堆积体边坡稳定性分析研究现状

李康彦

【摘 要】我国西南地区地质灾害频发，与此同时，正在兴建和规划当中的大多数水利工程也正是在该地区，因此，水库堆积体边坡的滑动范围和稳定性成为移民选址、水库安全和水利工程经济效益考虑的焦点之一。本文立足于西南水库岸堆积体边坡，从堆积体的成因类型、物质组成、特征和失稳形式入手，研究目前边坡稳定性的理论分析方法。

【关键词】堆积体；边坡；稳定性分析；研究现状

0.引言

我国是一个地质灾害十分频繁的国家，尤其是我国西南地区，不仅地质灾害数量多，而且灾种全。其中崩塌、滑坡、泥石流等浅层表生地质灾害异常突出，分布有大量的由滑坡堆积、崩塌堆积、残积层、冰溃堆积、坡积物等组成的松散堆积体斜坡[1]。与此同时，西南地区一系列大型乃至巨型正在建设或规划中的水电站相继开工建设，在复杂地质环境和大规模工程活动、水库蓄水及暴雨等复杂条件下，可能会有大量的水库库岸堆积体边坡发生变形甚至失稳破坏。

水库库岸堆积体边坡失稳的代价是巨大的。斜坡或边坡作为一种人类不可回避的地学环境与工程形式，总是伴随着人类的工程活动，人类为了安全始终关注着边坡的稳定性。一百多年来，人们对边坡变形过程、失稳形式、失稳机制、稳定评价及滑坡预测预报等进行了广泛的研究，借助数学、力学和计算科学理论与方法，试图对边坡的稳定、演化及滑坡的预测预报进行研究，并应用到工程实践中。

1.土坡稳定性分析理论研究现状

1.1边坡稳定性分析现状

边坡失稳作为普遍存在的工程问题受到国内外学者的重视。对此课题的研究，国内外都经历了从实践积累到理论归纳，再实践，再归纳，并逐步总结提高的过程。十九世纪末二十世纪初，随着发达国家的大规模土木工程建设，大量边坡工程问题、特别是滑坡问题随之产生，并造成了很大损失，人们开始应用材料力学和近代土力学的理论对边坡问题进行半经验、半理论的研究。上世纪五十年代，我国学者引进了前苏联的工程地质分析的体系，继承和发展了地质历史分析法，着重研究边坡的工程地质背景和边坡类型的划分，以此进行边坡的工程地质类比分析，在滑坡的分析和研究中取得了一定的成果。

1.2边坡稳定研究方法现状

研究边坡稳定的方法主要有：“地质历史分析”方法、极限平衡法、概率分析法、极限分析法、数值计算分析方法、物理模拟法、非线性方法等。现将主要边坡稳定性评价方法列述如下：

（1）“地质历史分析”方法：五十年代，我国许多工程地质工作者在滑坡研究中采用了苏联的“地质历史分析”方法[4]，但该方法偏重于定性描述和分析。

（2）极限平衡法：极限平衡法是一种定量方法，也是工程中使用最多、最成熟的方法，其理论基础为极限平衡理论。它通过分析在临界破坏状态下，土体外力与内部强度所提供的抗力之间的平衡计算土体在自身和外荷作用下的稳定程度。同时，根据假设不同而形成不同方法，具有不同的适用范围。

（3）极限分析法：岩土工程极限分析是典型的塑性极限分析问题。塑性极限分析对象包括塑性区Gussmnna.P提出了运动单元法，以莫尔一库仑岩土介质为研究对象，采用离散技术与现代数值手段，通过运动分析、静力分析和求多变量目标函数值的优化分析，有效地分析了地基极限承载、挡土墙极限土压力及斜坡稳定性问题。

（4）数值计算分析方法：数值计算方法上，随着计算机的普及和发展，出现了一批以弹性力学、结构力学为基础的数值计算方法：FDM（有限差分法）、FEM（有限单元法）、DEM（离散单元法）、DDA（不连续变形分析）、FLAC（快速拉格朗日插值）、NNM（流形元方法）等。

