孫 超，呂一彥，吳繼敏

（1.中交水運規(guī)劃設(shè)計院，北京100101；2.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，江蘇南京210098；3.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210098）

大型堆積體邊坡極限平衡穩(wěn)定性分析

孫 超1，呂一彥2，吳繼敏3

（1.中交水運規(guī)劃設(shè)計院，北京100101；2.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，江蘇南京210098；3.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210098）

水利水電工程的實施過程中常遇到大型堆積體邊坡的穩(wěn)定問題，直接決定著工程的可行性、建設(shè)投資和安全運行。邊坡穩(wěn)定性分析是判斷邊坡是否失穩(wěn)、是否需要加固及采取何種防護措施的主要依據(jù)。以雅礱江中游某河谷段大型堆積體邊坡為例，利用Janbu法對典型剖面進行確定滑面和自動搜索滑面兩種方式的分析。計算結(jié)果表明，該堆積體邊坡在四種工況下都能處于穩(wěn)定狀態(tài)，但地震工況對安全系數(shù)影響較大。

大型堆積體邊坡；Janbu法；自動搜索滑面；穩(wěn)定性分析

1 前 言

隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，水電能源開發(fā)布局已經(jīng)進一步向西南和西北的大江、大河及高山、峽谷轉(zhuǎn)移，工程規(guī)模越來越大［1］。如龍灘碾壓混凝土重力壩和水布埡面板堆石壩高度已經(jīng)突破200 m，錦屏、小灣與溪洛渡水電站拱壩達到300 m級，這些高壩大庫帶來了一系列的課題［2］。高邊坡的穩(wěn)定性直接決定著工程的可行性，影響著工程的建設(shè)投資和安全運行，邊坡穩(wěn)定性分析是判斷邊坡是否失穩(wěn)、是否需要加固及采取何種防護措施的主要依據(jù)［3－6］。

雅礱江干流中游河段上某建設(shè)中的水電站，控制流域面積77 543 km2，占雅礱江全流域面積的57%，其中包括的力丘河～蒙古山河段為典型的高山峽谷河段，兩岸山體雄厚，谷坡陡峭，臨江坡高大于500 m。該河段谷坡陡峻，岸坡穩(wěn)定問題非常突出，發(fā)育大型和特大型滑坡、崩塌變形體等不穩(wěn)定體不少于6個，總方量約上億方，其中大于1 000×104m3的特大型滑坡、崩塌變形體就有4處：雨日滑坡、唐古棟滑坡、夏日滑坡、馬河崩塌（滑坡）體，這4個堆積體邊坡均發(fā)育在右岸。

極限平衡法是邊坡穩(wěn)定分析中最常用的方法。其中Janbu法假設(shè)滑動面為任意面，通過調(diào)整作用點的位置能獲得比較準(zhǔn)確的安全系數(shù)［7］；本文研究根據(jù)前期現(xiàn)場地質(zhì)勘查結(jié)果，采用Janbu法［8］對馬河滑坡體進行穩(wěn)定性分析評估。

2 滑坡體穩(wěn)定性分析

從目前現(xiàn)場情況看，堆積體曾出現(xiàn)緩慢傾倒－蠕滑－拉裂變形，部分堆積體出現(xiàn)高速的滑動跡象，主要原因是邊坡處于高山峽谷區(qū)，且為反傾斜向坡，受重力改造作用邊坡上部均出現(xiàn)較大的彎曲變形，崩塌碎石夾雜土體在邊坡體中堆積，堆積體規(guī)模較大，形成典型的坡積碎石土－變形巖體（卸荷、風(fēng)化）－相對較完整基巖的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，從鉆孔資料看，邊坡體中巖體破碎程度高，除個別鉆孔外，基本未見較完整的基巖和明顯的滑帶。從邊坡地貌看，邊坡體中均出現(xiàn)過局部滑動的痕跡，從相關(guān)的歷史資料看，邊坡存在高速滑動的可能性。由于巖體比較破碎，經(jīng)過初步判斷，堆積體主要破壞形式為坡體中局部圓弧滑動破壞、整體滑動破壞和傾倒－拉裂－滑移破壞。

