基于极限平衡法和有限元强度折减法的某滑坡体稳定分析

基于极限平衡法和有限元强度折减法的某滑坡体稳定分析

董艳华;程壮;党莉

【摘要】This paper analyzes the stability of a landslide located in the upper reaches of a hydropower station in conditions of nature, storm, earthquake and water storage by combined use of limit equilibrium method and finite element strength reduction method. The results show that key point displacement mutation criterion is more appropriate than convergence criterion of solution in calculating slope stability by using the finite element strength reduction method. Earthquake, simultaneous rainfall and water storage may cause landslide. Some measures are recommended to be taken, such as strengthening resistance of earthquake; setting up cutoff ditches at the outer edge of the slope, drainage ditches inside the slope and grouting on the slope surface.%应用极限平衡法和有限元强度折减法,对某水电站中坝址上游的一滑坡体在自然、暴雨、地震、蓄水条件下进行了稳定性分析.结果表明:有限元强度折减法计算边坡稳定性时,以特征点位移突变作为失稳判据比解的不收敛判据更合适；地震作用,或者降雨和蓄水同时作用可能会引起滑坡.建议加强抗震措施,并在边坡外缘设置截水沟,坡内设置排水沟,在坡表面采取注浆措施.

【期刊名称】《三峡大学学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2012(034)002

【总页数】4页(P36-39)

【关键词】滑坡;极限平衡;有限元强度折减;安全系数

【作者】董艳华;程壮;党莉

【作者单位】三峡大学水利与环境学院,湖北宜昌443002;三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室,湖北宜昌443002;三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室,湖北宜昌443002

【正文语种】中文

【中图分类】TU42

目前用于边坡稳定性分析的方法主要有极限平衡法，室内模型试验和数值分析方法.极限平衡法认为边坡破坏是由于边坡内产生了滑动面，部分坡体沿滑动面滑动造成的，该方法将滑动土体划分成一系列土条，假定土条为不变形的刚体，各土条间引入条间力，建立多次超静定平衡方程，通过引入不同的假定求解平衡方程，主要包括Fellenious法、Bishop法、Janbu 法和 Morngenstern－Price法等［1－3］.极限平衡法计算简单，能快速给出边坡体的滑动安全系数，但该方法没有考虑岩土体本身的应力应变关系，不能反映边坡体的应力状态.室内模型试验［4］是将边坡实体按照相似原理，对尺寸、材料和荷载等按一定比例缩小后进行模型试验，能直观地反映边坡体破坏的演变过程，但模型试验周期长，并且很难做出完全相似于实体工程的相似模型.数值分析方法是以弹塑性理论为基础的，适用于处理非线性、非均质和复杂边界等问题，目前应用较为广泛的是有限元强度折减法［5－7］.以上方法计算假定不同，各有优缺点，鉴于此，本文综合应用极限平衡方法与有限元强度折减法对某滑坡体的稳定性进行了分析，并提出了加固建议.

1 基本原理

1.1 极限平衡法基本原理

极限平衡法以摩尔－库仑强度理论为基础，将滑坡体分为若干垂直土条，仅考虑静力平衡条件，建立滑坡体破坏时若干土条的极限平衡方程，由于大多数情况下问题是超静定的，需对多余的未知力做一些合理假定，使问题变得静定可解，极限平衡法安全系数定义、合理性假设条件及计算方法详见文献［3］.

1.2 有限元强度折减法基本原理

有限元强度折减法求解安全系数是基于强度储备概念提出的，它可以反映土体的非线性应力应变关系.其基本原理是通过不断折减强度参数，寻找使坡体达到极限状态时坡体的强度参数（粘聚力cc和内摩擦角φc），此时的强度参数为坡体临界强度参数.安全系数可以定义为相对于原始强度参数与临界强度参数的比值，也称为坡体的最小稳定安全系数Fs.强度参数折减［5］按下式进行：

采用有限元强度折减法分析边坡稳定性最关键的问题是对边坡失稳的判定.目前边坡失稳判据［6］主要有4种：①以特征点位移曲线出现明显转折时的状态作为边坡的极限状态；②以结构面某一幅值的广义剪应变贯通作为边坡破坏的极限状态；

③计算不收敛；④结构面塑性区贯通.赵尚毅等［7－8］将上述判据归为两类，第一类以广义塑性应变或等效塑性应变从坡脚到坡顶贯通作为边坡破坏的标志；第二类是在有限元计算过程中采用力和位移的不收敛作为边坡失稳的标志.在本文中选择解的不收敛性和特征点位移突变作为边坡失稳的判据.

2 工程概况

本文研究的滑坡体位于力丘河口～蒙古山河段上游段右岸，距下游某水电站中坝址约1.5km.下部基岩为三叠系侏倭组变质砂岩和花岗岩侵入体（T3zh），上伏堆积体平均厚度约为80～100m，有一定胶结，两侧发育冲沟.滑坡体前缘高程2 550m，后缘高程2 870m，现残余体积约2 100万m3.该变形体目前基本处于稳

定状态，据调查，其后部变形拉裂缝有发展的迹象.滑坡工程地质剖面图如图1所示.

图1 滑坡地质剖面图

3 计算模型与参数

3.1 计算模型

1）极限平衡计算模型：根据滑坡体地质和地下水位情况建立的自然工况，地震工况，暴雨工况和蓄水工况的计算模型，如图2～3所示.

2）有限元计算模型：模型宽度1 894m，高度1 436 m，竖直方向垂直于基岩的方向，向上为正，水平方向以倾向坡里为正；模型底部为竖直向约束，左右为水平向约束，模型材料均选用Mohr－Coulomb弹塑性材料.模型网格划分，共生成23 116个节点，13 697个单元，计算模型如图4所示.

图4 滑坡计算模型

3.2 计算参数

根据地质资料确定材料参数，边坡体的渗透性较小，计算中采用等效参数模拟地下水对坡体强度的影响，饱水条件下的c、f参数依经验按天然条件下的80%折减，降雨条件下的c、f参数依经验按天然条件下的90%折减.自然工况下相关材料参数见表1.

表1 材料参数表材料弹性模量／GPa 泊松比 c／MPa φ／°密度／（t·m－3）alq4 0.05 0.34 0.06 30 2.1 fglq 0.08 0.33 0.08 28 2 colplq4 1 0.3 0.15 35 2.6 fglq滑带 0.08 0.33 0.08 28 2 t31强风化 3.2 0.27 0.4 38 2.65 t31弱风化 4 0.25 0.5 40 2.68 t31微风化 9.6 0.24 1.2 48 2.73 t32强风化 2.4 0.28 0.3 34 2.65 t32弱风化 4.8 0.26 0.6 40 2.68 t32微风化8 0.25 1 45 2.71