（5）非确定性分析方法：该方法的评价基础是工程地质类比法、滑坡静态规律的认识以及预测科学的一般原理。随着概率论、数理统计、信息理论、模糊数学等方法用于滑坡预测，目前已形成了多种预测模型。其预测成果可相互对比、检验，使预测成果更具合理性、科学性。目前常用的非确定性定量分析方法主要有以下几种[7]：①经验方法；②数理统计方法；③信息模型法；④模糊数学评判法；⑤灰色系统方法；⑥模式识别方法；⑦非线性模型预测法；⑧人工智能法。

其中，数值计算分析方法又可以分为如下几种：

①有限单元法（FEM）：该方法是目前应用最广泛的数值分析方法。它能够考虑滑坡体的非均质性、不连续性等特征，考虑岩体的应力应变特征，避免将坡体视为刚体，能够切实地以应力、应变为变量分析边坡的变形破坏机制，对了解滑坡的应力分布、应变发展很有利。其不足之处是：数据准备工作量大，而且原始数据易出错，不能保证整个区域内某些物理量的连续性；对解决无限性问题、应力集中等问题精度较差。

②边界单元法（BEM）：该方法只需对已知区域的边界进行极限离散化，具有输入数据少的特点。其计算精度较高，在处理无限域方面有明显的优势。其不足之处为：一般边界元法得到的线性方程组的关系矩阵是满的不对称矩阵，不能采用有限元中成熟的求解稀疏对称矩阵的解法。另外，边界元法在处理材料的非线性严重不均匀的滑坡问题方面，远不如有限元法。

③快速拉格朗日分析法（FLAC）：为了克服有限元等数值分析法不能求解岩土大变形问题的缺陷，人们根据显式有限差分原理，提出了FLAC数值分析方法。该方法较有限元方法能更好地考虑岩土体的不连续性和大变形特征，求解速度较快。其缺点是同有限单元法一样，计算边界单元网格的划分带有很大的随意性。

④离散单元法（DEM）：该方法可以直接反映岩体变化的应力场、位移场以及速度场等各个参量的变化，也可以模拟边坡失稳的全过程。另外，该方法特别适合块裂介质的大变形及破坏问题的分析，但所需计算时步非常小，阻尼系数也难以确定。

⑤块体理论（BT）：该方法是以构造地质和简单的力学平衡计算为基础，利用拓朴学和群论提出的一种评价三维不连续岩体稳定性的方法。随着关键块体类型的确定，块体理论能够找出具有潜在危险的关键块体的临空面位置及分布。

除以上几种方法外，近几年还出现了如无界元（IDEM），不连续变形分析（DDA）等方法。此外，由于工程实践的需要，出现了多种数值方法的算法，使滑坡稳定分析数值方法化的趋势更加明显。但数值分析方法也存在着不足：由于地质条件的复杂性及认识的局限性，往往使计由于计算参数的选取是以某种简化为基础的，与实际存在一定误差，继而影响了计算结果的精度[5，6，7，8，9，10]。

1.3边坡参数选取研究现状

边坡的静力稳定研究中，计算采用参数的准确程度会对边坡稳定的评价结果产生重大的影响，因此，本节对边坡物理力学参数选取的研究现状进行论述。

当前国内外岩体力学参数选取研究的总趋势是有经验、半经验、精度较低的数值计算方法向考虑多种因素影响，计算过程复杂、精度较高代表性较强的数值中计算分析法发展。尤其是计算机的使用，使这一领域的研究加快。岩体力学参数选取常用的方法有点群中心法、优定斜率法、最小二乘法、随机一模糊法等。点群中心法由于人为因素影响过多，目前已不常采用，国内对于岩体力学参数的研究主要是从岩体力学参数本身所包含的随机性和模糊性出发，应用随机理论和模糊数学的方法，对试验所得的数据进行分析以获得更为逼近岩体力学实际参数的“真值”[11]。