2.1 確定性滑移面分析

對馬河滑坡Ⅱ區(qū)剖面（圖1）進行兩種滑移模式的確定滑面分析和隨機搜索滑面的極限平衡分析。

圖1 馬河滑坡剖面位置圖

（1）參數(shù)確定性分析

馬河Ⅱ區(qū)剖面共考慮兩種滑移模式（如圖2所示）?；颇Ｊ?為表層堆積體的滑移，底滑面為堆積體與強卸荷（風(fēng)化）變形巖體的接觸界面，分布范圍為滑坡體堆積體的后半部分，水平方向占整個堆積體的一半；滑移模式2為整體滑動，不同的是其底滑面大部分處于弱卸荷（風(fēng)化）變形巖體和基巖的分界面上，后部滑動面處于強卸荷（風(fēng)化）變形巖體和弱卸荷（風(fēng)化）變形巖體中。

對兩種滑移模式采用Janbu法極限平衡分析方法對邊坡進行穩(wěn)定性分析，對其在不同工況下的邊坡穩(wěn)定性進行計算分析，計算可能滑動面安全系數(shù)，得到的安全系數(shù)匯總?cè)绫?所示。

圖2 剖面滑移模式

表1 剖面各工況下的安全系數(shù)

從安全系數(shù)數(shù)值上看，在所有考慮因素中，地震對邊坡安全系數(shù)的影響比較大，兩種滑移模式中，地震對邊坡安全系數(shù)的影響都超過30%。從安全系數(shù)上看，安全系數(shù)均處于1.3以上邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，尤其是滑移模式2，自然狀態(tài)下安全系數(shù)達到3.0以上，因此該剖面邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）參數(shù)不確定性分析

從表2中可以看出，兩種滑移模式下安全系數(shù)都比較高，且破壞概率較低，兩種滑移模式下可靠度指標(biāo)均超過3.0，說明該邊坡在計算的滑移模式下基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表2 參數(shù)不確定性分析結(jié)果表

圖3～圖4中，兩種滑移模式下，頻數(shù)超過50的安全系數(shù)區(qū)間分別為：1.25～1.50和1.78～2.10，由此可看出，第一種滑移模式安全系數(shù)下限略小于第二種滑移模式。此外，第一種滑移模式的安全系數(shù)與第一層碎石土和第二層強風(fēng)化（卸荷）變形巖體的內(nèi)摩擦角相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為：0.4010和0.8988；第二種滑移模式安全系數(shù)與第二層強風(fēng)化（卸荷）變形巖體、第三層弱風(fēng)化（卸荷）變形巖體和第四層基巖的內(nèi)摩擦角相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.4384、0.3559和0.7839，其中與第四層的相關(guān)性要大于第二層和第三層。

圖3 滑移模式1參數(shù)不確定性分析

圖4 滑移模式2參數(shù)不確定性分析

2.2 隨機搜索滑移面

（1）參數(shù)確定性分析

對滑移模式2的剖面進行隨機搜索滑動面，計算得到的邊坡不同水平位置滑動面及其安全系數(shù)圖譜如圖5～圖7所示。

圖5 工況1危險滑動面位置及安全系數(shù)分布圖

邊坡在自然狀況下，安全系數(shù)處于1.70以上，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；自然邊坡考慮地震后，安全系數(shù)整體降低明顯，但安全系數(shù)基本都處于1.20以上，在該計算模式下，邊坡整體穩(wěn)定；考慮暴雨的工況邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)在1.7以上，邊坡穩(wěn)定性較好。

圖6 工況2危險滑動面位置及安全系數(shù)分布圖

圖7 工況4危險滑動面位置及安全系數(shù)分布圖

（2）參數(shù)不確定性分析

從表3中看出，兩種隨機搜索模式下，安全系數(shù)較小，邊坡的破壞概率小于10%。置信區(qū)間得到的安全系數(shù)區(qū)間下限值均大于1.15。

表3 參數(shù)不確定性分析結(jié)果表

從圖8～圖9看出，隨機搜索模式1和隨機搜索模式2計算的滑面位置相似，滑動體積較大，安全系數(shù)頻數(shù)大于50的區(qū)間分別為1.04～1.30和1.06～1.35。此外，安全系數(shù)均與第二層強風(fēng)化（卸荷）變形巖體的內(nèi)摩擦角相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為：0.9860和0.9940，相關(guān)程度較高。

