库区边坡稳定性及滑坡分析

殷杏元

（赫章县水务局， 贵州 赫章 553200）

随着我国经济的迅速发展， 水电站的建设也飞速发展起来，其发展是符合我国国情的，能给周边区域的经济提供支撑， 因此水电站的建设常常被当地当作重点项目建设。随着水电站的发展，其安全问题也需要引起重视。 因各种问题导致的库岸边坡失稳的案例数不胜数，因此对库岸边坡稳定性问题的研究也一直是重点。

国内外专家对库区边坡稳定性及滑坡问题做了一系列研究，并取得了丰硕的科研成果［1-3］。鲁涛［4］利用有限元软件建立三维模型， 对三峡库区某边坡进行数值模拟，总结了库岸边坡的变形规律，并对含水率、降雨等敏感因素进行分析；殷跃平［5］基于三峡库区边坡，通过ABAQUS有限元软件进行边坡模拟，对库岸边坡的稳定性进行了评价， 并对其失稳模式进行深入的研究；刘厚成［6］同样基于三峡库区边坡工程，对其蓄水运行过程进行有限元模拟，通过对边坡的变形及应力分析，研究了库岸边坡稳定性演化规律；张丽娟等［7］对某实际库岸边坡进行数值模拟，通过对水库水位变化引起的路基应力的分析， 研究了库水动态对沿岸路基应力的影响；刘才华等［8］基于大型三维数值软件， 对库水位上升引起的边坡变形和应力变化， 研究了水库水位升降影响下库岸裂隙岩体渗流特性。本文基于某库岸边坡工程，对边坡变形和稳定性进行分析。 本工程所得结论对于今后类似工程具有重要的参考和借鉴价值。

1 工程概况

研究区概况如图1。

图1 研究区概况图

1.1 地质条件

经调研研究查明，研究区场地岩土主要由第四系全新统人工填土 （）、 第四系全新统冲洪积层（）和下伏侏罗系中统沙溪庙组基岩（）组成。

1.2 水文条件

据该区气象站多年气象资料统计， 区内多年平均降雨量为941.8mm，且多集中在5—9月，占全年的84.38%。而根据1971年以来气象资料统计，降雨最多年份出现在1981年，降雨量达1587.2mm，最少年份出现在1997年，降雨量只有666.4mm。

2 基于刚体极限平衡法边坡稳定性分析

2.1 计算方法及原理

如图2，取第i条土块进行受力分析，其高为hi，宽为bi，底部倾角为ai，长为li，土体容重为γi，R为该滑动面圆弧的半径。

图2 瑞典条分法

由能量准则，得滑动面AB上的剪切强度为：

式中 τ为滑动面上的切向应力；σ为滑动面上的法向应力；m为应力状态和材料性质相关因子。

其中，边坡稳定安全系数Fs满足如下关系式：

式中 τ为整个圆弧滑动面上的平均切向应力；τs为整个滑动面上的平均抗剪强度；Fs为边坡稳定安全系数。

因此，进一步得到土条底部的切向阻力Ti的大小：

通过把能量强度判据式（1）代入式（3），可得：

取土条底部法向平衡，可得：

对土条圆心O取矩，由力矩平衡关系可得：

如图2所示，由几何关系可知：xi=R1sinαi，其中xi为土条中心线到圆心O的水平距离。

将式（4）和式（5）代入式（6），整理化简后得：

计算过程中，沿厚度方向取单位厚度，可得：

将式（8）代入式（7），可得：

若需要考虑地下水的影响， 则利用类似的方法可以推导得：

在不考虑地下水影响时，式（7）或式（9）为将能量准则引入边坡稳定安全系数计算的表达式。 当研究考虑地下水影响时，式（10）或式（11）为此情况下边坡稳定安全系数表达式。

2.2 计算方案

根据地质资料，本文分别选取了K23+050～K23+100和K23+200～K23+250里程处的1-1′和2-2′工程地质横剖面作为研究对象，如图3和图4，采用折线公式对每一滑块的各层潜在滑动面进行稳定系数及下滑推力计算，滑带土土性参数根据剖面柱状图，并采用室内试验和广元市附近类似土体进行对比，得到1-1′天然抗剪强度标准值：c=13.20kPa、φ=18.0°，饱和抗剪强度标准值c=10.30kPa、φ=14.50°。 而2-2′滑带附近角砾含量较多， 因此2-2′剖面饱和抗剪强度标准值为c=10.50kPa、φ=15.60°。

