大型堆积体边坡极限平衡稳定性分析

孙 超，吕一彦，吴继敏

（1.中交水运规划设计院，北京100101；2.河海大学岩土工程科学研究所，江苏南京210098；3.河海大学地球科学与工程学院，江苏南京210098）

大型堆积体边坡极限平衡稳定性分析

孙 超1，吕一彦2，吴继敏3

（1.中交水运规划设计院，北京100101；2.河海大学岩土工程科学研究所，江苏南京210098；3.河海大学地球科学与工程学院，江苏南京210098）

水利水电工程的实施过程中常遇到大型堆积体边坡的稳定问题，直接决定着工程的可行性、建设投资和安全运行。边坡稳定性分析是判断边坡是否失稳、是否需要加固及采取何种防护措施的主要依据。以雅砻江中游某河谷段大型堆积体边坡为例，利用Janbu法对典型剖面进行确定滑面和自动搜索滑面两种方式的分析。计算结果表明，该堆积体边坡在四种工况下都能处于稳定状态，但地震工况对安全系数影响较大。

大型堆积体边坡；Janbu法；自动搜索滑面；稳定性分析

1 前 言

随着我国经济的迅速发展，水电能源开发布局已经进一步向西南和西北的大江、大河及高山、峡谷转移，工程规模越来越大［1］。如龙滩碾压混凝土重力坝和水布垭面板堆石坝高度已经突破200 m，锦屏、小湾与溪洛渡水电站拱坝达到300 m级，这些高坝大库带来了一系列的课题［2］。高边坡的稳定性直接决定着工程的可行性，影响着工程的建设投资和安全运行，边坡稳定性分析是判断边坡是否失稳、是否需要加固及采取何种防护措施的主要依据［3－6］。

雅砻江干流中游河段上某建设中的水电站，控制流域面积77 543 km2，占雅砻江全流域面积的57%，其中包括的力丘河～蒙古山河段为典型的高山峡谷河段，两岸山体雄厚，谷坡陡峭，临江坡高大于500 m。该河段谷坡陡峻，岸坡稳定问题非常突出，发育大型和特大型滑坡、崩塌变形体等不稳定体不少于6个，总方量约上亿方，其中大于1 000×104m3的特大型滑坡、崩塌变形体就有4处：雨日滑坡、唐古栋滑坡、夏日滑坡、马河崩塌（滑坡）体，这4个堆积体边坡均发育在右岸。

极限平衡法是边坡稳定分析中最常用的方法。其中Janbu法假设滑动面为任意面，通过调整作用点的位置能获得比较准确的安全系数［7］；本文研究根据前期现场地质勘查结果，采用Janbu法［8］对马河滑坡体进行稳定性分析评估。

2 滑坡体稳定性分析

从目前现场情况看，堆积体曾出现缓慢倾倒－蠕滑－拉裂变形，部分堆积体出现高速的滑动迹象，主要原因是边坡处于高山峡谷区，且为反倾斜向坡，受重力改造作用边坡上部均出现较大的弯曲变形，崩塌碎石夹杂土体在边坡体中堆积，堆积体规模较大，形成典型的坡积碎石土－变形岩体（卸荷、风化）－相对较完整基岩的地质结构，从钻孔资料看，边坡体中岩体破碎程度高，除个别钻孔外，基本未见较完整的基岩和明显的滑带。从边坡地貌看，边坡体中均出现过局部滑动的痕迹，从相关的历史资料看，边坡存在高速滑动的可能性。由于岩体比较破碎，经过初步判断，堆积体主要破坏形式为坡体中局部圆弧滑动破坏、整体滑动破坏和倾倒－拉裂－滑移破坏。

2.1 确定性滑移面分析

对马河滑坡Ⅱ区剖面（图1）进行两种滑移模式的确定滑面分析和随机搜索滑面的极限平衡分析。

图1 马河滑坡剖面位置图

（1）参数确定性分析

马河Ⅱ区剖面共考虑两种滑移模式（如图2所示）。滑移模式1为表层堆积体的滑移，底滑面为堆积体与强卸荷（风化）变形岩体的接触界面，分布范围为滑坡体堆积体的后半部分，水平方向占整个堆积体的一半；滑移模式2为整体滑动，不同的是其底滑面大部分处于弱卸荷（风化）变形岩体和基岩的分界面上，后部滑动面处于强卸荷（风化）变形岩体和弱卸荷（风化）变形岩体中。

对两种滑移模式采用Janbu法极限平衡分析方法对边坡进行稳定性分析，对其在不同工况下的边坡稳定性进行计算分析，计算可能滑动面安全系数，得到的安全系数汇总如表1所示。

图2 剖面滑移模式

表1 剖面各工况下的安全系数

从安全系数数值上看，在所有考虑因素中，地震对边坡安全系数的影响比较大，两种滑移模式中，地震对边坡安全系数的影响都超过30%。从安全系数上看，安全系数均处于1.3以上边坡处于稳定状态，尤其是滑移模式2，自然状态下安全系数达到3.0以上，因此该剖面边坡处于稳定状态。

（2）参数不确定性分析

从表2中可以看出，两种滑移模式下安全系数都比较高，且破坏概率较低，两种滑移模式下可靠度指标均超过3.0，说明该边坡在计算的滑移模式下基本处于稳定状态。

表2 参数不确定性分析结果表

图3～图4中，两种滑移模式下，频数超过50的安全系数区间分别为：1.25～1.50和1.78～2.10，由此可看出，第一种滑移模式安全系数下限略小于第二种滑移模式。此外，第一种滑移模式的安全系数与第一层碎石土和第二层强风化（卸荷）变形岩体的内摩擦角相关，相关系数分别为：0.4010和0.8988；第二种滑移模式安全系数与第二层强风化（卸荷）变形岩体、第三层弱风化（卸荷）变形岩体和第四层基岩的内摩擦角相关，相关系数分别为0.4384、0.3559和0.7839，其中与第四层的相关性要大于第二层和第三层。

