江俊杰 劉東澤 盧應(yīng)發(fā) 吳京戎 何英東

摘 要：為了研究邊坡漸進(jìn)破壞過程及穩(wěn)定性演化規(guī)律，在傳統(tǒng)條分法基礎(chǔ)上引入兩種土體本構(gòu)模型，將變形與受力結(jié)合建立新型條分法，并提出一種新型邊坡穩(wěn)定性分析方法，從滑面點(diǎn)、滑面和滑體進(jìn)行多維度描述，有效地展現(xiàn)滑坡漸進(jìn)破壞過程。對(duì)卡子灣滑坡進(jìn)行實(shí)例分析，結(jié)果表明：用傳統(tǒng)穩(wěn)定性方法計(jì)算的穩(wěn)定系數(shù)為１．０６５ ９，即滑坡為欠穩(wěn)定狀態(tài)，結(jié)合滑坡的點(diǎn)面體評(píng)價(jià)指標(biāo)分析，滑坡在臨界狀態(tài)前移過程中，條分法計(jì)算的第２９ 條塊出現(xiàn)突變，證明滑坡在臨界狀態(tài)點(diǎn)移動(dòng)至第２９ 條塊后可能會(huì)突然發(fā)生整體破壞，并且將理想彈塑性模型與剪應(yīng)力模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得到基于剪應(yīng)力本構(gòu)模型的條分法更加接近滑坡受力情況，此類方法可以為滑坡的監(jiān)測預(yù)警提供參考。

關(guān)鍵詞：條分法；本構(gòu)模型；臨界狀態(tài)；滑坡；漸進(jìn)破壞

中圖分類號(hào)：Ｐ６４２．２２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０３．００８

引用格式：江俊杰，劉東澤，盧應(yīng)發(fā)，等．基于改進(jìn)條分法的滑坡穩(wěn)定性分析［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（３）：３９－４６．

我國自然地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)，且種類多、頻率高，成為世界上受自然地質(zhì)災(zāi)害損失最為嚴(yán)重的國家之一?；伦鳛樽畛Ｒ姷牡刭|(zhì)災(zāi)害之一，往往造成極大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國在１９４９—２０１１ 年因滑坡引起的死亡人數(shù)保守估計(jì)超過２５ ０００ 人，平均每年超過４００ 人，且年均經(jīng)濟(jì)損失約５ ０００ 萬美元［１］ 。僅在２０１０ 年，我國就發(fā)生滑坡２２ ３２９ 起，占到了全部地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的７２．８％［２］ 。為降低滑坡災(zāi)害的影響，我國政府及有關(guān)部門高度重視滑坡防治工作，滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)是滑坡防治工作的重要依據(jù)。郭亮等［３］ 采用極限平衡法對(duì)滑坡剖面的總抗滑力、總下滑力、穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，以此來分析滑坡的穩(wěn)定性；方玉樹［４］ 采用一般條分法對(duì)滑坡或潛在滑體內(nèi)有傾斜的相對(duì)弱面或端部條塊外側(cè)面傾斜且有水壓力作用時(shí)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析；雷德鑫等［５］ 采用蒙特卡羅隨機(jī)抽樣法分析不同工況下滑坡穩(wěn)定性的可靠度、失效概論及滑坡穩(wěn)定性系數(shù)對(duì)滑體物理力學(xué)參數(shù)的敏感性； 戴小軍等［６］ 通過ＵＤＥＣ 離散元程序?qū)脒吰聰?shù)值模擬和地下水分析已知條件與參數(shù)進(jìn)行強(qiáng)度折減計(jì)算，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析；呂文斌等［７］ 運(yùn)用極限平衡法和有限元數(shù)值模擬法對(duì)滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，以此來研究滑坡的穩(wěn)定性；蔣波等［８］ 對(duì)極限平衡法進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的極限平衡法可用于非極限狀態(tài)主動(dòng)土壓力的研究；王振等［９］ 在簡布條分法的基礎(chǔ)上引入剪應(yīng)力—剪切位移本構(gòu)模型，建立了一種基于位移改進(jìn)的簡布條分法，對(duì)滑坡的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析；Ａｚｍｏｏｎ 等［１０］ 在人工智能與傳統(tǒng)極限平衡法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法。

