很有可能在臨界狀態點移動至第２９ 條塊后突然發生整體破壞。全過程本構模型計算滑坡的臨界狀態位置為第２９ 條塊，此后雖然各項穩定性評價指標出現突變情形，但各類評價指標在臨界條塊為第２９ 條塊的情況下已經十分接近其破壞狀態的指標值，且與破壞狀態的指標值相差小于２０％，在偶然因素作用下，滑坡極有可能突然發生整體破壞，情況不容樂觀。

雖然兩種模型的計算結果均顯示滑坡尚處于基本穩定狀態，但由于理想彈塑性模型并未考慮滑體已破壞部位的巖土體應力軟化特征，而全過程本構模型計算的破壞所采用的是巖土體的殘余強度值，所以理想彈塑性模型的分析結果顯示滑坡整體穩定性比全過程本構模型的計算結果更加穩定一些。因此，全過程本構模型的計算結果更加接近滑坡的真實穩定狀態，說明滑坡的真實穩定狀態距離欠穩定狀態已十分接近，整體滑移隨時可能發生。

參考文獻：

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［３］ 郭亮，周曉亮，龐永莉．極限平衡法對某工程滑坡的計算與分析［Ｊ］．科學技術與工程，２０１２，１２（８）：１８０７－１８１０．

［４］ 方玉樹．滑坡與斜坡穩定性一般條分法分析中滲流作用的簡化計算［Ｊ］．中國地質災害與防治學報，２０１１，２２（３）：１２５－１２８．

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［６］ 戴小軍，吳晨威，蔣仕林，等．地下水與荷載聯合作用的邊坡穩定性數值分析：以重慶奉節電廠邊坡為例［Ｊ］．災害學，２０２２，３７（２）：１２５－１３０．

［７］ 呂文斌，耿海深，魏賽拉加．基于極限平衡法和Ｍｉｄａｓ／ ＧＴＳ的張家灣滑坡穩定性［Ｊ］． 科學技術與工程，２０２１，２１（１１）：４３６９－４３７８．

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［９］ 王振，葉曉明，劉永新．考慮滑坡漸進破壞的改進簡布條分法［Ｊ］．巖土力學，２０１８，３９（２）：６７５－６８２．

［１０］ ＡＺＭＯＯＮ Ｂ，ＢＩＮＩＹＡＺ，ＬＩＵ Ｚ．Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｅｅｐ ＬｅａｒｎｉｎｇＡｇａｉｎｓｔ Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ Ｌｉｍｉｔ Ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ＳｌｏｐｅＳｔａｂｉｌｉｔｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，２０２１，１１（１３）：６０６０．

［１１］ 盧應發，張凌晨，張玉芳，等．邊坡漸進破壞多參量評價指標［Ｊ］．工程力學，２０２１，３８（３）：１３２－１４７．

【責任編輯 簡 群】