图3 滑移模式1参数不确定性分析

图4 滑移模式2参数不确定性分析

2.2 随机搜索滑移面

（1）参数确定性分析

对滑移模式2的剖面进行随机搜索滑动面，计算得到的边坡不同水平位置滑动面及其安全系数图谱如图5～图7所示。

图5 工况1危险滑动面位置及安全系数分布图

边坡在自然状况下，安全系数处于1.70以上，边坡处于稳定状态；自然边坡考虑地震后，安全系数整体降低明显，但安全系数基本都处于1.20以上，在该计算模式下，边坡整体稳定；考虑暴雨的工况边坡整体稳定安全系数在1.7以上，边坡稳定性较好。

图6 工况2危险滑动面位置及安全系数分布图

图7 工况4危险滑动面位置及安全系数分布图

（2）参数不确定性分析

从表3中看出，两种随机搜索模式下，安全系数较小，边坡的破坏概率小于10%。置信区间得到的安全系数区间下限值均大于1.15。

表3 参数不确定性分析结果表

从图8～图9看出，随机搜索模式1和随机搜索模式2计算的滑面位置相似，滑动体积较大，安全系数频数大于50的区间分别为1.04～1.30和1.06～1.35。此外，安全系数均与第二层强风化（卸荷）变形岩体的内摩擦角相关，相关系数分别为：0.9860和0.9940，相关程度较高。

图8 随机搜索模式1参数不确定性分析图

图9 随机搜索模式2参数不确定性分析图

对马河滑坡Ⅱ区而言，由于该滑坡计算所取剖面位于山脊梁，但边坡前缘地形相对较缓，边坡前缘起到阻力体的作用导致边坡的安全系数较高，在两种滑移模式中，安全系数都处于1.30以上，说明边坡基本处于稳定状态，但应注意堆积体出现表层坍塌变形，其主要原因是堆积体规模较大，表层土体相对密实度较低，在重力作用下，容易引起崩塌破坏，一般情况下，边坡由于不存在高速滑坡的滑动界面，因此基本不会产生快速破坏，总体上讲，该边坡的稳定性较好。

参数的不确定性分析结果表明，表层的稳定性较好，破坏概率很低，安全系数置信区间下限值较大，随机搜索滑移面的结果也表明边坡的稳定性较好。

3 结 论

本文在地质条件分析的基础上，选取了马河滑坡Ⅱ区的一个典型坡面进行极限平衡计算，利用Janbu法对边坡进行四种工况下的计算。分确定参数计算和不确定参数的计算，两种模式中又分为确定滑面的稳定计算和自动搜索滑面的稳定计算得到以下结论：

（1）确定滑面计算中，四种工况中地震对安全系数影响较大，但边坡整体仍处于稳定状态。

（2）随机搜索滑面计算中，四种工况中边坡仍然处于稳定状态，但容易引起崩塌破坏，一般情况下，边坡由于不存在高速滑坡的滑动界面，因此基本不会产生快速破坏，总体上讲，该边坡的稳定性较好。

［1］ 黄润秋，张倬元，王士天.当前环境工程地质领域的几个主要问题及研究对策［J］.工程地质学报，1996，4（3）：10-16.

［2］ 徐卫亚.边坡级滑坡环境岩石力学与工程研究［M］.北京：中国环境科学出版社，2000.

［3］ 潘家铮.建筑物的抗滑稳定和滑坡分析［M］.北京：水利出版社，1980.

［4］ 黄润秋，许 强，陶连金，等.地质灾害过程模拟和过程控制研究［M］.北京：科学出版社，2002.

［5］ 王思敬.岩石边坡动态稳定性的初步探讨［J］.地质科学，1977，（4）：372-376.

［6］ 王 腾，董 胜，冯秀丽.土参数对桩基水平响应影响的研究［J］.岩土力学，2004，25（增刊）：71-74.

［7］ 董晓红，梁桂兰，许忠厚.边坡稳定分析方法综述及发展趋势研究［J］.水利与建筑工程学报，2012，10（5）：100-103.

［8］ 钱家欢，殷宗泽.土工原理与计算［M］.北京：中国水利水电出版社，1996.

Lim it Equilibrium Stability Analysis of Large Talus Slope

SUN Chao1，LV Yi-yan2，WU Ji-min3
（1.China Communication Planning and Design Institute forWater Transportation，Beijing 100101，China；2.Geotechnical Engineering Research Institute of HohaiUniversity，Nanjing，Jiangsu 210098，China；3.College of Earth Science and Engineering，Hohai University，Nanjing，Jiangsu 210098，China）

The stability issues of large talus slope are frequently encountered during hydraulic and hydropower engineerings，which would directly determine the engineering feasibility，construction investmentand safe operation.The stability analysis of slope is used to estimatewhether the slope is instability or needs to be reinforced.Taking a valley landslide mass in the reservoir area of Yalong River for instance，the Janbumethod is used here tomake the analyses for such the typical profiles as certain sliding surface and automatic searching sliding surface.The results show that the talus slope would have stability under four working conditions，but the earthquake would have greater impact on its safety coefficients.

large talus slope；Janbu slicemethod；automatic searching sliding surface；stability analysis

TU457

A

1672—1144（2014）01—0147—04

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.01.030

2013-02-24

2013-03-27

孙 超（1986—），男，吉林白城人，助理工程师，研究方向为水利项目的监理工作。

吕一彦（1985—），男，浙江绍兴人，博士研究生，研究方向为环境岩土工程。