圖8 隨機搜索模式1參數(shù)不確定性分析圖

圖9 隨機搜索模式2參數(shù)不確定性分析圖

對馬河滑坡Ⅱ區(qū)而言，由于該滑坡計算所取剖面位于山脊梁，但邊坡前緣地形相對較緩，邊坡前緣起到阻力體的作用導(dǎo)致邊坡的安全系數(shù)較高，在兩種滑移模式中，安全系數(shù)都處于1.30以上，說明邊坡基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，但應(yīng)注意堆積體出現(xiàn)表層坍塌變形，其主要原因是堆積體規(guī)模較大，表層土體相對密實度較低，在重力作用下，容易引起崩塌破壞，一般情況下，邊坡由于不存在高速滑坡的滑動界面，因此基本不會產(chǎn)生快速破壞，總體上講，該邊坡的穩(wěn)定性較好。

參數(shù)的不確定性分析結(jié)果表明，表層的穩(wěn)定性較好，破壞概率很低，安全系數(shù)置信區(qū)間下限值較大，隨機搜索滑移面的結(jié)果也表明邊坡的穩(wěn)定性較好。

3 結(jié) 論

本文在地質(zhì)條件分析的基礎(chǔ)上，選取了馬河滑坡Ⅱ區(qū)的一個典型坡面進行極限平衡計算，利用Janbu法對邊坡進行四種工況下的計算。分確定參數(shù)計算和不確定參數(shù)的計算，兩種模式中又分為確定滑面的穩(wěn)定計算和自動搜索滑面的穩(wěn)定計算得到以下結(jié)論：

（1）確定滑面計算中，四種工況中地震對安全系數(shù)影響較大，但邊坡整體仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）隨機搜索滑面計算中，四種工況中邊坡仍然處于穩(wěn)定狀態(tài)，但容易引起崩塌破壞，一般情況下，邊坡由于不存在高速滑坡的滑動界面，因此基本不會產(chǎn)生快速破壞，總體上講，該邊坡的穩(wěn)定性較好。

［1］ 黃潤秋，張倬元，王士天.當(dāng)前環(huán)境工程地質(zhì)領(lǐng)域的幾個主要問題及研究對策［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，1996，4（3）：10-16.

［2］ 徐衛(wèi)亞.邊坡級滑坡環(huán)境巖石力學(xué)與工程研究［M］.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2000.

［3］ 潘家錚.建筑物的抗滑穩(wěn)定和滑坡分析［M］.北京：水利出版社，1980.

［4］ 黃潤秋，許 強，陶連金，等.地質(zhì)災(zāi)害過程模擬和過程控制研究［M］.北京：科學(xué)出版社，2002.

［5］ 王思敬.巖石邊坡動態(tài)穩(wěn)定性的初步探討［J］.地質(zhì)科學(xué)，1977，（4）：372-376.

［6］ 王 騰，董 勝，馮秀麗.土參數(shù)對樁基水平響應(yīng)影響的研究［J］.巖土力學(xué)，2004，25（增刊）：71-74.

［7］ 董曉紅，梁桂蘭，許忠厚.邊坡穩(wěn)定分析方法綜述及發(fā)展趨勢研究［J］.水利與建筑工程學(xué)報，2012，10（5）：100-103.

［8］ 錢家歡，殷宗澤.土工原理與計算［M］.北京：中國水利水電出版社，1996.

Lim it Equilibrium Stability Analysis of Large Talus Slope

SUN Chao1，LV Yi-yan2，WU Ji-min3
（1.China Communication Planning and Design Institute forWater Transportation，Beijing 100101，China；2.Geotechnical Engineering Research Institute of HohaiUniversity，Nanjing，Jiangsu 210098，China；3.College of Earth Science and Engineering，Hohai University，Nanjing，Jiangsu 210098，China）

The stability issues of large talus slope are frequently encountered during hydraulic and hydropower engineerings，which would directly determine the engineering feasibility，construction investmentand safe operation.The stability analysis of slope is used to estimatewhether the slope is instability or needs to be reinforced.Taking a valley landslide mass in the reservoir area of Yalong River for instance，the Janbumethod is used here tomake the analyses for such the typical profiles as certain sliding surface and automatic searching sliding surface.The results show that the talus slope would have stability under four working conditions，but the earthquake would have greater impact on its safety coefficients.

large talus slope；Janbu slicemethod；automatic searching sliding surface；stability analysis

TU457

A

1672—1144（2014）01—0147—04

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.01.030

2013-02-24

2013-03-27

孫 超（1986—），男，吉林白城人，助理工程師，研究方向為水利項目的監(jiān)理工作。

呂一彥（1985—），男，浙江紹興人，博士研究生，研究方向為環(huán)境巖土工程。