以上方法雖然在邊坡的穩(wěn)定性分析方面取得一定成果，但僅在傳統(tǒng)的穩(wěn)定性系數(shù)上進(jìn)行分析，沒有引進(jìn)漸進(jìn)破壞過程。本文在傳統(tǒng)計(jì)算方法的基礎(chǔ)上引入土體本構(gòu)模型，能夠有效地反映滑坡的漸進(jìn)破壞過程，將本構(gòu)模型引入條分法中，使變形和受力相結(jié)合，隨著滑坡不斷變形，穩(wěn)定性系數(shù)在發(fā)生變化，在此基礎(chǔ)上建立新型的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)體系，從而反映出滑坡從局部破壞發(fā)展至整體破壞的演化過程，利用邊坡漸進(jìn)破壞參數(shù)，對(duì)滑坡預(yù)防提供參考。

１ 漸進(jìn)破壞穩(wěn)定性計(jì)算方法

１．１ 理想彈塑性模型計(jì)算

利用理想彈塑性模型進(jìn)行計(jì)算時(shí)，在剪應(yīng)力達(dá)到臨界應(yīng)力之前，應(yīng)力—應(yīng)變?yōu)榫€性關(guān)系；在剪應(yīng)力達(dá)到臨界應(yīng)力之后，應(yīng)力不再發(fā)生變化，計(jì)算公式為

３．３ 計(jì)算分析

當(dāng)庫水位為１７５ ｍ 時(shí)，在５０ ａ 一遇暴雨作用下，卡子灣滑坡處于最不利工況。根據(jù)傳統(tǒng)臨界狀態(tài)法，其穩(wěn)定系數(shù)為１．０６５ ９，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，其各條塊（條塊號(hào)簡稱ＳＮ）底邊應(yīng)力破壞率見圖６。各條塊下滑力、摩阻力和剩余下滑力見圖７。

采用部分強(qiáng)度折減法，當(dāng)折減系數(shù)為１．００ 時(shí)臨界條塊為第２８ 條塊。當(dāng)最后一條塊處于臨界狀態(tài)時(shí)強(qiáng)度折減法穩(wěn)定系數(shù)等于傳統(tǒng)強(qiáng)度折減穩(wěn)定系數(shù)，臨界狀態(tài)部分強(qiáng)度折減穩(wěn)定系數(shù)隨臨界條塊號(hào)（簡稱ＣＳＮ）的變化如圖８ 所示；不同臨界狀態(tài)部分強(qiáng)度折減法的富余穩(wěn)定系數(shù)如圖９ 所示。

基于部分強(qiáng)度折減法的理想彈塑性模型（簡稱ＰＥＰＭ）和剪應(yīng)力本構(gòu)模型（簡稱ＣＰＣＭ）進(jìn)行漸進(jìn)破壞計(jì)算，ＰＥＰＭ 和ＣＰＣＭ 的初始臨界條塊分別為第２８條塊和第２９ 條塊，選取臨界條塊號(hào)為２９、３２、３６ 的３個(gè)臨界條塊，其對(duì)應(yīng)的下滑力、摩阻力和剩余下滑力分別見圖１０～圖１２ 對(duì)于滑坡演變過程中的點(diǎn)、面、體系數(shù)變化，通過臨界條塊的前移進(jìn)行展現(xiàn)，其中圖１３ 為滑面點(diǎn)描述、圖１４～圖２１ 反映滑坡的滑面系數(shù)變化情況、圖２２～圖２４ 反映滑體的系數(shù)變化情況。

