基于简布法与强度折减法的滑坡稳定性研究

李青山，康小兵，许 模，李子隆，李 强

(成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都610059)



基于简布法与强度折减法的滑坡稳定性研究

李青山，康小兵，许 模，李子隆，李 强

(成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都610059)

基于简布法与强度折减法，对四川巴中黄果树滑坡进行了稳定性研究。结果表明，简布法所得的稳定系数随着蓄水水位的升高而减小，在蓄水水位以1m/d的速度升降工况中，稳定系数随着水位的上升和下降先减小后增大，如果其最小值达到了坡体滑动条件，坡体即滑动，如果未达到滑动条件则渐渐恢复到一定值；而强度折减法所计算出的稳定系数在工况1、2下比简布法计算的结果稍大，在工况3、4下稳定系数误差在中间时步较大，在其他时步相对较小。2种方法的分析结果稳定系数差异较小，都符合分析要求，均可为滑坡稳定性提供有效分析与评价。

稳定系数；简布法；强度折减法；黄果树滑坡

0 引 言

近年来，分析与评价边坡稳定性的各种方法得到了广泛的应用[1]，如简布法、有限差分法、有限单元法、强度折减法等。徐卫亚等[2]分别对考虑加固力作用的边坡稳定性分析的Morgens-Price和Sarma法推导了稳定系数的计算过程；连镇营等[3]分析了强度折减有限元法在开挖边坡的稳定性；杨有成等[4]阐明了在边坡稳定分析中边界范围和网格的疏密对强度折减法结果的影响；郑颖人，赵尚毅等[5]探讨了有限元强度折减法研究进展。通常的强度折减法分析滑坡稳定性是以土体弹塑性有限元分析为基础的，通过逐步折减土体的抗剪强度，改变土体的屈服准则，计算坡体的应力应变，考察土坡的位移发展情况，判断土坡是否处于稳定状态，并以破坏前土坡达到临界状态的折减系数为稳定系数，其稳定系数具有“强度储备”的意义。众多学者在强度折减计算及其工程应用方面进行了大量研究，如 Matsui[6]、Dawson[7]、赵尚毅[8]、唐春安[9]等进行了富有成效地探索，推动了强度折减理论在边坡稳定性分析与评价方面的应用。

图1 黄果树滑坡工程地质平面

边坡的实际失稳过程并非一次瞬间完成，而是由坡体局部应力集中或力学参数的减弱，导致坡体局部范围出现损伤破坏，随后破损范围逐渐扩展，并最终形成整体滑面[10]。强度折减法的优点是能够考虑坡体的应力-应变关系、流固耦合作用，分析坡体内一点的水平和竖直位移变化、应力变化。对比简布法，强度折减法有以下优点：①能够对具有复杂地质地貌的边坡进行稳定性计算；②能够考虑土体的应力-应变关系，假设条件无需太多简化，形成了严密的理论体系；③能够模拟出土坡失稳过程及滑动面形状；④计算稳定系数时，无需假设滑动面位置及形状，更不必进行条分计算；⑤可以计算渗流作用，得出孔隙水压力，对于土体变形和渗流作用的耦合计算有很大的帮助[11]。本文采用简布法和强度折减法，对四川巴中黄果树滑坡进行计算分析，对比分析2种方法的准确性。

1 工程地质概况

巴中黄果树滑坡位于恩阳河左岸，距水库坝址约10.9 km。该滑坡为一古滑坡堆积体，总体上是一个经过多次滑移且滑坡体物质堆积差异性较大的古滑坡，表现为前缘和中部稍宽、后缘则逐步收敛，河流改道和岩层反翘，在平面上滑坡体整体上呈圈椅状。通过现场勘查，结合滑坡地貌特征和变形特征，将滑坡分为3个区：古滑坡复活体(1区)、古滑坡坡体(2区)、覆盖层变形体(3区)。1区纵长(近似垂直恩阳河方向)约390 m，横宽(近似平行恩阳河方向)约280 m，面积约1.01×105m2，堆积体平均厚度约19 m，滑体方量约1.9×106m3；2区纵长约190 m，横宽约350 m，面积4.8×104m2，覆盖层平均厚度20 m，变形体方量约9.6×105m3；3区纵长约357 m，横宽190 m，面积5.9×104m2，变形体平均厚度9 m，变形体方量约5.3×105m3。此次对该滑坡分析只针对1区和2区，3区地形起伏变化不大、覆盖层较薄、大部分地区被残坡积物覆盖，且通过现场调查，该区未见明显的地表变形迹象，故不做讨论。黄果树滑坡工程地质平面见图1。C-C′工程地质纵剖面见图2。

根据滑体及滑带土体粒度成分特点，本次对滑坡体块碎石土、滑带土进行了原状样和室内重塑样的土力学试验，分别考虑在天然含水和饱水状态下，对滑带土、块碎石土进行直剪试验获取岩土体强度参数。力学计算参数取值见表1。

