堤防工程中边坡稳定性的分析及其应用

摘 要：堤防工程作为传统的预防洪水的工程，能够在关键时刻保护人类安危并且对国家的工农业发展与生产都有着重要的作用。因此堤防工程的安全性十分重要。其中堤防工程边坡是否安全稳定与多种因素有关，例如堤防工程的质量、当地的地质以及天气气候。在边坡稳定性管理中要做到因地制宜，不同的影响因素就要采用不同的加固方式。本文从影响边坡稳定性的因素分析开始，同时又分析了几种边坡稳定性的措施，为今后加固边坡稳定性提供了一些理论研究。

关键词：堤防工程；边坡；稳定性

中图分类号：TV223 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）33-0169-02

1 引 言

边坡失稳是日积月累出现的结果，维护边坡的稳定性要做要未雨绸缪。同时边坡失稳是由多种原因造成的，不同的原因要有相应的解决方法。除了工作人员按照规定对边坡例行安全检查之外，还要对不同的失稳情况有针对性的应对措施。否则边坡失稳轻则提防工程损坏造成严重的经济损失，重则就会造成老百姓家破人亡。所以对堤防边坡稳定性的研究就显得尤为重要。

2 稳定性造成破坏的形式

（1）当建筑堤防边坡时所采用的为细砂与砂料等易于发生液化的建筑材料时往往会导致失稳，是因为饱和的砂料在一些情况下体积会变小，这就造成孔隙间的水没办法在短时间内流出去，其中的有效应力就会变成孔隙压力，此时砂料的抗剪强度降低就会造成流动现象的出现。液化会在短时间内快速发生，例如在自然灾害地震或者有爆炸的情况下发生。

（2）塑性流动通常是发生在软粘土坝和坝基，是指当土料的抗剪强度大于剪应力或者边坡的变形程度较大的时候，坝坡以及坝脚地基土没办法承担巨大的荷重而造成沉陷或者出现裂缝等情况。

（3）当边坡的角度太陡或者所使用的土料抗剪强度特别小的时候，会出现滑面之外的土壤滑动造成坍塌。当坝基的土壤抗剪强度太小的时候，就会造成坝体和坝基同时发生滑坡。如果有软弱层存在的情况下，一般就会在该层发生。

3 边坡稳定分析方法

3.1 极限平衡理论

以往大众所使用的边坡稳定性的分析方法通常是极限平衡法。极限平衡法因为原理易于理解、计算方法也比较简单所以在堤防工程稳定性分析中广为应用。这种理论的原理是首先假设会有某个滑裂面会出现不稳定的现象，通过静力平衡条件和摩尔-库仑破坏准则计算可能发生滑动的机率大小，以同样的方法分析随机选择几个滑动面。比较不同的滑动面它们安全系数或失稳概率的大小，最终选择安全系数最小或者是失稳概率最大的就是最可能出现不稳定性的滑动面。这种分析方式是瑞典的K.E.Pettersson和S.Hultin学者研究出的，在Fellenius（1927）、A.W.Bishop（1950）、Janbu、Sarma诸位学者的改良之后发展成为了成熟的一种分析方法。在大量堤坝工程建筑过程中，这种方法使用率高而且效果好。

3.2 塑性极限分析

塑性极限分析法是Drucker和Prager两位科学家在1952年提出的。该方法最突出的方面是将材料应力-应变关系列入到了分析范围当中。将极限条件下的外荷重以及自重做功与滑裂面上的阻力消耗的功相等为条件，并与塑性极限分析的上、下限定理求出边坡极限安全系数和荷载。塑性极限分析并非适合于所有的情况，因为运用该理论进行分析时假设的条件和真正的斜坡岩土体的弹塑性之间会出现不同，因此在一些工程中使用这种方法会导致误差较大。所以塑性极限分析方法还需要科学家进一步的完善。

3.3 模糊极值理论

因为通过塑性极限分析理论研究出的解答会在一定的范围的模糊极值上下浮动，所以孙君实就提出了一种叫做“滑动机构”的理念，同时证实了滑动机构耗散功能定理，把这个定理“模糊化”之后就能够得到给定滑裂面的安全系数的模糊极大值定理。随后将极大概念模糊化成滑体内力状态模糊状态条件，建立出模糊的约束条件和函数，然后定义安全系数的模糊解集和最小的解集理论，进而构建土坡稳定分析中的“极大中极小”的模糊极值理论。