由圖１０～圖１２ 可知，基于剪應(yīng)力本構(gòu)模型的條分法計(jì)算的下滑力、摩阻力、剩余下滑力相比基于理想彈塑性模型的部分強(qiáng)度折減法計(jì)算的更為接近模型所確定的可能破壞狀態(tài)下的下滑力、摩阻力、剩余下滑力。圖１３ 所示理想彈塑性模型與剪應(yīng)力本構(gòu)模型確定的破壞區(qū)條塊應(yīng)力破壞率相等均為１，故差為０，未破壞條塊的應(yīng)力破壞率十分接近，當(dāng)條塊劃分?jǐn)?shù)量足夠多時(shí)，未破壞區(qū)應(yīng)力破壞率之差主要小于０，即剪應(yīng)力本構(gòu)模型的應(yīng)力破壞率大于理想彈塑性模型的。圖１４中，不同臨界條塊對(duì)應(yīng)的兩種模型的應(yīng)力破壞面積比相等，相同臨界狀態(tài)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的破壞面積相等。由圖１５可知，剪應(yīng)力本構(gòu)模型的應(yīng)力破壞比基本大于理想彈塑性模型的，更為接近對(duì)應(yīng)模型決定的可能破壞狀態(tài)下的應(yīng)力破壞比。圖１６～圖２１ 表明，剪應(yīng)力本構(gòu)模型計(jì)算的滑面特征變化系數(shù)均大于理想彈塑性模型的，即臨界狀態(tài)條塊相同時(shí)，剪應(yīng)力本構(gòu)模型確定的滑面狀態(tài)比理想彈塑性模型確定的滑面狀態(tài)更接近模型所決定的滑面破壞狀態(tài)。從圖２２～圖２４ 可以看出，相同臨界狀態(tài)下，剪應(yīng)力本構(gòu)模型計(jì)算的滑體穩(wěn)定系數(shù)大都小于理想彈塑性模型確定的穩(wěn)定系數(shù)，僅在滑坡整體破壞狀態(tài)附近出現(xiàn)剪應(yīng)力本構(gòu)模型穩(wěn)定系數(shù)略大于理想彈塑性模型的情況。原因是臨界狀態(tài)點(diǎn)在滑坡前緣附近時(shí)，剪應(yīng)力本構(gòu)模型的摩阻力逐漸趨于０，而理想彈塑性模型對(duì)摩阻力進(jìn)行了過度折減，但二者差距十分微小，故可忽略。

將部分強(qiáng)度折減法富余穩(wěn)定系數(shù)Ｆ余ｉ ｑ 與理想彈塑性模型和剪應(yīng)力本構(gòu)模型的主推力法穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行比較，如圖２５ 所示。部分強(qiáng)度折減法富余穩(wěn)定系數(shù)雖然在部分臨界狀態(tài)下穩(wěn)定性數(shù)值比兩種模型所得的主推力法穩(wěn)定系數(shù)小，但是其變化趨勢與滑坡漸進(jìn)破壞過程中地質(zhì)體的軟化特征的符合程度遠(yuǎn)不及兩種模型所得的ＭＴＭ 穩(wěn)定系數(shù)。

４ 結(jié)論

卡子灣滑坡處于１７５ ｍ 庫水位與５０ ａ 一遇暴雨最不利工況。理想彈塑性模型計(jì)算滑坡的臨界狀態(tài)位置為第２８ 條塊，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但從第２８ 條塊移動(dòng)至第２９ 條塊的過程中，滑坡的各項(xiàng)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)均顯示滑坡在此變化階段的穩(wěn)定性有一個(gè)明顯突降過程，這表示滑坡很有可能在臨界狀態(tài)點(diǎn)移動(dòng)至第２９ 條塊后突然發(fā)生整體破壞。全過程本構(gòu)模型計(jì)算滑坡的臨界狀態(tài)位置為第２９ 條塊，此后雖然各項(xiàng)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)出現(xiàn)突變情形，但各類評(píng)價(jià)指標(biāo)在臨界條塊為第２９ 條塊的情況下已經(jīng)十分接近其破壞狀態(tài)的指標(biāo)值，且與破壞狀態(tài)的指標(biāo)值相差小于２０％，在偶然因素作用下，滑坡極有可能突然發(fā)生整體破壞，情況不容樂觀。

