Slide在库岸边坡路基稳定性研究中的运用

夏 鹏

(新疆农牧区水利规划总站，乌鲁木齐 830002)

1 概 述

近年来，随着交通事业的迅猛发展，河谷地区高速公路的建设也越来越常见，在建设中受到地形地貌的影响[1]，难免出现库岸边坡路基的开挖。库岸边坡由于受到库水的影响，使得边坡岩土体的物理力学参数发生变化[2]，其内摩擦角和黏聚力下降，土体饱和自重增加，导致库岸边坡垮塌，进而影响公路路基的稳定性及行车安全。

Slide软件由加拿大Rocscience公司研究开发， 可根据模型实际情况选择圆弧或非圆弧滑动的岩质或土质边坡稳定性分析[3]，模拟多种外部荷载、支护形式和地下水。其计算方法基于竖直条分法的极限平衡分析理论，对既定边坡可指定滑动面使其计算其稳定系数和敏感性分析，也可以使之自动搜索滑面进行稳定分析。本文采用Slide对元蔓高速深挖路堑段路基稳定性进行分析，并对库岸边坡垮塌后路基稳定性进行计算分析，为路基的安全评判提供依据，对类似工程的建设提供指导和借鉴作用。

2 项目概况

2.1 工程简介

元江至蔓耗高速公路(简称元蔓高速)是红河州南部高速项目之一，元蔓高速在云南省高速公路路网中具有重要地位。路线走廊地形处于云南高原南缘，多为高峻的条带状山地，其山脉走向和河流走向与构造线方向基本一致，均呈北北西向伸展。总的趋势是北西高、南东低，主要山脉属哀牢山系。本合同段内最高山峰为哀牢山，海拔970 m；最低点位于元江河面，为128 m。文中选取路线K113+400～K113+652段作为研究对象，该段地形起伏较大，设计以深挖路堑形式通过，且路线近邻元江属典型的库岸区公路路基，该区域地形地貌见图1。

图1 区域地形地貌图Fig.1 The map of regional landforms

2.2 工程地质及水文条件

表1 深挖段各土层的主要物理、力学指标Table 1 The material parameters of soil in the cutting

本项目所处区域地表水系较发育，多呈树枝状展布，属于元江水系。区内主要河流为元江，流量和水位受季节影响较明显。雨季时，由于河流两侧山体汇水面积较大，会形成短时洪水。路线段位于元江谷坡上，元江汇水面积1 438 km2，年平均流量208～484 m3/s，最大(洪水期)流量为4 620 m3/s，年总流量为65.58×108～152.60×108m3。区域内强烈下切和溯源侵蚀作用，整个水系平面上呈树枝状。岩性石膏、板岩、泥岩、砂岩为主，受构造影响，岩体较破碎。路线多沿元江南岸展布，多次跨域元江一级支流，地表水体较发育。

3 库岸路基稳定性研究

3.1 水对岩土体的影响

地下水普遍赋存于岩土体之中，它与岩土体间的相互作用可总结为以下两方面[4]：①地下水与岩土体间发生物理、化学的相互作用，使岩土体和地下水的性质或状态发生变化；②地下水与岩土体间发生力学方面的相互作用，它不断地改变着作用双方的力学状态[5]。水对岩石产生化学作用的前提为岩石中含有可溶性碳酸盐类物质且水中含有某些酸或碱的成分，而自然状态下水对岩土体的作用大部分为物理作用，即随着地下水位的升高，处于不饱和状态的岩土体受到地下水的浸泡导致岩土体的天然容重提升到饱和容重，使得滑坡体自重增大作用在滑面上的有效自重增大。

凝聚力和内摩擦角是影响岩土体抗剪强度的重要参数。由于水对岩土体的物理作用，当岩土体从非饱和状态变为饱和状态时，水对岩土体将起到软化作用，岩土体的c、φ值将降低，从而使得岩土体的抗剪强度大大减少[6]。在土体容重增加的情况下，边坡的抗滑稳定性系数也将显著减小，使得库岸地区边坡垮塌，影响路基的稳定性。

3.2 边坡稳定性分析

边坡稳定性分析是边坡工程研究的核心问题，极限平衡法作为边坡稳定性分析的传统方法，通过安全系数定量评价边坡的稳定性。该法基于钢塑性理论，只注重岩土体破坏瞬间的变形机制，而不关心土体变形过程，只要求满足力和力矩的平衡、Mohr-Coulomb准则[7]。根据边坡破坏的边界条件，应用力学分析方法，对可能发生的滑动面，在各种荷载作用下进行理论计算和抗滑强度的力学分析。通过反复计算和分析比较，对可能的滑动面给出稳定性系数。

