郑 伟

(新疆塔里木河流域干流管理局，新疆 库尔勒 841000)

1 引言

边坡是一种常见的工程结构，在一些特定的环境下，松散堆积体占了很大比例。当遭受外部荷载如地震、暴雨冲击作用下，极易发生失稳导致破坏，造成人民财产安全损失。由于现场监测和室内土工试验的局限性，数值模拟是解决边坡问题的有效方式。相对于传统的极限平衡法有限元法由于其原理清晰、计算简单而又精确，即兼顾了计算效率又能保证不错的计算精度，因而是计算边坡稳定性问题中的一种常用的可靠、有效的工具。赵尚毅[1]利用有限元方法，比较了不同的边坡屈服准则，通过有限元法计算的结果与传统方法进行对比，发现比较接近。付雪等人[2]利用FLAC 3D 软件计算了达到屈服极限时土质边坡的塑性流动特性，并通过实际工程监测数据验证了模型的有效合理性，计算出了边坡的合理坡度。本文基于某地超高边坡工程滑坡实例，对比不同传统计算方法和不同工况下该滑坡的安全系数，并通过有限元软件建立了自然和暴雨工况下的超高边坡有限元二维模型，对横向位移、塑性区分布、增量应变进行分析。

2 滑坡区概况

2.1 工程地质特征

项目地貌属于山间谷沟类型。该工程由人工填充堆砌而成，查阅相关规范，属于Ⅰ级重要工程。该地较为干旱，但在夏季7 月～8 月仍有较多的降水，且多为暴雨，雨量大，易受到大雨冲击。地壳运动少，很少受到地震荷载作用，地震烈度大约为Ⅶ度。此外，由于其位置特殊，易受到当地人为因素影响。该坡的坡面较陡且不均匀，65°～70°不等。滑坡构造包含前级滑坡体、后级滑坡体、南块和北块，后期建造了桩基础进行加固。滑坡全貌见图1。

图1 滑坡全貌示意图

在本研究中，主要研究对象以南块滑坡为主。滑坡前后均有当地民用建筑，左右边界断裂处呈现为羽毛状。埋深大约为4.0 m～15.6 m，主要滑坡断面后级倾角约65°，滑面倾角约为10°左右，滑坡部分体积约为158000 m3。滑坡体填土多为砂土、碎石，还存在许多建筑垃圾材料。

2.2 滑坡特征

滑坡变形目前比较严重并随着时间的推移不断复杂。如图2 展示了四种该边坡的破坏特征，图2(a)为前缘鼓胀挤压破坏，图2(b)为后缘出现的张拉裂缝，图2(c)为坡体面上下开错，图2(d)为后部张拉裂隙。坡体左右边界出现的裂缝宽度约1 m～3 m，充分体现了滑坡体变形破坏特征。

图2 滑坡破坏特征

3 滑坡稳定性分析

3.1 极限平衡法

边坡稳定性分析方法分为确定性分析和不确定性随机方法分析，考虑到存在堆积体的情况，普遍用典型的确定性分析方法来计算稳定性，如Morgenstern-Price 法、水平条分法、竖向条分法、传递系数法和Janbu 法等。考虑到该地区的水文地质原因，以及发生地震的概率和等级均较低，故而计算时忽略地震对边坡稳定性的影响。

在稳定性计算目标为滑坡的主轴断面，工况分为自然状态和暴雨状态，根据相关规范和参考文献进行参数的选取，见表1。

表1 土体参数

为研究滑坡稳定性，利用Slide 软件建立滑坡平面应变模型，采用强度折减法、传递系数法和Janbu 条分法计算安全系数。滑坡模型见图3。

图3 滑坡计算模型

三种方法计算的安全系数见表2。由表2 可知，滑坡体前缘在自然和暴雨工况下均呈现不稳定状态，滑坡体后缘在暴雨状态下不稳定，在自然条件下欠稳定。安全系数在0.978～0.982 之间，低于符合规定的1.1，该边坡存在滑坡风险且缺少安全储备。

3.2 有限元法

3.2.1假定条件

为研究滑坡的稳定性破坏特性，利用有限元软件进行计算求得数值解。基于以下假设:

