基于极限平衡法的滑坡稳定性分析

范慧琪

（山西潞安集团潞宁孟家窑煤业有限公司，山西 忻州 036700）

在工业生产中，地质灾害往往会导致生产与财产的严重损失。本文依据山西孟家窑矿实际水文地质情况，分析孟家窑矿地表边坡稳定性，防止雨季或者洪水季节到来时对地表道路运输产生影响。在对孟家窑矿地表的边坡稳定性进行预估分析时，应了解该矿边坡力学性质并做出安全系数评价。

国内外学者在对滑坡地质稳定性研究逐渐深入的过程中，按照发生原理的不同将滑坡稳定性分析法分为：定性分析法、定量分析法、不确定分析法以及人工智能方法[1-2]。由于极限平衡法所需要的数学模型较为简单，其对剖面以及加载形式的适应性较强，因此该方法是用于分析边坡稳定性的普遍方法，其中极限平衡法中又包括刚体、弹塑性体极限平衡法以及三位极限平衡法[3-4]。与此同时，极限平衡法也存在其自身的局限性，其局限性主要体现在主要假设中的整体滑动假设，以及不考虑支护结构与岩体之间的力学作用及变形关系。为解决此问题，学者们使用数值方法弥补极限平衡法的不足。数值方法中以有限元法数值建模的方法被用于计算边坡的稳定性问题[5-6]。

通过对上述方法的探究，本文将使用极限平衡法对山西孟家窑矿地表边坡的滑坡稳定性进行分析，得出其安全系数，并通过数值模拟的方法对比低水位与高水位影响下的边坡稳定性。

1 地质概况

山西孟家窑煤矿位于宁武县凤凰镇杜庄-余庄乡榆树坪村一带，距县城9km，行政区划隶属宁武县凤凰镇和余庄乡管辖。井田地理位置：东经112°11′17″～112°14′3″，北纬38°55′52″～38°59′51″；中心地理坐标：东经：112°12′56″，北纬：38°57′52″。

本区域地表水为恢河支流。根据含水层岩性及含水介质特征，区域主要含水岩组有：碳酸盐类岩溶裂隙含水岩组、碎屑岩类裂隙含水岩组、松散岩类孔隙含水岩组。根据区域地质和工程地质钻孔资料显示，由于地质构造作用使得地层的层理发生变化，滑坡所在区域地质构造强烈，岩石较为破碎。该区域滑坡发育经历过多个阶段，先是出现局部裂缝，其后裂缝逐渐贯通，形成滑坡周界。

2 计算分析

2.1 基本原理

为了解决滑坡地质稳定性问题，本文采用极限平衡法进行分析计算。

极限平衡法作为分析边坡稳定性的主要手段之一，该方法由诸多学者完善，得出不同原理下的分析方法，具体的主要分为：滑面、平衡条件以及条间力假设等[5]。不同理论的考虑因素如表1所示。

表1 不同原理极限平衡法对比

如表1所示，根据条件不同共有六种计算方法。本文选用的GeoStudio计算软件中带有表1中的四种极限平衡计算方法，运用四种分别计算其输出结果。根据软件计算条件的要求，对滑坡做出一定的模型简化假设：（1）岩土为各向均质体；（2）地下水为二流稳定流，且不考虑地下水蒸发。

其中，计算河渠间潜水流为公式（1）：

式中：

h1、h2-水位高程，分别为滑坡断面上的已知点的地下水位高程；

l、x-水平距离。

2.2 理论计算

假设滑坡滑面为泥砂岩，且将滑体与滑带作为一个整体分析。计算所需岩土力学参数如表2所示。

根据上述给出的岩土力学参数，带入计算软件GeoStudio进行计算，得出由表1中所示的前四种方法得出的安全系数与水位埋深随着观测日期的变化趋势。其具体的变化趋势如图1所示。

表2 岩土力学参数

图1 不同算法滑坡稳定性安全系数统计

由图1分析可以得出：1～9月为滑坡不稳定或较失稳状态，5～8月安全系数起伏较大，10～12月安全系数趋于稳定状态。1～4月安全系数相对稳定，4～6月安全系数下降，滑坡失稳发生几率变大，分析原因可能为气候降水引起水位上升导致滑坡。6～8月安全系数回升，9月有一定幅度下降，而后持续上升，边坡稳定。

3 数值模拟

3.1 模型建立

为分析孟家窑矿地表滑坡稳定性问题，运用ABAQUS数值模拟软件，基于摩尔库伦准则本构建立ABAQUS数值模拟模型，模型的长×宽×高=535.96m×50m×183.22m，其中地层分为4层，从上至下依次为风化砂岩、泥岩、风化泥岩以及砂岩。模型边界条件为：模型前后以及左右两侧，即X轴、Y轴方向的位移限制为0；模型底部X、Y、Z方向上位移为0；边坡临空位置不设置约束。建立的数值模型最终形态如图2所示。

图2 边坡数值模型

3.2 模拟计算及分析

在分析水位与安全系数之间的关系时，在全年的水位分布中，全年的最小水位即为最低水位状态，即为图2中的5月。反之，全年的最大水位即为最高水位状态，即为图2中的12月。

（1）低水位下数值模拟分析

低水位状态下模型的位移以及等效塑性应变形态如图3所示。

图3 低水位下模型位移及塑性应变变化

如图3所示，低水位下的工点6处的边坡位移量小，且边坡未处于塑性区内，所以此处边坡处于稳定状态；工点10处的位移量为0.25mm，且位移多出现在坡脚位置。由此可以得出：工点6与工点10连线区域的平均位移量较小。工点12处的位移分布较为均匀，平均位移为0.15mm。由图3（b）可得土体产生的塑性区主要集中在工点10与工点12之间，且塑性区的底部分布在地层的不整合接触带上。因此，由图3综合分析得出低水位下的滑坡基本处于稳定状态。

（2）高水位下数值模拟分析

高水位状态下的模型的位移以及等效塑性应变形态如图4所示。

图4 高水位下位移及等效塑性应变图

由图4高水位状态下的位移及应变分析可得：在工点6的区域内岩体依旧较为稳定，而在工点10及工点12处，其位移量有明显增大，其位移的分布规律较低水位状态下的相对一致。工点10处的位移量为0.85mm，工点12的位移量为0.43mm。由此可以看出工点10与工点12处的水位对滑坡的位移量的变化有着较为显著的影响。

4 结论

（1）由极限平衡法分析得出围岩滑坡不稳定、时间长，但其安全系数总体呈增涨趋向，边坡总体趋于稳定状态，且稳定性受水位影响较大。由ABAQUS数值模拟分析可得，水位过高时会出现临滑状态。

（2）数值模拟分析低水位及高水位的滑坡稳定性，通过位移及塑性区范围判断，高水位时滑坡失稳严重，且由数值模拟分析得出其位移及塑性区的增加主要集中在工点10至工点12之间，即为边坡的中部，所以分析得出滑坡的产生主要集中在坡体中部位置。