边坡临界滑动场软件改进及在滑坡稳定性评价中的应用

张慧君，蒋泽锋，朱大勇，石 杰

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院），浙江 杭州 310017；2.浙江省水利水电勘测设计院有限责任公司，浙江 杭州 310002；3.浙江大学宁波理工学院，浙江 宁波 315100；4.江苏三恒科技股份有限公司，江苏 常州 213022）

0 引 言

在全面扩大有效投资、适当提前开展基础设施建设的大环境下，新建、扩建水库等水利工程建设全面提速，岸坡整治工程也越来越多，其安全评价及加固设计都需要软件支持。目前，GeoStudio、理正、Autobank等国内外应用较广的软件在搜索任意形状滑动面方面都没有独特的优势。已有研究证明，边坡临界滑动场方法具有在不同条件下自动搜索出任意形状滑动面的独特优势[1-6]。为更好地推广该方法，增强国内边坡软件的竞争力，边坡临界滑动场研究团队已开发出基础版软件[7]。为增强软件适用性，在软件中增加水压力模块后，将其应用于三峡库区某大型滑坡的稳定性分析，拓展边坡临界滑动场软件的工程应用范围，并验证其结果的合理性。

1 边坡临界滑动场软件的改进

1.1 涉水外力处理

1）外水压力：对于坡外水体的处理，水压力模块采取将岸坡外水体以水压力的形式直接加在坡面上。

2）孔隙水压力：采用水位线法计算，该方法可简单方便地计算土条底部中心到水位线的竖向距离，再乘以水的密度即可得到孔隙水压力值。

3）渗透力：软件选择以土体为研究对象，即选择总应力法[8]。

1.2 水压力模块集成

在边坡临界滑动场软件的基础上，创新融合水压力模块，使其能够添加外水压力及提取孔隙水压力场。为增强水压力模块的实用性及可操作性，目前可通过3种方式提取孔隙水压力：一是利用坐标输入直接定位水位线；二是利用GDI+（Graphics Device Interface plus）技术在界面上画出外水压力线及浸润线；三是创新开发并融合孔隙水压力场提取程序，通过划分相同的细小单元，提取其他渗流分析软件计算的孔隙水压力场。待瞬态渗流分析程序通过验证，一并纳入水压力模块。

2 算例分析

选取三峡库区某滑坡作为验证算例。该滑坡体具有明显的地层分界线，可直观判断临界滑动面位置，初步判断边坡临界滑动场软件自动搜索出的临界滑动面的合理性，并与GEO-SLOPE软件自动搜索临界滑动面技术相比较，以验证集成水压力模块的边坡临界滑动场软件计算库岸边坡稳定性的合理性及准确性。

2.1 工程概况

三峡库区某滑坡位于长江青干河支流右岸，为土质滑坡，滑坡体平面呈“圈椅”状，后缘存在陡坎，地质平面见图1。滑坡体纵向长约250 m，横向宽约200 m，厚度约15 m。滑坡体前缘出口高程为105.00 m，后缘高程为225.00 m。坡度总体范围15º~ 30º，前缘近河谷处较为陡峭，范围35º~ 50º。A—A’工程地质剖面见图2。

图1 滑坡平面图

图2 A—A’工程地质剖面图

根据地质勘察报告，滑坡体主要以粉细砂岩夹少量粉砂质黏土岩、泥岩块碎石、黏性土夹砂岩为主，透水性较弱；滑带主要由黏土夹少量碎石组成，碎石基本为黄褐色泥质粉砂岩，厚度0.3~1.2 m，透水性较弱；滑床（下覆基岩）主要由石英砂岩、粉细砂岩夹粉砂质黏土岩、泥岩组成，透水性较弱。

2.2 计算模型及参数

根据滑坡岩土体的室内试验资料及参数反演分析，综合得到土体物理力学参数（见表1）。为便于比对后期不同软件的计算结果，坡体内的孔隙水压力场统一由GeoStudio软件的SEEP/W模块计算。渗流有限元计算网格模型见图3。

表1 土体物理力学参数表

图3 渗流有限元计算模型网格剖分图

2.3 计算工况

由于滑坡坡前水位随三峡库区水位波动，属于动水压力型滑坡。参照三峡水库的运行调度方案，该滑坡最不利工况为库水位以1.2 m/d的速度泄水，从坝前正常蓄水位175.00 m高程下调至汛限水位145.00 m高程。

2.4 渗流场模拟

采用GeoStudio软件的SEEP/W模块计算滑坡瞬态渗流场，得到长江水位从175.00 m骤降至145.00 m时坡体内的地下水位线（见图4）。

图4 库区水位从175.00 m骤降至145.00 m时地下水位线变化图

2.5 滑坡稳定性计算结果与合理性验证

库水位从175.00 m骤降至145.00 m时，集成水压力模块的边坡临界滑动场软件计算的整体稳定安全系数见表2；当库水位降至145.00 m时，计算结果见图5。

表2 水位从175.00 m骤降至145.00 m时的滑坡安全系数表

图5 水位下降至145.00 m时的计算结果图

由表2和图5可以看出，随着三峡库区水位下降，滑坡的安全系数不断降低，到坡前水位下降至145.00 m时，安全系数迅速减小至1.039。这是由于坡前水位骤降，坡体所受的静水压力骤减，同时坡体内孔隙水压力难以在较短时间内消散，导致安全系数随水位降低迅速减小。为验证计算结果的合理性，采用应用较广的GeoStudio软件的SLOPE/W模块计算坡前水位下降至145.00 m时的安全系数为1.055（见图6）。2种软件的计算结果误差约为1.5%，在工程应用中，误差在允许的合理范围内。因此，集成水压力模块后，边坡临界滑动场软件计算结果仍是合理可靠的。

图6 水位下降至145.00 m时SLOPE/W模块计算结果图

不同软件搜索的最危险滑动面见图7。与GEO-SLOPE软件的搜索结果相比，集成水压力模块的边坡临界滑动场软件搜索出的边坡剪入口更靠近上缘。

图7 不同软件搜索的最危险滑动面位置图

3 结 论

本文在边坡临界滑动场基础版软件中集成水压力模块，并应用于三峡库区滑坡的稳定性分析，得出以下结论：

1）集成水压力模块后，水位变化过程中的边坡临界滑动场软件计算结果是合理可靠的，能够较好地应用于实际库岸边坡的稳定性评价。

2）软件集成绘图功能，能够建立较复杂的临水岸坡计算模型，并能较好地自动搜索出地层复杂的临水岸坡临界滑动面，有较强的适用性和可操作性，为后续开发人机交互性强、操作简便、工程适用性强的边坡临界滑动场软件奠定坚实基础。