滑坡穩定性與安全系數取值的相關性

李晨東，張 揚，陳邦華，葉興龍 四川省林業勘察設計研究院，四川 成都 610081

地質災害中，滑坡災害已經成為了我國地質災害防治的主要對象，其中穩定性分析是滑坡研究的主要任務之一。此外，邊坡治理投資大小以及穩定性的重要評價標準——安全系數，其取值是否合理，會對工程的整體經濟效益和安全性產生直接的影響。當然安全系數的取值還是要根據具體的情況進行計算來確定。除此之外，安全系數還受到極限平衡法假設條件的影響，因此安全系數的取值相關性也應該有嚴格的標準。本文便是針對三板溪水電站進水口滑坡和水布埡水電站大巖淌滑坡，分別采用剛體極限平衡法、塊體單元法、有限單元法對穩定安全系數和條間推力分布曲線進行分析和比較，以便達到研究各種方法的差異和計算精度以及各種方法穩定安全系數的取值標準的目的。

1 三板溪滑坡穩定性分析

1.1 基本概況

三板溪滑坡體主要在電站進水口上游右側的大支溝內存在，其支溝下游邊坡為陡崖形式，上游則為順層坡面，滑坡體的高程在375.0～657.0 米之間，厚度為5.0～40.0 米，平均厚度為15.20 米，約44 萬立方米。正常的水庫蓄水位約6 萬立方米，正常的蓄水位以上部分約38萬立方米。綜合來看，滑坡體構造比較復雜，巨型塊石、碎石等主要在高程為592.0 米以下分布。高程592.0～613.0 米為碎石夾粘土，塊徑約為0.5～1.0 米，含量約為50%～60%。凝灰質粉細砂巖是構成基巖的主要成分，滑坡體與基巖之間的滑帶為灰黃色可塑至軟塑狀粘土，厚度約為0.5 米。總體來說，三板溪滑坡體較為狹長單薄，滑面結構夠成復雜。在自然地狀態下，滑坡地下水位常處于滑動面以下，可以不考慮地下水對其的作用。表1 為滑坡物理力學性質參數。

表1 三板溪滑坡巖土體力學參數指標

1.2 剛體的極限平衡法

通常情況下，主滑面滑坡體可具體分為二十個條塊(圖1 所示)。對滑坡體穩定性進行分析時，一般應用改進剩余推力法、剩余推力法、以及Sarma 法等。運用上述幾種計算方法，得出計算結果，發現剩余推力法得出的安全系數(1.10458)要小于Sarma 法得出的安全系數(1.10807)。所以在針對三板溪滑坡的安全系數應用時應對其坡度較陡問題進行充分考慮，由于剩余推力法計算時會遇到剪切力大于極限抗剪強度的問題，因而會使得的計算結果偏小。再者，Sarma 法計算得出的安全系數與改進剩推力法基本接近，略偏高，這也就說明改進剩余推力法較剩余推力法來說以更為先進，能夠對極限抗剪強度問題充分考慮后在進行計算，因而該種計算方式的結果更趨于合理化。

圖1 天然狀態下主滑面S0 斷面條分

1.3 塊體單元法

對滑坡穩定性進行塊體單元法分析時，通常采用的滑坡穩定性判斷方法是“強度儲備安全系數法”。一是滑坡體比較穩定時，其位移應在允許值之內，確保某處屈服區穩定性，并且不會存在連續的屈服區。二是滑坡體不穩定時，位移量過大或是未收斂，則屈服區呈現不斷擴大的趨勢。可以通過建立三板溪滑坡體穩定分析塊體單元法計算模型進行滑坡的穩定性系數研究，模型中結點、離散平面、塊體的數量分別為305 個、94 個、20 個。通過相關計算(運用塊體單元法)得出滑坡穩定性安全系數為1.10。

1.4 有限單元法

對滑坡穩定性進行有限單元法分析時，通常應用的滑坡穩定性判斷方法仍為“強度儲備安全系數法”，其主要的優勢是可以減小有限元優化網格模型中出現的誤差，并且可以利用非線性有限元迭代計算進行折減后強度參數計算。倘若滑坡屈服區域出現連續并出現滑動通道時，說明滑坡此時已失去穩定性，極易出現滑坡災害;當然，倘若滑坡屈服區域未出現連續滑動通道，說明滑坡仍比較穩定，不會出現滑坡災害。同時，可以通過建立三板溪滑坡體穩定分析塊體單元法計算模型進行滑坡的穩定性系數研究，以減小誤差。優化的離散結點、四邊形單元數量分別為3243 個、3096 個。通過相關計算(運用有限單元法)得出滑坡穩定性安全系數為1.03。