图3 1-1′剖面开挖后可能发生滑动的滑面计算

图4 2-2′剖面开挖后可能发生滑动的滑面计算

2.3 计算结果及分析

通过斜坡堆积体稳定性验算及推力计算， 根据DZ/T 32864—2016《滑坡防治工程勘查规范》确定评价标准，如表1，计算成果汇总如表2。 由以上滑坡体稳定系数计算结果可知： 滑坡体在考虑暴雨或强降雨影响时，滑坡体稳定性状态为不稳定。 据此分析，滑坡体在持续暴雨或强降雨条件下， 存在进一步向下滑动的极大可能。

表1 滑坡稳定状态分级

表2 经验值稳定性验算及推力计算成果汇总

3 基于有限元边坡稳定性研究

3.1 有限元模型的建立

根据研究区勘察资料， 以勘探报告为依托建立计算模型，该模型的宽450m（Y）、长700m（X）、高200m，所建模型如图5。 对X、Y方向设置水平向的约束，对Z方向的底部设置固定约束。 本节边坡三维模型共划分网格单元111459个，节点165726个。

图5 模型示意图

3.2 计算参数

根据人工边坡的勘察报告所提供的岩土体物理力学参数， 天然工况下含块石粉质黏土含水率取20%，计算参数如表3。 暴雨工况下含块石粉质黏土含水率取35%，计算参数如表4。

表3 天然工况下计算参数

表4 暴雨工况下计算参数

3.3 数值结果及分析

3.3.1 天然工况分析

从图6中可见，坡体水平和竖向位移的量值在一定程度上反映出该边坡的现状变形特征， 库岸边坡的前缘与边坡中部的位移比较大， 公路上部边坡土体的水平位移呈现远离边坡的趋势， 主要变形发生在公路附近的土体，水平位移最大为4.7cm。 边坡竖向位移主要发生在边坡下半部分， 该部分竖向位移向上，最大位移为4.5cm。

图6 天然工况下边坡的位移云图

可见土体饱和工况下，边坡变形显著，说明边坡强度储备不足，边坡稳定性显著降低。

通过PLAXIS3D有限元软件计算，可以明显确定出边坡潜在滑动面的位置， 即边坡发生滑动破坏的剪切带或位移突变的地方，如图7，天然边坡地潜在滑动面自开挖坡顶后方一定距离处剪入， 以接近较大半径圆弧的形状斜向下延伸， 并从边坡中部的开挖台阶处剪出，滑坡体厚度不大，滑体主要为上覆的碎块石混粉质黏土，滑带为强风化泥岩层，从图中的网格划分的土层分布清晰可见潜在滑体的范围及滑动方向。同时，基于有限元强度折减法计算得到该边坡的安全系数为1.18，库岸边坡整体处于稳定状态，且安全系数在极限平衡法所得1.17～1.23安全系数之间，两者基本吻合。

图7 天然工况下边坡的潜在滑移带

3.3.2 暴雨工况分析

图8给出了暴雨工况下库岸边坡的水平和竖向位移云图。图中可以看出，暴雨工况下库岸边坡的水平和竖向位移变形更大， 最大水平位移约为7.5cm，约为天然工况下的1.6倍， 最大竖向位移为8.1cm，约为天然工况下的1.8倍。 可见暴雨作用下土体饱和后，边坡变形显著增大，说明边坡强度储备不足，边坡稳定性显著降低。

图8 暴雨工况下边坡的位移云图

图9给出了暴雨工况下边坡的潜在滑移带。图中可见，边坡的潜在滑动面的范围逐渐增加，在横向、纵向两个方向均有扩展， 边坡的潜在滑动面自边坡边界处剪入，以更大半径圆弧的形状斜向下延伸，滑坡体厚度大，易形成大型滑坡风险。基于有限元强度折减法计算得到该边坡的安全系数为0.645，库岸边坡整体处于不稳定状态， 同样安全系数在极限平衡法所得0.639～0.698安全系数之间。

图9 暴雨工况下边坡的潜在滑移带

4 结语

（1）基于刚体极限平衡法可知，边坡在天然工况下处于稳定状态，但在考虑暴雨或强降雨影响后，滑坡体稳定性状态为不稳定，存在进一步向下滑坡的风险。

（2）暴雨工况下土体含水率增大，导致边坡变形增大近一倍。 且强降雨后边坡滑动面的范围显著增大，库岸边坡稳定性安全系数仅为0.645，库岸边坡整体处于不稳定状态。