堤防工程中边坡稳定性的分析及其应用

堤防工程中边坡稳定性的分析及其应用

摘要：土堤坝由于可以就地取材，节省水泥等对地质条件的要求比较低，而被水利和防洪工程广泛进行采用，但是近来年，大量堤防工程因出现滑坡、管涌等险情而发生边坡失稳甚至溃，因而有必要对堤防工程的稳定性作些研究。

关键词：堤防工程；边坡稳定性分析；方法应用

1 引言

堤防工程是一种长距离的线型和多点面的工程，因堤防受到地质条件与填筑质量等的因素影响，使得堤防的破坏“病因”有多种多样的性质，这就导致了堤防的除险加固存在了一定的难度。就实际经验而言，堤防破坏类型比较多，而其中的堤防边坡的滑塌则是堤防除险加固中最为常见的一种类型。就此，本文主要分析与探究了堤坡稳定分析方法，同时结合了具体实例来对其应用作了一番阐述，希望能给同行提供一点参考。 2 边坡稳定分析方法 2.1 极限平衡理论

极限平衡理论是最为古老的分析方法，也是最为成熟的一种一种边坡稳定分析理论。此理论主要的思想就是把土体条分，并在极限的状态之下来建立土条力与力矩平衡方程，从而以安全系数分析和评价边坡稳定性。

图1为土条受力示图，对土条 i 作受力分析，可得出其所受力主要有：底部的切向力τi与法向的反力 Ni，水平荷载 Qi和竖向荷载 Wi，切向力 Ti（Ti+1）和条间法向力 Ei（Ei+1），作用与土条底的孔隙压力 ui以及其两侧孔隙压力 ur与 ul。按照不同的条间力的假设条件，极限平衡理论也有如下几种方法。

图1 土条受力示意

2.1.1 瑞典条分法

此方法可先假定相应的剪切滑动面为圆弧面，并对之前假定好滑动面所对应滑动体进行相应的条分，同时对条块作受力分析列出相对应平衡方程，对于此过程，可忽略土条间的相互作用力。并定义出安全系数 Fs作为滑裂面上所绕圆心抗滑力矩 Ms和滑裂面之上土体滑动力矩 M0比，其解可采用总应力法来列出方程组：

Fs?Ms/M0??(cili?Wicos?itg?i)i?1n?Wisin?ii?1n (1)

式中，φi、ci为土条 i 中土的内摩擦角和粘聚力；i 、li为土条 i 底部滑面的倾角和长度。由(1)可求得的 Fs为给定滑裂面安全系数，但不一定是与最危险滑面相对应，所以要在此基础上进行反复试算，进而进行综合比较以确定边坡的最小安全系数 Fsmin。

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2.1.2简化毕肖普( Bishop)法

此法是一种改进条分法，把条间力分成水平与竖向的作用力，在极限平衡条件下仅需要考虑水平的推力并不需对竖向的剪力进行考虑，即竖向的作用力T=0，仅要考虑条间力中的水平力 E。可见，是否考虑土条间水平作用力为瑞典条分法和简化毕肖普法的主要区别。另外，简化毕肖普法适于各种形状剪切面，此相对于圆弧滑动面已是一种较大的拓展，更接近与实际。安全系数Fs是整个滑裂面抗剪强度τf和实际剪应力τ的比，可计算获得：

sec2?i?[cibi?(Wi?uibi)tg?i)]tg?i'1?Fs (2) Fs??Qi??Witg?i式(2)为隐式方程，要经试算-迭代来求解得到坝坡的最小安全系数 Fsmin。 2.1.3 简布普遍条分法

简布法就假定滑体的推力线是已知，通过利用力矩的平衡条件将条间的竖向剪力Ti表示为水平推力函数Ei，它适于最为一般的情况。另外，利用此法不但可以求出滑裂面的平均安全系数和应力的分布，也可求出各个分界面的抗剪安全系数来作为校核，其具体的计算请参见文献[3]。

2.2 塑性极限分析和模糊极值理论 2.2.1 塑性极限分析

其最大优点是对材料应变-应力的关系进行了考虑，并通过利用极限状态时的外荷载和自重所做功等于滑裂面上的阻力所消耗功作为条件，结合塑性极限分析的下、上限定理求得边坡极限安全系数和荷载。

但经实际表明，塑性极值分析并不是任何时候均可行的，有时可能会出现相当大误差，其主要的原因是该理论其本身假定条件和实际的斜坡岩土体的弹塑性出现偏离而导致。此理论还需完善与发展。 2.2.2 模糊极值理论

该塑性极限分析所得出解答会在一定范围之内出现浮动，这为模糊极值的解范畴，因此可提出滑动机构的概念。从而从出发点证明了所给定的滑动机构耗散功能定理。把该定理“模糊化”便得到了给定滑裂面的安全系数的模糊极大值定理；然后将此极大概念进行模糊化作滑体的内力状态模糊状态条件，同时构造出模糊约束条件以及其函数，并提出了安全系数的最小模糊解集以及模糊解集的概念，进而建立其了土坡稳定分析的“极大中极小”问题的模糊极值理论，这样就使得长期以来条分法在假定的多余未知函数上所存在的随意性这一问题得到很好的解决。 3 方法应用