2 稳定性对比分析

根据巴中黄果树滑坡现场调查以及计算区域历史发生过的大的滑动迹象和该水库蓄水实际情况，选择垂直于恩阳河方向的C-C′剖面进行分析。考虑了4种工况：蓄水水位353 m(工况1)、蓄水水位372 m(工况2)、水位从353 m以1 m/d的速度上涨到 372 m(工况3)、水位从372 m以1 m/d的速度下降到353 m(工况4)。运用简布法、强度折减法分别计算了该滑坡的4种工况的稳定性，根据计算结果对该滑坡进行稳定性评价。

图2 黄果树滑坡C-C＇工程地质纵剖面

计算材料天然状态抗剪强度饱和状态抗剪强度粘聚力c/kPa内摩擦角φ/(°)粘聚力c/kPa内摩擦角φ/(°)天然密度ρd/kN·m-3饱和密度ρSat/kN·m-3变形模量E/kPa泊松比μ渗透系数K/10-6m·d-1滑体2118171518.52148000.321潜在滑带10.57.587.152626.8460.30.1古滑带91381127.2295000.331滑床15201217.523.22515000.20.1

2.1 简布法

运用简布法分别计算了该滑坡的4种工况的稳定性，工况1稳定系数为1.07；工况2为1.00；工况3为0.95；工况4为0.89。该滑坡在1、2工况时稳定系数分别为1.07和1.0，参照滑坡工程规范，该滑坡处于欠稳定状态；而在工况3时，根据计算结果，大约在第2～3 d时，水位在355～356 m时，稳定性系数下降接近1，出现临界状态，大约在第7 d，水位升至360 m时，稳定性系数最低，为0.95，随着计算的进行，稳定系数渐渐变大[12]；工况4时，根据计算结果，大约在第3 d初水位降至370 m时，稳定性系数下降接近1，出现临界状态，大约在第6 d，水位降至362 m时，稳定性系数最低，为0.89，随着计算的进行，稳定系数渐渐变大。工况3、4稳定系数随时间的变化见图3。根据3、4工况的稳定系数，表明了该滑坡处于不稳定状态。该方法计算的滑动面见图4。

图3 稳定系数随时间的变化

图4 简布法计算的滑动面

2.2 强度折减法

用强度折减法对该滑坡的C-C′剖面进行稳定性分析。工况1稳定系数为1.11；工况2为1.01；工况3为0.97；工况4为0.92。与简布法计算结果相比，该方法计算结果在353 m水位时较简布法大，而水位上涨到372 m之后的计算结果比较接近，这也和实际工程状况相吻合；工况3、4的稳定系数则与简布法的计算不同，在稳定系数减小过程中，其速度变化平均值和简布法保持一致，但最小值要比简布法小，在增大过程中速度平均值变化同样和水位下降过程中保持一致，说明强度折减法在滑坡体计算过程中稳定系数减小和恢复的速度和简布法一致，且最大不平衡力曲线也更进一步证实了该算法的正确性，强度折减法计算的4种工况下的滑动面见图5。

分析2种方法在不同工况下稳定系数值，工况1～4呈变下降趋势，表明了该滑坡在水库处于高水位时比低水位危险；水位下降过程的稳定系数值比水位上升时大，说明水位下降比水位上升时危险，这极有可能是由于地下水渗透力和扬压力引起的[13]。

图5 强度折减法计算的各工况下的滑动面

2.3 简布法与强度折减法间的误差分析

工况3、4中2种方法稳定系数的方差曲线见图6。从图6可知，在工况3中，2种方法稳定系数之间方差先增大后减小，说明两者间的误差也在中间时步最大，其他时步基本保持一致，这也表明了在地下水下渗和恢复稳定状态其他时间段中，2种方法稳定系数计算结果是相近的；工况4变化规律和工况3的结果保持一致。经综合分析，总体结果符合工程实际需要。

图6 2种方法稳定系数方差曲线

2.4 位移、应力变化分析

在水位从353 m以1 m/d的速度上涨到372 m之后，又以1 m/d的速度下降到原初始水位353 m的过程中，设置3个水平位移监测点和3个竖直位移监测点。观察监测点1、2、3的水平历史位移曲线可知，1、2点的位移较大，分别为0.43、0.37 m，而3点的位移较小，为0.03 m。在相同位置的监测点4、5、6竖向位移分别为0.23、0.55、0.09 m，表明该滑坡中部和前缘变形较大。后缘水平和竖向位移较小的缘故是因为后面古滑坡体现在处于相对稳定状态[14]，前缘和中部都是属于古滑坡复活体。从XY方向剪应力云图(见图7)也可看出，前缘和中部应力最大，而后缘较小，处于古滑坡复活体的整体区域都处于剪应力增大区。经综合分析，该复活体蓄水后处于不稳定状态。相比简布法而言，强度折减法分析滑坡在满足稳定系数与简布法一致时，更能分析具体点流固耦合作用下水平和竖向位移变化、剪应力变化，从宏观到微观监测到该滑坡的发展过程，而这也是传统的简布法所不能做到的，总体分析结果也符合要求。对比2种方法的分析结果，2种方法均可为滑坡稳定性提供有效分析与评价。

