基于改进条分法的滑坡稳定性分析

江俊杰 刘东泽 卢应发 吴京戎 何英东

摘 要：为了研究边坡渐进破坏过程及稳定性演化规律，在传统条分法基础上引入两种土体本构模型，将变形与受力结合建立新型条分法，并提出一种新型边坡稳定性分析方法，从滑面点、滑面和滑体进行多维度描述，有效地展现滑坡渐进破坏过程。对卡子湾滑坡进行实例分析，结果表明：用传统稳定性方法计算的稳定系数为１．０６５ ９，即滑坡为欠稳定状态，结合滑坡的点面体评价指标分析，滑坡在临界状态前移过程中，条分法计算的第２９ 条块出现突变，证明滑坡在临界状态点移动至第２９ 条块后可能会突然发生整体破坏，并且将理想弹塑性模型与剪应力模型的计算结果进行对比分析，得到基于剪应力本构模型的条分法更加接近滑坡受力情况，此类方法可以为滑坡的监测预警提供参考。

关键词：条分法；本构模型；临界状态；滑坡；渐进破坏

中图分类号：Ｐ６４２．２２ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０３．００８

引用格式：江俊杰，刘东泽，卢应发，等．基于改进条分法的滑坡稳定性分析［Ｊ］．人民黄河，２０２４，４６（３）：３９－４６．

我国自然地质灾害易发，且种类多、频率高，成为世界上受自然地质灾害损失最为严重的国家之一。滑坡作为最常见的地质灾害之一，往往造成极大的经济损失和人员伤亡。

据统计，我国在１９４９—２０１１ 年因滑坡引起的死亡人数保守估计超过２５ ０００ 人，平均每年超过４００ 人，且年均经济损失约５ ０００ 万美元［１］ 。仅在２０１０ 年，我国就发生滑坡２２ ３２９ 起，占到了全部地质灾害总数的７２．８％［２］ 。为降低滑坡灾害的影响，我国政府及有关部门高度重视滑坡防治工作，滑坡稳定性评价是滑坡防治工作的重要依据。郭亮等［３］ 采用极限平衡法对滑坡剖面的总抗滑力、总下滑力、稳定性系数进行计算，以此来分析滑坡的稳定性；方玉树［４］ 采用一般条分法对滑坡或潜在滑体内有倾斜的相对弱面或端部条块外侧面倾斜且有水压力作用时的稳定性进行分析；雷德鑫等［５］ 采用蒙特卡罗随机抽样法分析不同工况下滑坡稳定性的可靠度、失效概论及滑坡稳定性系数对滑体物理力学参数的敏感性； 戴小军等［６］ 通过ＵＤＥＣ 离散元程序导入边坡数值模拟和地下水分析已知条件与参数进行强度折减计算，对边坡的稳定性进行分析；吕文斌等［７］ 运用极限平衡法和有限元数值模拟法对滑坡的稳定性系数进行计算，以此来研究滑坡的稳定性；蒋波等［８］ 对极限平衡法进行改进，改进后的极限平衡法可用于非极限状态主动土压力的研究；王振等［９］ 在简布条分法的基础上引入剪应力—剪切位移本构模型，建立了一种基于位移改进的简布条分法，对滑坡的稳定性进行计算分析；Ａｚｍｏｏｎ 等［１０］ 在人工智能与传统极限平衡法的基础上，提出了一种基于深度学习的边坡稳定性评价方法。

以上方法虽然在边坡的稳定性分析方面取得一定成果，但仅在传统的稳定性系数上进行分析，没有引进渐进破坏过程。本文在传统计算方法的基础上引入土体本构模型，能够有效地反映滑坡的渐进破坏过程，将本构模型引入条分法中，使变形和受力相结合，随着滑坡不断变形，稳定性系数在发生变化，在此基础上建立新型的稳定性评价体系，从而反映出滑坡从局部破坏发展至整体破坏的演化过程，利用边坡渐进破坏参数，对滑坡预防提供参考。

１ 渐进破坏稳定性计算方法

１．１ 理想弹塑性模型计算

利用理想弹塑性模型进行计算时，在剪应力达到临界应力之前，应力—应变为线性关系；在剪应力达到临界应力之后，应力不再发生变化，计算公式为

３．３ 计算分析

当库水位为１７５ ｍ 时，在５０ ａ 一遇暴雨作用下，卡子湾滑坡处于最不利工况。根据传统临界状态法，其稳定系数为１．０６５ ９，处于基本稳定状态，其各条块（条块号简称ＳＮ）底边应力破坏率见图６。各条块下滑力、摩阻力和剩余下滑力见图７。

采用部分强度折减法，当折减系数为１．００ 时临界条块为第２８ 条块。当最后一条块处于临界状态时强度折减法稳定系数等于传统强度折减稳定系数，临界状态部分强度折减稳定系数随临界条块号（简称ＣＳＮ）的变化如图８ 所示；不同临界状态部分强度折减法的富余稳定系数如图９ 所示。

基于部分强度折减法的理想弹塑性模型（简称ＰＥＰＭ）和剪应力本构模型（简称ＣＰＣＭ）进行渐进破坏计算，ＰＥＰＭ 和ＣＰＣＭ 的初始临界条块分别为第２８条块和第２９ 条块，选取临界条块号为２９、３２、３６ 的３个临界条块，其对应的下滑力、摩阻力和剩余下滑力分别见图１０～图１２ 对于滑坡演变过程中的点、面、体系数变化，通过临界条块的前移进行展现，其中图１３ 为滑面点描述、图１４～图２１ 反映滑坡的滑面系数变化情况、图２２～图２４ 反映滑体的系数变化情况。