3.1 实际滑裂面的确定

堤防在汛期很容易出现滑坡，而滑坡要在汛之后引起足够的注意并及时的加以处理，这便要有确定的处理范围，包括平面尺寸与深度。而在实际的操作过程中，目测法是确定堤防滑坡的平面位置最常用的方法，确定滑坡的空间分布常采用现场探测法和稳定分析法。 3.1.1 现场探测法

确定滑裂面的位置方法，一般可以采取现场钻探同时与十字板剪切试验结合进行，其实则上，该滑裂面是一种滑动带，滑动带的内土体常常由于扰动破坏造成强度出现很大程度上的降低。

3.1.2 稳定分析法

若果现场探测较为困难，可经过稳定性分析来判定滑裂面的位置。即要在现场将滑动体的上下界点A、B找出，并通过采用圆弧滑动法来进行分析。如图2，连接A与B，并作出其中垂线OE，再在OE线上任选一点Oi，将其作为圆心，OiA (OiB)作半径，得到的圆弧便是一个

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可能的滑裂面。然后，对称Oi取两个点O′i，O″i，再求出对应Fs上与Fs下，并反复的进行试算到Fs上 > Fs < Fs下，这时Fs对应圆弧便是实际的滑裂面位置。

图2 实际滑裂面计算示意图

3.2 滑坡反算

在对实际的滑裂面的位置进行确定后，如果滑坡原因和滑坡时荷载条件是已知的，那么就可以通过反算 (令Fs = 1) 来求出滑面的抗剪参数，从而给整治设计提供出可靠的依据。 3.3 滑坡的整治和安全复核

滑坡的整治措施一般有日系几点：开挖和回填、卸载和压脚、改变土体性质、排水与阻水、设置支挡结构等。

滑坡在整治之后，需依据有关的规范来复核堤防边坡的安全稳定性。按照规范要求，不同工况之下所采取的计算方法和强度指标不完全相同。通常而言，在堤防工程的稳定复核之中有3种工况，即稳定渗流期、施工期和水位降落期，要合理的选择对应强度指标依据合适计算方法。堤防的规范要求可采取圆弧滑动法，不同的强度指标下的 Fs计算： (1).总应力法

a.施工期：采取三轴不排水剪试验指标，把式(1)的 ci，φi 改为 cui，φui 便可； b.水位降落期：采区三轴固结不排水剪试验指标，结合式(1)，则Fs为：

?[cculi?(Wicos?i?uili)tg?cu]Fs? (3)

n?Wisin?i(2) 有效应力法

有效应力法通常应用在稳定渗流，采取三轴固结排水剪实验所得到的有效应力指标 ci′， φi′，即：

?[c'ili?(w1i?w)cos?i?(ui?zi?w)litg?i']Fs? (4)

n?(w1i?w2i)sin?i式中，W1i：土条位于水位线上部分的重量；W2i：土条位在水位线之下部分浮重量；Zi：坡外水体高出土条底面中点距离；γw：水重度；其他同前。若果计算所得到最小安全系数 Fsmin与规范要求符合，那么说明所验算的堤防边坡比较的稳定。否则要继续作加固处理直到 Fsmin满足相应的规范要求。 4 工程实例

某堤防段在经历一场大暴雨之后，首先在临河的侧堤肩处有局部的裂缝，随后顺堤延伸，最终造成了滑坡，其滑坡后的临水侧的典型断面如图3。归结其原因，a.可能是由于暴雨的雨水渗入到堤身，导致孔隙的水压力增加和土体抗剪的强度降低——造成滑坡的诱因；b.施工的质量：因此堤段在汛前培修时，采取了征工包做，去上堤的民工较多，且施工较难管理，同时

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其质量也很难进行控制，从而导致了堤防的质量变差。从滑坡之后的现场取样测试结果来看，土体的平均干密度仅为1.36 g/cm3，孔隙比e达1.016，且含水量接近了饱和，抗剪强度的参数c，φ值都很低，采取上述的方法所求得的边坡稳定安全系数Fs大体相同，都在0.843-0.872范围之内，比规范的要求要低，这是造成滑坡最为本质的原因；另外，堤防边坡较陡，其边坡的稳定复核结果表明，当坡比达1:2.5，及平均干密度ρd = 1.5 g/cm3，其它的条件不变时，边坡安全系数仅为0.956，这样便达不到规范的要求，但实际上，此堤段的边坡坡比只有1:2.3，再加上干密度也未到要求。因此，在暴雨诱发作用之下出现滑坡是不可避免的。

图3 滑坡后临水侧断面示意图

5 结束语

目前，因筑堤的历史条件和筑堤的材料以及自然环境等的因素影响，堤防工程险情均有一定的隐伏与发展性，通常不太容易从其表面看出，不能准确的进行判断，所以，必须加强日常的管理与巡视检查，及时的发现薄弱环节隐患，才能够确保整圈堤的稳定和安全。

参考文献

[1]陈祖煜.对长江干堤加固工程中一些问题的思考[J].水利水电科技进展，2003.8 [2] 李曙光 .堤防工程除险加固措施研究 [D].合肥工业大学硕士学位论文，2010. [3] 钱家欢，殷宗泽. 土工原理与计算(第二版)[M].北京:中国水利电力出版社，1996.

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