图7 XY方向剪应力云图

3 结 语

本文采用简布法与强度折减法对巴中黄果树滑坡4种工况进行稳定性分析，得如下结论：

(1)2种方法在不同工况下稳定系数的计算结果表明，工况1到工况4，该滑坡稳定性成下降趋势，水库处于高水位比低水位危险，水位下降比水位上升时危险。

(2)在水库处于稳定水位时，强度折减法稳定系数较简布法大；在水位升降过程中，两者间的误差在中间时步较大；在地下水下渗和恢复稳定状态其他时间段中，计算结果相近。2种方法总体结果都符合工程实际需要。

(3)强度折减法分析滑坡在满足稳定系数和简布法一致时，更能分析具体点流固耦合作用下水平和竖向位移变化、应力变化，从宏观到微观监测到该滑坡的发展的过程。

(4)对比2种方法的分析结果，2种方法均可为滑坡稳定性提供有效分析与评价。

[1]王科， 王常明， 王彬， 等. 基于Morgenstern-Price法和强度折减法的边坡稳定性对比分析[J]. 吉林大学报， 2013， 43(3)： 903- 905．

[2]徐卫亚， 周家文， 石崇. 极限平衡分析中加固力对岩质边坡稳定性的影响[J]. 水利学报， 2007， 38(9)： 1056- 1064．

[3]连镇营， 韩国城， 孔宪京. 强度折减有限元法研究开挖边坡的稳定性[J]. 岩土工程学报， 2001， 23(4)： 403- 411．

[4]杨有成， 李群， 陈新泽， 等. 对强度折减法若干问题的讨论[J]. 岩土力学， 2008， 29(4)： 1103- 1106．

[5]郑颖人， 赵尚毅， 宋雅坤. 有限元强度折减法研究进展[J]. 后勤工程学院学报， 2005， 24(3)： 1- 6.

[6]MATSUI T， SAN K C. Finite element slope stability analysis by shear strength reduction technique[J]. Soils and Foundations， 1992， 32(1)： 59- 70．

[7]DAWSONE M， ROTHW H， DRESCHER A. Slope stability analysis by strength reduction[J]. Geotechnique， 1999， 49(6)： 835- 840．

[8]赵尚毅， 郑颖人， 时卫民， 等. 用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数[J]. 岩土工程学报， 2002， 24(3)： 343- 346．

[9]唐春安， 李连崇， 李常文， 等. 岩土工程稳定性分析RFPA 强度折减法[J]. 岩石力学与工程学报， 2006， 25(8)： 1522- 1530．

[10]陈国庆， 黄润秋， 周辉， 等. 边坡渐进破坏的动态强度折减法研究[J]. 岩土力学， 2013， 34(4)： 1140- 1147．

[11]陈婷， 程圣国， 潘飞. 降雨模式对滑坡稳定性的影响[J]. 水力发电， 2014， 40(4)： 25- 27．

[12]张永辉， 郭松， 王永彬. 某滑坡成因机制分析及稳定性评价[J]. 水力发电， 2013， 39(1)： 30- 31．

[13]郭晓光， 黄润秋， 邓辉， 等. 平推式滑坡多级拉陷槽形成过程及成因机理分析[J]. 工程地质学报， 2013， 21(5)： 770- 779．

[14]程圣国， 陈高峰. 考虑参数相关性的滑坡稳定敏感性分析模式研究[J]. 水力发电， 2008， 34(6)： 38- 40．

(责任编辑 杨 健)

Research on Slope Stability Based on N.Janbu Law and Strength Reduction Method

LI Qingshan, KANG Xiaobing, XU Mo, LI Zilong, LI Qiang

(State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu University of Technology,Chengdu 610059, Shichuan, China)

The stability of Huangguoshu Landslide is studied by using N.Janbu Law and strength reduction method. The results show that： (a) the N. Janbu law’s stability factor will decrease with the raising of water level; (b) when the water level is changed with the speed of 1m per day, the stability factor will decrease first and then increase; and (c) if stability factor reaches the minimum slope sliding condition, the slope will slide, and if it does not reach the sliding conditions, the stability factor will gradually recover to a certain situation. The results also show that： the safety factor resulted from strength reduction method under operation condition 1 and 2 is slightly larger than N. Janbu’s results, the safety factors of two methods under operation condition 3 and 4 have larger difference which is larger in middle time of operation condition change and smaller in other change time of operation condition. The analysis results’ difference of two methods are relative smaller and both methods can provide effective analysis and evaluation of landslide stability．

stability factor; N. Janbu Law; strength reduction method; Huangguoshu Landslide

2016- 03- 18

地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室自由探索课题资助项目(SKLGP2013Z003)

李青山(1990—)，男，重庆人，硕士研究生，研究方向为工程与环境水文地质；康小兵(通讯作者)．

TU457(271)

A

0559- 9342(2016)06- 0034- 05