由图１０～图１２ 可知，基于剪应力本构模型的条分法计算的下滑力、摩阻力、剩余下滑力相比基于理想彈塑性模型的部分强度折减法计算的更为接近模型所确定的可能破坏状态下的下滑力、摩阻力、剩余下滑力。图１３ 所示理想弹塑性模型与剪应力本构模型确定的破坏区条块应力破坏率相等均为１，故差为０，未破坏条块的应力破坏率十分接近，当条块划分数量足够多时，未破坏区应力破坏率之差主要小于０，即剪应力本构模型的应力破坏率大于理想弹塑性模型的。图１４中，不同临界条块对应的两种模型的应力破坏面积比相等，相同临界状态点对应的破坏面积相等。由图１５可知，剪应力本构模型的应力破坏比基本大于理想弹塑性模型的，更为接近对应模型决定的可能破坏状态下的应力破坏比。图１６～图２１ 表明，剪应力本构模型计算的滑面特征变化系数均大于理想弹塑性模型的，即临界状态条块相同时，剪应力本构模型确定的滑面状态比理想弹塑性模型确定的滑面状态更接近模型所决定的滑面破坏状态。从图２２～图２４ 可以看出，相同临界状态下，剪应力本构模型计算的滑体稳定系数大都小于理想弹塑性模型确定的稳定系数，仅在滑坡整体破坏状态附近出现剪应力本构模型稳定系数略大于理想弹塑性模型的情况。原因是临界状态点在滑坡前缘附近时，剪应力本构模型的摩阻力逐渐趋于０，而理想弹塑性模型对摩阻力进行了过度折减，但二者差距十分微小，故可忽略。

将部分强度折减法富余稳定系数Ｆ余ｉ ｑ 与理想弹塑性模型和剪应力本构模型的主推力法稳定系数进行比较，如图２５ 所示。部分强度折减法富余稳定系数虽然在部分临界状态下稳定性数值比两种模型所得的主推力法稳定系数小，但是其变化趋势与滑坡渐进破坏过程中地质体的软化特征的符合程度远不及两种模型所得的ＭＴＭ 稳定系数。

４ 结论

卡子湾滑坡处于１７５ ｍ 库水位与５０ ａ 一遇暴雨最不利工况。理想弹塑性模型计算滑坡的临界状态位置为第２８ 条块，处于基本稳定状态，但从第２８ 條块移动至第２９ 条块的过程中，滑坡的各项稳定性评价指标均显示滑坡在此变化阶段的稳定性有一个明显突降过程，这表示滑坡很有可能在临界状态点移动至第２９ 条块后突然发生整体破坏。全过程本构模型计算滑坡的临界状态位置为第２９ 条块，此后虽然各项稳定性评价指标出现突变情形，但各类评价指标在临界条块为第２９ 条块的情况下已经十分接近其破坏状态的指标值，且与破坏状态的指标值相差小于２０％，在偶然因素作用下，滑坡极有可能突然发生整体破坏，情况不容乐观。

虽然两种模型的计算结果均显示滑坡尚处于基本稳定状态，但由于理想弹塑性模型并未考虑滑体已破坏部位的岩土体应力软化特征，而全过程本构模型计算的破坏所采用的是岩土体的残余强度值，所以理想弹塑性模型的分析结果显示滑坡整体稳定性比全过程本构模型的计算结果更加稳定一些。因此，全过程本构模型的计算结果更加接近滑坡的真实稳定状态，说明滑坡的真实稳定状态距离欠稳定状态已十分接近，整体滑移随时可能发生。

参考文献：

［１］ 桑凯．近６０ 年中国滑坡灾害数据统计与分析［Ｊ］．科技传播，２０１３，５（１０）：１２９，１２４．

［２］ 解传银．基于权重模型的滑坡灾害敏感性评价［Ｊ］．中南大学学报（自然科学版），２０１１，４２（６）：１７７２－１７７９．

［３］ 郭亮，周晓亮，庞永莉．极限平衡法对某工程滑坡的计算与分析［Ｊ］．科学技术与工程，２０１２，１２（８）：１８０７－１８１０．

［４］ 方玉树．滑坡与斜坡稳定性一般条分法分析中渗流作用的简化计算［Ｊ］．中国地质灾害与防治学报，２０１１，２２（３）：１２５－１２８．

［５］ 雷德鑫，易武，柳青，等．三峡库区卧沙溪滑坡稳定性的可靠度及敏感性分析［Ｊ］．安全与环境工程，２０１８，２５（１）：２３－２８．

［６］ 戴小军，吴晨威，蒋仕林，等．地下水与荷载联合作用的边坡稳定性数值分析：以重庆奉节电厂边坡为例［Ｊ］．灾害学，２０２２，３７（２）：１２５－１３０．

［７］ 吕文斌，耿海深，魏赛拉加．基于极限平衡法和Ｍｉｄａｓ／ ＧＴＳ的张家湾滑坡稳定性［Ｊ］． 科学技术与工程，２０２１，２１（１１）：４３６９－４３７８．

［８］ 蒋波，应宏伟，谢康和，等．平动模式下挡土墙非极限状态主动土压力计算［Ｊ］．中国公路学报，２００５（２）：２４－２７．

［９］ 王振，叶晓明，刘永新．考虑滑坡渐进破坏的改进简布条分法［Ｊ］．岩土力学，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］ 卢应发，张凌晨，张玉芳，等．边坡渐进破坏多参量评价指标［Ｊ］．工程力学，２０２１，３８（３）：１３２－１４７．

【责任编辑 简 群】