(1)均匀性假设。实际材料性质存在不均匀性，即材料各部分参数虽然差异不大但仍存在差异，在有限元模拟中，假设材料是均匀的，每一点的性质和力学参数相同。

(2)各向同性假设。实际土体为不规则个体，在空间中的每个方向特征表现不同，为各向异性。在模拟中假设材料各向同性，不同方向的力学性质不存在差异。

(3)半无限空间体。为划分边坡模型的边界条件，假定该模型存在于半无限空间体中，不需要对全部边界进行设置划分。

3.2.2网格划分和边界条件

在有限元模拟中设置相关边界条件，基于半无限空间体中理论，下边界设置为固定端，左边界和上边界自由，右边界水平固定。网格进行局部细化处理。滑坡有限元网格划分模型和应力模型见图4，共生成18452 个单元，150234 个应力节点。

图4 滑坡有限元模型

3.2.3材料模型参数

该边坡模型划分为四层，从下到上分别为基岩层、中风化层、泥岩层和填土层。材料类型均选用摩尔-库伦模型，具体参数见表3。

表3 模型各土层参数

3.2.4计算结果分析

图5展示了两种工况下的边坡水平位移情况。从图中可以看出，水平位移主要集中在坡度较为陡峭的坡面部分。在自然工况下，水平位移最大值为55 mm，见图5(a)。在暴雨工况下，水平位移最大值达到了86 mm。相比之下，暴雨工况的水平位移更大，稳定性较差。这是由于边坡土体在长期自然条件下形成了复合体，对外部荷载抵御性较强，而在暴雨作用下，打破了这种平衡，导致强度丧失，边坡失稳。

图5 边坡水平位移云图

图6 展示了两种工况下的边坡塑性变形情况。从图中可以看出，塑性区主要集中在坡面附近，暴雨工况下的塑性变形区大于自然条件下的塑性变形区。在自然工况下，塑性区未贯穿土体，而在暴雨工况下，塑性区贯穿土体到达下部坡面，故在暴雨作用下，边坡更容易出现过大变形发生失稳破坏。

图6 边坡塑性变形区分布图

图7展示了两种工况下边坡剪应力增量情况。从图中可以看出，自然工况下的边坡剪应力增量在数值上小于暴雨工况，趋势基本一致，增量区主要存在于边坡坡面往下区域，均出现两条增量区贯穿地面，形成裂缝。说明滑坡灾害不仅对坡面以下造成影响，还会对坡顶地面造成损害。

图7 边坡剪应变增量图

3.2.5稳定性分析

利用有限元强度折减法对该边坡模型进行稳定性分析，计算安全性系数，与前文利用极限平衡法计算出的安全系数进行对比，并确定危险界面即临界滑裂面的位置。

计算出在自然工况下的安全系数为1.03，在暴雨工况下的安全系数为0.97，与前文利用极限平衡法计算出的安全系数相比，有限元强度折减法计算出的安全系数偏大，存在数值解和解析解之间的差异。此外，该安全系数仍然不满足需求，边坡仍存在破坏风险。

图8为两种工况下的边坡临界破坏面位置示意图。从图中可以看出，临界破坏面位置存在于边坡坡面正下方，两种工况下的破坏面均贯通地面形成裂缝，而暴雨工况下的破坏面基本连接在一起，相对于前者更易发生土体松动，导致失稳。

图8 边坡临界破坏面

4 结论

本文利用极限平衡法中的多种确定性分析方法计算出滑坡的安全系数，利用有限元软件建立了堆积体边坡有限元模型，分析了横向位移、剪应变增量以及塑性区分布，此外，利用有限元强度折减法计算了边坡的安全系数，确定了临界滑裂面的位置，为实际工程中的边坡处理和防治提供了理论基础。得出结论如下:

(1)利用多种方法计算边坡安全系数，均达不到设计要求，边坡处于不稳定状态。

(2)滑坡破坏位置主要为前缘坡面处，最大位移和塑性区均存在于坡面和坡面下方附近，两种工况下边坡破坏时会在地面形成裂缝。

(3)暴雨条件下，通过对横向位移、塑性区、临界滑裂面的分析，发现其相对于自然工况，更易引起边坡变形出现失稳导致破坏。