1.3.1水库库岸堆积体边坡塌岸范围预测方法研究现状

水库蓄水运行过程中，库岸所处的地质环境将发生改变，自然平衡条件遭到破坏，引起岸坡变形失稳，库岸线也逐渐后退，直至达到新的平衡状态为止，这一过程称为库岸再造。库岸再造是一个十分复杂的动力地质过程，受岸坡物质组成、结构特征、形态及水流等多因素控制，塌岸过程复杂，尚无法精确地通过数学计算式来表达。

1.3.2地震作用下边坡稳定性分析研究现状

地震边坡稳定性研究是边坡稳定性研究的重要方面，是岩土工程和地震工程中关心的重要问题之一。刘红帅等认为，从地震作用下是否考虑边坡岩体参数的不确定性的观点来看，岩土边坡地震稳定分析方法可分为确定性方法和概率分析方法两大类；从边坡稳定性计算中对地震动作用的不同处理方式来看，岩土边坡地震稳定性分析方法宜分为拟静力法、滑块分析法、数值模拟法和试验法四大类[5，10，12-18]。

2.结束语

目前，我国的大部分已建、正在兴建和规划中的水利水电工程都在该地区。水利工程中库岸边坡的滑动范围和稳定性问题是大坝安全、社会效益和水利工程经济效益考虑的重要因素之一。同时，西南地区地壳活动频繁，地震震级高、强度大，大量库岸边坡都是重力崩塌堆积体。西南堆积体边坡，考虑地震作用下修正塌岸预测方法中图解法，并将其用于预测边坡滑动范围；与实际情况对比进行反分析，藉此评价堆积体边坡震后滑动范围图解法反分析在工程上的适用性。

【参考文献】

[1]丁秀美.西南地区复杂环境下典型堆积（填）体抖坡变形及稳定性研究.成都理工大学，2005，1.

[2]曹毅然等编.国土资源部实物地质资料中心集刊第15号[M].北京：地质出版社，2002.

[3]黄润秋.高边坡整体稳定性综合评价探讨[J].水文地质工程地质，1995，22（6）.

[4]张悼元，王士天，王兰生.工程地质分析原理（第二版）[M].北京：地质出版社，1994.

[5]汪贤良.强震作用下堆积体边坡变形特征和稳定性分析.成都理工大学硕士学位论文，2009，5.

[6]杜明亮.考虑渗流作用的土质边坡稳定性分析.河海大学地质及岩土工程系硕士论文，2007，5.

[7]郑颖人，赵尚毅，张鲁渝.用有限元强度折减法进行边坡稳定分析.中国工程科学，2002，10，4（10）.

[8]Dawson E M，Roth W H，Drescher A.Slope stability analysis by strength reduction.Geotechnique，1999，496，49（6）：835-840.

[9]Griffiths D V，Lane P A.Slope stability analysis by finite elements.Geotechnique，1999，493，49（3）：387-403.

[10]Sarma S K.Stability analysis of embankments and slopes.Geotech.Eng.ASCE，1979，10512，105（12）：1511-1524.

[11]姜彤.边坡在地震力作用下的加卸载响应规律与非线性稳定分析.中国地震局地质研究所固体地球物理博士论文，2004，7.

[12]马芳芳.基于地震动力时程反应的有限元边坡稳定性分析.大连理工大学硕士论文，2005，6.

[13]祁生文，伍法权，刘春玲，丁彦慧.地震边坡稳定性的工程地质分析.岩石力学与工程学报，2004，8，23（16）.

[14]刘立平，雷尊宇，周富春，地震边坡稳定分析方法综述，重庆交通学院学报， 2001.9，3（20）.

[15]Zienkiewicz O C，Humpeson C，Lewis R W.Associated and nonassociated visco-plasticity in soil mechanics.Geotechnique，1975，254，25（4）：671-689.

[16]P.A.Lane，D.V.Griffiths.Assessment of Stability of Slopes under Drawdown Conditions .Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering.2000，Vol.1265，Vol.126（5）：443-450.

[17]Newmark NM.Effects of earthquakes on dams and embankments.Geotechnique，1965，15，15（2）：139-160.

[18]Griffiths D V，Lane P A.slope stability analysis by finite elements.Geotechnique，1999，493，49（3）：384-403.