对边坡采用极限平衡法计算其稳定性时方法很多，目前常用的有瑞典条分法、Bishop法、Janbu法[8]、Spencer法、Sarma法等。结合文中所研究对象，采用Janbu和Bishop法进行迭代计算求解最小安全系数滑面。Janbu法计算时对边坡进行土条划分，并对每个条块进行受力平衡分析。

利用土条力矩平

XiΔx-ΔQihei+Ei(hi+1-hi-Δxtanαi)+

其中：

hi+1-hi-Δxtanαi=Δhi

代入得:

ΔEi=ΔQi-ceΔx[1+tanαitan(αi-φe)]+

(ΔWi+qΔx-ΔXi)tan(αi-φe)

∑{ΔQi-ceΔx[1+tanαitan(αi-φe)]+

(ΔWi+qΔx-ΔXi)tan(αi-φe)}=0

式中：ΔWi为土条的自重；Ei、Ei+1为土条两侧的法向力；Xi、Xi+1为竖向剪切力；ΔQi为水平惯性力；hei为其作用点与土条底距离；qΔx为边坡表面垂直荷载；αi为土条i滑动面的法线与竖直线的夹角；c为滑动面上土的黏聚力；φ为内摩擦角。

通过上述式子的迭代计算，可求出边坡的稳定安全系数。通过设定收敛条件来控制迭代的次数，从而达到简化计算的目的。

4 数值模拟与分析

文中以K113+420段深挖路堑作为研究对象，并对其进行数值模拟。对K113+42位置的断面图进行简化后保存为DXF文件，并将该文件导入软件Slide中，对其进行基本参数设置并划分网格，见图2。

图2 库区边坡模型网格划分Fig.2 The mesh model of slope on reservoir banks

模拟路基段地质岩层主要为粉质黏土、板岩、砂岩，对该模拟进行计算分析时采用Janbu和Bishop两种方法进行，计算模拟结果见图3、图4。

图3 Janbu法计算库岸垮塌区及最小安全系数滑面信息Fig.3 The calculation of slope collapse area and the minimum safety coefficient of surface by Janbu method

图4 Bishop法计算库岸垮塌区及最小安全系数滑面信息Fig.4 The calculation of slope collapse area and the minimum safety coefficient of surface by Bishop method

对比两种计算方法所得结果可发现，Bishop法对文中所建模型的计算是基于滑裂面为圆弧的假定，而Janbu法则是假定滑裂面为非圆弧，两种方法的计算结果也有一定的差异。Bishop法计算的滑裂面最小安全系数为0.553，Janbu法计算的最小安全系数则为0.536。根据模型特点分析，由于滑裂面所经过底层为粉质黏土和板岩，可知该边坡的滑裂面为非圆弧形式，所以Janbu法计算的结果更能反映边坡的实际情况。

同时考虑到水对岩土体的软化作用，文中还以无库水影响的模型进行Janbu法计算，分析在无地下水影响的条件下该库岸边坡的稳定性。结果见图5。

模拟结果可以看出，在没有地下水的影响下边坡滑面的最小安全系数为0.664，比有水条件下的边坡稳定性安全系数大。由此对比可知，水对边坡岩土体的软化影响较严重。此外，文中在Janbu法首次模拟的基础上，以最大范围的破坏模型作为路基边坡稳定性的模拟来计算路基边坡的稳定性，结果见图6。

通过软件Slide的模拟计算，Janbu法计算的库岸垮塌区最大滑裂面边缘距离路基还有20～25 m。以首次最大范围破坏后为基础进行路基稳定性模拟可知，二次破坏范围仍在路基范围之外，且最小画面安全系数为1.320，即库岸边坡发生破坏后路基稳定性将不会受到影响。

图5 Janbu法计算无地下水模型破坏区及最小安全系数滑面Fig.5 The calculation of slope collapse area and the minimum safety coefficient of surface without groundwater by Janbu method

图6 路基边坡稳定性计算(Janbu法)Fig.6 The calculation of subgrade slope stability(The method of Janbu)

5 结论与展望

库岸边坡的稳定性由于水库蓄水发生了较大变化，通过分析可得到如下结论:

1) 库岸边坡的破坏模拟计算中，滑裂面的破坏形式及计算方法的选择对模拟结果有较大的影响。Janbu法对于非圆弧滑裂面的模拟计算更贴近实际，对路基的选址具有一定的指导作用。

2) 边坡岩土体的稳定性计算中，由于水的作用使得岩土体的物理力学性质降低，其稳定性系数大大降低。

3) 文中通过Slide验算路基的稳定性，计算显示路基在库岸边坡首次破坏后其稳定性仍然满足要求。

由于Slide软件在建模期间不考虑岩层的倾向及产状，模型和实际相比进行了较大的简化。同时水对岩土体物理力学参数的改变研究，其计算结果与实际情况也存在一定的差距，在未来的计算中还需进一步考虑岩层产状对边坡稳定性的影响，使其结果更加和实际相符，具有更好的指导作用。