3.4 有限单元法

塑性极限分析和模糊极值理论是将土体完全塑性时的应力-应变关系考虑到分析中，但是没有对实际的非线性关系进行考虑，也没有对稳定性和变形之间的关系进行分析。但是有限单元法能够将非线性本构关系考虑进来，将各单元的应力和变形计算得出，然后通过强度指标的大小找到失稳的区域和失稳范围的状况，通过部分和整体破坏相结合，找到发生边坡不稳定的地方，最后通过力的平衡关系计算堤防边坡的稳定系数。

4 方法应用

4.1 实际滑裂面的确定

在我国的一些地区由于气候与地质原因会造成堤防工程发生滑坡的现象。对于滑坡问题要加强重视同时在汛发生后要在第一时间快速解决，所以就要有明确的解决范围。其中包含滑坡平面的大小和深度的大小。当前在解决过程中往往是通过目测来确定会发生滑坡的位置的，而对滑坡位置的确定往往是通过探测和稳定分析法结合确定的。

4.1.1 现场探测法

在提防工程边坡稳定性实验中，通常可以通过现场钻探和十字板剪切两种方法相结合来确定发生滑裂的地方。实际上，滑裂面可以看作是滑动带，因为其中的内土体经常受到损坏所以强度受到损伤最后造成滑动的发生。

4.1.2 稳定分析法

当出现现场检测难度系数较大的情况时，一般采用稳定性分析的方法确定出现滑裂的位置。就是在提防工程处找到滑动体的A、B两个上下临界点，然后通过圆弧滑动法解析。如图1，将A、B两点连接起来后做垂线OE，在OE上随意选取一个点Oi，以Oi为圆心并以OiA长为半径，作图得到的圆弧就是潜在的滑裂面。随后，与Oi对称的地方找到O′i和O″i，计算得出Fs上与Fs下，多次重复最后得到Fs上>Fs

4.2 滑坡反算

当确定实际的滑裂面之后，当造成滑坡的因素和滑坡荷载的情况是已经知道的时候，可以通过反算即当Fs=1时计算滑面的抗剪强度，为提防工程边坡稳定性提出合理的依据。

4.3 滑坡的整治和安全复核

提防工程的滑坡问题在治理过程中有以下几个方面：更换新的土壤材料、及时排水、建立支挡的框架等。在治理完成之后还要根据相关的条例进行复查，做到防患于未然。一般条例不同，不同的工程类型所使用的计算方法和强度指标也不一样。一般来讲稳定检查包括稳定的渗流时间、施工时间和水位降落时间三个工况。要根据不同的情况选取相对应的强度指标。不同的计算方法如下：

（1）总应立法

Ⅰ施工阶段：可以使用三轴不排水剪指标，将下面公式（1）中的ci， i改为cui， ui就可以了。

F =M /M = （1）

i、ci为土条i中土的内摩擦角和粘聚力；i、li为土条i底部滑面的倾角和长度。

II水位降落时期：通过三轴固结不排水剪试验指标，根据公式（1），得到Fs：

F =

（2）有效应力法

有效应立法往往是在稳定渗流中使用，用三轴固结不排水剪实验得到有效应力指标ci， i′：

F =

在公式中，W1i-水位线上土条的重量；W2i-水位线下的土条的浮重量；Zi-坡外水体高于土条底面中点的距离；γw-水重度；如果通过公式得到的结果中，最小安全系数Fsmin如果满足条例中的数值表明边坡比较稳定，如果不符合就要对边坡稳定性进行加强，最后到Fsmin达到所规定的数值。

5 结束语

堤防工程的安全性和稳定性在建造过程中受到多种不同因素的影响。本文主要是对边坡稳定性造成影响的形式为切入点，分析了影响其稳定性的因素，然后介绍了几种边坡稳定性的分析方法从不同层面分析了不同的分析方法有什么样的利弊，同时简单阐述了方法应用。希望对今后边坡稳定性的研究提供一些帮助。

参考文献

[1]张天宝.土坡稳定分析和土工建筑物的边坡设计[M].成都：成都科技大学出版杜，1987.

[2]张观安.堤防工程中边坡稳定性的分析及其应用[J].房地产导刊，2014（13）：369～370.

[3]赵明华，邹新军，蒋德松.边坡稳定分析及其在堤防工程中的应用[J].湖南大学学报，2011（28）：97～101.

收稿日期：2018-10-9

作者简介：曾秀芳（1980-），女，水利工程工程师，大学本科。

王 俊（1976-），男，水利工程工程师，大学本科。