1.5 各種方法的比較

通過以上的計算方法可以發現計算得出的安全系數最小的方法是有限單元法，而剛體極限平衡法與塊體單元法得出的安全系數基本相似。采用塊體單元法、剩余推力法以及Sarma 法得出的條間水平推力曲線(圖二所示)很相似，特別是條間水平推力最小的是有限單元法;條間水平推力曲線最為相近的是Sarma 法，造成該種現象出現的原因主要是剛體極限平衡法與塊體單元法在理論基礎上具有相似性。有限單元法注重分析滑坡體彈性區以及屈服區，這就使得條分面上的屈服性和彈性不完全，也就意味著可以較為精準的得到計算結果。綜上所述可得有限單元法得到的安全系數明顯低于剛體極限平衡法，而剛體極限平衡法與塊體單元法的允許安全系數則與取得的結果幾乎接近。

圖2 三板溪滑坡體條間水平推力分布曲線

2 大巖淌滑坡穩定性分析

2.1 基本概況

大巖淌滑坡上部距離壩軸線約800 多米，距離最大的挑距沖坑約60 米。該滑坡的滑坡原主要由兩部分組成，一是主滑體。二是東、西兩級的次滑體，滑坡的結構組成比較復雜。調查相關資料得知，此滑坡的總面積約為0.196 平方千米，厚度為25～40 米，總體積約為588 萬立方米。該滑坡的主滑體呈狹長帶狀在平面上分布，特點是厚度較大，較為平緩，滑坡體相對高差約為225 米，因此勢能較高。

2.2 剛體極限平衡法

將該滑坡的主滑面滑坡體具體分為二十個條塊(圖3 所示)。對滑坡體穩定性進行分析，改進剩余推力法計算得出的安全系數值為1.41692;剩余推力法計算得出的安全系數值為1.42953;Sarma 法計算得出的安全系數值為1.41872。

圖3 大巖淌滑坡B-B 剖面的條分情況

2.3 塊體單元法

可以通過建立大巖淌滑坡體穩定分析塊體單元法計算模型進行滑坡的穩定性系數研究，其中結點、離散平面、塊體的數量分別為334 個、103 個、20 個。通過相關計算(運用塊體單元法)得出滑坡穩定性安全系數為1.47。

2.4 有限單元法

計算網格最優化后，離散結點、四邊形單元數量分別為3639 個、3483 個。通過相關計算(運用有限單元法)得出滑坡穩定性安全系數為1.31。

2.5 各種方法的比較

較三板溪滑坡來說，剛體極限平衡法與塊體單元法得出的安全系數基本相似，而計算得出的安全系數最小的方法是有限單元法。Sarma法、有限單元法、塊體單元法、剩余推力法計算的條塊水平推力大小的曲線分布也與三板溪工程的計算結果幾乎相同。

3 結語

綜上所述，本文通過對三板溪滑坡及大巖淌滑坡的穩定性進行了分析計算，分別是利用剛體極限平衡法、塊體單元法、有限單元法等方法進行計算，可以得到相應的安全系數。計算得出的安全系數最小的方法是有限單元法，而剛體極限平衡法與塊體單元法得出的安全系數基本相似。并且相應的力學模型、分析方法、以及參數選取應與相關的安全系數值相統一。運用安全系數對滑坡穩定性進行系統分析，從而更好地采取積極措施降低滑坡對人們生命財產帶來的破壞影響。

［1］徐青，陳士軍，陳勝宏.滑坡穩定性分析與安全系數取值研究［J］.中國地質災害與防治學報，2010，03:58-62.

［2］.對《關于滑坡穩定性在滑坡安全系數取值中的作用討論》—文討論［J］.中國地質災害與防治學報，2009，03:154.

［3］方玉樹.關于滑坡穩定性在滑坡安全系數取值中的作用討論［J］.中國地質災害與防治學報，2008，03:149-153.