雖然兩種模型的計(jì)算結(jié)果均顯示滑坡尚處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但由于理想彈塑性模型并未考慮滑體已破壞部位的巖土體應(yīng)力軟化特征，而全過程本構(gòu)模型計(jì)算的破壞所采用的是巖土體的殘余強(qiáng)度值，所以理想彈塑性模型的分析結(jié)果顯示滑坡整體穩(wěn)定性比全過程本構(gòu)模型的計(jì)算結(jié)果更加穩(wěn)定一些。因此，全過程本構(gòu)模型的計(jì)算結(jié)果更加接近滑坡的真實(shí)穩(wěn)定狀態(tài)，說明滑坡的真實(shí)穩(wěn)定狀態(tài)距離欠穩(wěn)定狀態(tài)已十分接近，整體滑移隨時(shí)可能發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

［１］ 桑凱．近６０ 年中國滑坡災(zāi)害數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析［Ｊ］．科技傳播，２０１３，５（１０）：１２９，１２４．

［２］ 解傳銀．基于權(quán)重模型的滑坡災(zāi)害敏感性評(píng)價(jià)［Ｊ］．中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），２０１１，４２（６）：１７７２－１７７９．

［３］ 郭亮，周曉亮，龐永莉．極限平衡法對(duì)某工程滑坡的計(jì)算與分析［Ｊ］．科學(xué)技術(shù)與工程，２０１２，１２（８）：１８０７－１８１０．

［４］ 方玉樹．滑坡與斜坡穩(wěn)定性一般條分法分析中滲流作用的簡化計(jì)算［Ｊ］．中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，２０１１，２２（３）：１２５－１２８．

［５］ 雷德鑫，易武，柳青，等．三峽庫區(qū)臥沙溪滑坡穩(wěn)定性的可靠度及敏感性分析［Ｊ］．安全與環(huán)境工程，２０１８，２５（１）：２３－２８．

［６］ 戴小軍，吳晨威，蔣仕林，等．地下水與荷載聯(lián)合作用的邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析：以重慶奉節(jié)電廠邊坡為例［Ｊ］．災(zāi)害學(xué)，２０２２，３７（２）：１２５－１３０．

［７］ 呂文斌，耿海深，魏賽拉加．基于極限平衡法和Ｍｉｄａｓ／ ＧＴＳ的張家灣滑坡穩(wěn)定性［Ｊ］． 科學(xué)技術(shù)與工程，２０２１，２１（１１）：４３６９－４３７８．

［８］ 蔣波，應(yīng)宏偉，謝康和，等．平動(dòng)模式下?lián)跬翂Ψ菢O限狀態(tài)主動(dòng)土壓力計(jì)算［Ｊ］．中國公路學(xué)報(bào)，２００５（２）：２４－２７．

［９］ 王振，葉曉明，劉永新．考慮滑坡漸進(jìn)破壞的改進(jìn)簡布條分法［Ｊ］．巖土力學(xué)，２０１８，３９（２）：６７５－６８２．

［１０］ ＡＺＭＯＯＮ Ｂ，ＢＩＮＩＹＡＺ，ＬＩＵ Ｚ．Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｅｅｐ ＬｅａｒｎｉｎｇＡｇａｉｎｓｔ Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ Ｌｉｍｉｔ Ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ＳｌｏｐｅＳｔａｂｉｌｉｔｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，２０２１，１１（１３）：６０６０．

［１１］ 盧應(yīng)發(fā)，張凌晨，張玉芳，等．邊坡漸進(jìn)破壞多參量評(píng)價(jià)指標(biāo)［Ｊ］．工程力學(xué)，２０２１，３８（３）：１３２－１４７．

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