基于简单模型的临水边坡稳定性分析与探讨

□秦二乐 刘晓琪 张庆彬

临水滑坡在我国广泛存在，是一种常见的地质灾害，不仅会造成河道堵塞、水库水位迅速升高等一系列问题，还会破坏沿线生态环境，对河道下游及大坝周边人民群众的生命财产安全造成严重影响和危害。已有大量的工程实例显示，河道沿线的临水岸坡以及库岸边坡在水位变化的情况下，可能会使临水边坡的水文地质条件发生显著改变，会造成原本稳定的老滑坡再次失稳，同时还将导致临水边坡失稳，形成新的滑坡和垮塌。

水位变化与库岸滑坡的发生存在密切关联。一些学者利用强度折减法分析了水位变化对边坡稳定系数的影响，发现边坡稳定系数随着库水位上升呈现出先减小后增大的变化规律，边坡稳定性并非与库水位的抬升呈单调相关关系。还有一些学者通过某些变形监测、数值模拟等方法也得出了同样的结论。蔡德钩等分析认为临水边坡在水位大约至坡体1/4～1/3 处稳定性最差，表明在临水边坡稳定分析中存在最危险水位区间。史丁康基于极限平衡法研究土—岩界面倾角对理想二元结构边坡稳定性的影响，发现土—岩界面倾角越大，稳定系数越高，但是土—岩界面倾角较小时，稳定系数对土—岩界面倾角并不敏感。罗世林基于数值模拟及稳定性计算，揭示了基覆界面倾角变化对类直线形基覆界面堆积体稳定性的影响规律，发现类直线形基覆界面滑坡稳定性随倾角的增大由快速下降变成缓慢下降，类直线形基覆界面倾角越大，稳定系数对强度参数的变化越敏感。以上学者多是单独研究水位变化或者基覆界面倾角变化对临水边坡稳定系数的影响，较少同时涉及两者因素对滑坡稳定性影响规律及变化程度的研究。此文选取一种简单的地质模型：在给定水位和一定的变化区间上的滑面倾角的条件下，采用极限平衡法计算临水边坡稳定系数的变化情况，研究结果可为临水边坡的防治和稳定性评价提供参考。

1.模型建立

临水边坡的坡高取50m，坡面倾角取60°，滑面类型设定为直线型，滑面倾角由20°作为起始角，以5°间隔均匀增大至55°，边坡前缘为相对现状水位（0m），水位以5m 间隔均匀上升至相对最高水位（50m）时到达坡顶。简单模型如图1 所示。

图1 理想边坡剖面图

假定临水边坡区没有明显的断裂构造现象，坡体物质组成以黄土状壤土为主，成分为粉质黏土，边坡稳定性主要取决于黄土状壤土的强度。试验土样取自西部山区，由于在河道及库岸两侧水位骤升的情况下发生边坡失稳的过程时间短，相当于直接剪切的受力工况，故对试样进行快剪试验，确定其有效强度指标。考虑到库水位上升过程中滑坡体部分淹没于水下，部分在水上，故对滑坡土体进行天然含水率和饱和含水率下的剪切试验，取得其有效抗剪强度指标，测试结果见表1。

表1 天然和饱和状态下边坡稳定性计算参数

2.计算方法

已知临水边坡的垂直高度H=50m，坡面倾角α=60°，由式（1）可求得斜坡长度A。设定滑面倾角为β，由正弦定理式（2）可求得坡顶长度B，再由余弦定理式（3）可求得滑面长度L。设定水位由相对现状水位（0m）上升m，有相似三角形原理式（4）（5）可分别求得滑面水位以下和水位以上长度L 水下、L 水上。潜在滑动区域面积S 由式（6）求得，再根据相似三角形原理式（7）（8）可分别求得水位以下和水位以上潜在滑动区域的面积S 水下、S 水上。

由

得到

最后由稳定系数计算公式（9）求得不同水位和滑面倾角下的稳定系数。其中i 表示水下和水上两个不同的状态。

式中:

γ——土体重度，kN/m3；

c——粘聚力，kPa；

φ——内摩擦角，°；

L——滑面长度，m；

α、β——边坡坡角、滑面倾角，°。

3.结果分析与评价

此文研究基于极限平衡法，建立一种简单的地质模型，用式（9）计算边坡稳定系数。考虑水位抬升和滑面倾角变化情况下滑坡的稳定系数计算结果如图2 所示。

图2 稳定系数与水位及倾角关系曲线

在边坡稳定性分析中，不同的滑面倾角下，滑坡的剪入口、剪出口、滑面位置都是确定的，随着库水位抬升，稳定系数随库水位上升大致分为两段，即下降段和上升段。在滑面倾角为20°时，库水位50m 之下的稳定系数均大于其他倾角下的稳定系数，起始稳定系数为1.53，在 水 位25m～30m 达 到 最 小 值1.48，相应大约位于坡体1/2～3/5 处。在滑面倾角为40°～45°时，库水位变化过程中的稳定系数均小于其他倾角下的稳定系数，起始稳定系数为0.89，同样在水位25m～30m 达到最小值0.83～0.84，位于坡体1/2～3/5处，其余倾角下大致在这个区间内，分析认为临水边坡存在最危险水位，介于理想模型和实际边坡复杂的坡体和滑面形状以及受力情况而使最危险水位区间存在一定误差。

不同滑面倾角下的稳定系数变化趋势相同，下降段和上升段的降幅及增幅如图3 所示，两个阶段都随滑面倾角的增大而增大，且上升段的增幅较下降段的降幅大，当滑面倾角最大至55°时，前者为13.92%，后者为9.86%，说明滑面倾角变化与稳定系数的幅度变化呈正相关，即滑面倾角越大，在库水位变动过程中边坡极易由稳定状态转为失稳状态，边坡稳定性对库水位的变化越灵敏。

图3 不同倾角下的稳定系数变化幅度

稳定系数随着滑面倾角的增大也大致分为两段，即下降段和上升段。不同水位下的稳定系数变化趋势相同，滑面倾角在35°和50°附近的稳定系数接近1.0，但滑面倾角在40°～45°附近的稳定系数变化率接近0，稳定系数总体达到最小，均在1.0 之下，滑面倾角变化引起稳定系数变化趋势如图4 所示，两段滑面倾角变化对应的稳定系数变化率最大值分别为18.95%和51.75%，稳定系数仍在1.3 以上，说明库水位对稳定系数的影响与滑面倾角有关，倾角较大和较小时，虽然能引起稳定系数急剧变化，但并不是最不稳定状态，滑面倾角越缓或者越陡尽管能灵敏地影响边坡稳定性，但边坡仍然处于稳定状态，最不稳定的状态则是在一定的滑面倾角内。

图4 不同库水位下稳定系数变化曲线

4.结论

此文研究了在简单的地质模型下临水岸坡及库岸边坡稳定性对其影响因素的响应，分析了水位变动和滑面倾角变化对岸边坡稳定性的影响程度，得到以下结论：库水位上升过程中的稳定系数大致分为两段，即下降段和上升段，相应的临水边坡存在最危险水位。滑面倾角变化与稳定系数的幅度变化呈正相关，即滑面倾角越大，在库水位变动过程中边坡极易由稳定状态转为失稳状态，边坡稳定性对库水位的变化越灵敏。当滑面倾角最大至55°时，前者为13.92%，后者为9.86%。

研究成果为临水边坡的防治和稳定性评价提供借鉴，建议在工程中遇到涉水岸坡问题时，综合考虑水位和基覆界面倾角变化对其稳定性的影响。□