基于極限平衡法的滑坡穩定性分析

范慧琪

（山西潞安集團潞寧孟家窯煤業有限公司，山西 忻州 036700）

在工業生產中，地質災害往往會導致生產與財產的嚴重損失。本文依據山西孟家窯礦實際水文地質情況，分析孟家窯礦地表邊坡穩定性，防止雨季或者洪水季節到來時對地表道路運輸產生影響。在對孟家窯礦地表的邊坡穩定性進行預估分析時，應了解該礦邊坡力學性質并做出安全系數評價。

國內外學者在對滑坡地質穩定性研究逐漸深入的過程中，按照發生原理的不同將滑坡穩定性分析法分為：定性分析法、定量分析法、不確定分析法以及人工智能方法[1-2]。由于極限平衡法所需要的數學模型較為簡單，其對剖面以及加載形式的適應性較強，因此該方法是用于分析邊坡穩定性的普遍方法，其中極限平衡法中又包括剛體、彈塑性體極限平衡法以及三位極限平衡法[3-4]。與此同時，極限平衡法也存在其自身的局限性，其局限性主要體現在主要假設中的整體滑動假設，以及不考慮支護結構與巖體之間的力學作用及變形關系。為解決此問題，學者們使用數值方法彌補極限平衡法的不足。數值方法中以有限元法數值建模的方法被用于計算邊坡的穩定性問題[5-6]。

通過對上述方法的探究，本文將使用極限平衡法對山西孟家窯礦地表邊坡的滑坡穩定性進行分析，得出其安全系數，并通過數值模擬的方法對比低水位與高水位影響下的邊坡穩定性。

1 地質概況

山西孟家窯煤礦位于寧武縣鳳凰鎮杜莊-余莊鄉榆樹坪村一帶，距縣城9km，行政區劃隸屬寧武縣鳳凰鎮和余莊鄉管轄。井田地理位置：東經112°11′17″～112°14′3″，北緯38°55′52″～38°59′51″；中心地理坐標：東經：112°12′56″，北緯：38°57′52″。

本區域地表水為恢河支流。根據含水層巖性及含水介質特征，區域主要含水巖組有：碳酸鹽類巖溶裂隙含水巖組、碎屑巖類裂隙含水巖組、松散巖類孔隙含水巖組。根據區域地質和工程地質鉆孔資料顯示，由于地質構造作用使得地層的層理發生變化，滑坡所在區域地質構造強烈，巖石較為破碎。該區域滑坡發育經歷過多個階段，先是出現局部裂縫，其后裂縫逐漸貫通，形成滑坡周界。

2 計算分析

2.1 基本原理

為了解決滑坡地質穩定性問題，本文采用極限平衡法進行分析計算。

極限平衡法作為分析邊坡穩定性的主要手段之一，該方法由諸多學者完善，得出不同原理下的分析方法，具體的主要分為：滑面、平衡條件以及條間力假設等[5]。不同理論的考慮因素如表1所示。

表1 不同原理極限平衡法對比

如表1所示，根據條件不同共有六種計算方法。本文選用的GeoStudio計算軟件中帶有表1中的四種極限平衡計算方法，運用四種分別計算其輸出結果。根據軟件計算條件的要求，對滑坡做出一定的模型簡化假設：（1）巖土為各向均質體；（2）地下水為二流穩定流，且不考慮地下水蒸發。

其中，計算河渠間潛水流為公式（1）：

式中：

h1、h2-水位高程，分別為滑坡斷面上的已知點的地下水位高程；

l、x-水平距離。

2.2 理論計算

假設滑坡滑面為泥砂巖，且將滑體與滑帶作為一個整體分析。計算所需巖土力學參數如表2所示。

根據上述給出的巖土力學參數，帶入計算軟件GeoStudio進行計算，得出由表1中所示的前四種方法得出的安全系數與水位埋深隨著觀測日期的變化趨勢。其具體的變化趨勢如圖1所示。

表2 巖土力學參數

圖1 不同算法滑坡穩定性安全系數統計

由圖1分析可以得出：1～9月為滑坡不穩定或較失穩狀態，5～8月安全系數起伏較大，10～12月安全系數趨于穩定狀態。1～4月安全系數相對穩定，4～6月安全系數下降，滑坡失穩發生幾率變大，分析原因可能為氣候降水引起水位上升導致滑坡。6～8月安全系數回升，9月有一定幅度下降，而后持續上升，邊坡穩定。

3 數值模擬

3.1 模型建立

為分析孟家窯礦地表滑坡穩定性問題，運用ABAQUS數值模擬軟件，基于摩爾庫倫準則本構建立ABAQUS數值模擬模型，模型的長×寬×高=535.96m×50m×183.22m，其中地層分為4層，從上至下依次為風化砂巖、泥巖、風化泥巖以及砂巖。模型邊界條件為：模型前后以及左右兩側，即X軸、Y軸方向的位移限制為0；模型底部X、Y、Z方向上位移為0；邊坡臨空位置不設置約束。建立的數值模型最終形態如圖2所示。

圖2 邊坡數值模型

3.2 模擬計算及分析

在分析水位與安全系數之間的關系時，在全年的水位分布中，全年的最小水位即為最低水位狀態，即為圖2中的5月。反之，全年的最大水位即為最高水位狀態，即為圖2中的12月。

（1）低水位下數值模擬分析

低水位狀態下模型的位移以及等效塑性應變形態如圖3所示。

圖3 低水位下模型位移及塑性應變變化

如圖3所示，低水位下的工點6處的邊坡位移量小，且邊坡未處于塑性區內，所以此處邊坡處于穩定狀態；工點10處的位移量為0.25mm，且位移多出現在坡腳位置。由此可以得出：工點6與工點10連線區域的平均位移量較小。工點12處的位移分布較為均勻，平均位移為0.15mm。由圖3（b）可得土體產生的塑性區主要集中在工點10與工點12之間，且塑性區的底部分布在地層的不整合接觸帶上。因此，由圖3綜合分析得出低水位下的滑坡基本處于穩定狀態。

（2）高水位下數值模擬分析

高水位狀態下的模型的位移以及等效塑性應變形態如圖4所示。

圖4 高水位下位移及等效塑性應變圖

由圖4高水位狀態下的位移及應變分析可得：在工點6的區域內巖體依舊較為穩定，而在工點10及工點12處，其位移量有明顯增大，其位移的分布規律較低水位狀態下的相對一致。工點10處的位移量為0.85mm，工點12的位移量為0.43mm。由此可以看出工點10與工點12處的水位對滑坡的位移量的變化有著較為顯著的影響。

4 結論

（1）由極限平衡法分析得出圍巖滑坡不穩定、時間長，但其安全系數總體呈增漲趨向，邊坡總體趨于穩定狀態，且穩定性受水位影響較大。由ABAQUS數值模擬分析可得，水位過高時會出現臨滑狀態。

（2）數值模擬分析低水位及高水位的滑坡穩定性，通過位移及塑性區范圍判斷，高水位時滑坡失穩嚴重，且由數值模擬分析得出其位移及塑性區的增加主要集中在工點10至工點12之間，即為邊坡的中部，所以分析得出滑坡的產生主要集中在坡體中部位置。