河堤邊坡穩定安全性評估方法研究

① 邊坡穩定性評價方法

1.定性分析方法

分析影響邊坡穩定性的主要因素、失穩的力學機制、變形破壞的可能方式及工程的綜合功能，並對邊坡的成因及演化歷史進行分析，以此評價邊坡穩定狀況及其可能的發展趨勢。該方法的優點是綜合考慮影響邊坡穩定性的因素，快速地對邊坡穩定性做出評價和預測。常用的方法有：

（1）地質分析法（歷史成因分析法）

根據邊坡的地貌形態、地質條件和邊坡變形破壞的基本規律，追溯邊坡演變的全過程，預測邊坡穩定性發展的趨勢及其破壞方式，從而對邊坡穩定性做出評價，對已發生過滑坡的邊坡，則判斷其能否復活或轉化。

（2）工程地質類比法

其實質是把已有的自然邊坡或人工邊坡的研究設計經驗應用到條件相似的新邊坡的研究和人工邊坡的研究設計中去。需要對已有邊坡進行詳細的調查研究，全面分析工程地質因素和影響邊坡變形發展主導因素的相似性和差異性，同時，還應考慮工程的類別、等級及其對邊坡的特定要求等。它雖然是一種經驗方法，但在邊坡設計中，特別是在中小型工程的邊坡設計中是很通用的方法。

（3）圖解法

可以分為兩類：(1)用一定的曲線和偌謨圖來表徵邊坡有關參數之間的定量關系，由此求出邊坡穩定性系數，或已知穩定系數及其他參數（φ、c、r、結構面傾角、坡角、坡高）僅一個未知的情況下，求出穩定坡角或極限坡高。這是力學計算的簡化。(2)利用圖解求邊坡變形破壞的邊界條件，分析軟弱結構面的組合關系，分析滑體的形態、滑動方向，評價邊坡的穩定程度，為力學計算創造條件。常用的為極射赤平投影分析法及實體比例投影法。

（4）邊坡穩定專家系統

工程地質領域最早研製出的專家系統是用於地質勘查的專家系統Propecter，由斯坦福大學於20世紀70年代中期完成。另外，麻省理工學院在80年代中期研製的測井資料咨詢專家系統也得到成功應用。在國內，許多單位正在進行研製，並取得很多成果。專家系統使得一般工程技術人員在解決工程地質問題時能像有經驗的專家一樣給出比較正確的判斷並做出結論。因此，專家系統的應用為工程地質的發展提供了一條新思路。

2.定量評價方法

其實質仍是一種半定量方法，雖然評價結果表現為確定的數值，但最終判定仍然依賴人為的判斷。目前，所有定量的計算方法都是基於定性基礎之上的。

（1）極限平衡法

極限平衡法在工程中應用最為廣泛。根據邊坡破壞的邊界條件，應用力學分析的方法，對可能發生的滑動面，在各種荷載作用下進行理論計算和抗滑強度的力學分析。通過反復計算和分析比較，對可能的滑動面給出穩定性系數。該方法比較直觀、簡單，對大多數邊坡的評價結果比較令人滿意。該方法的關鍵在於對滑體的范圍和滑面的形態進行分析，正確地選用滑面計算參數，正確地分析滑體的各種荷載。基於該原理的方法很多，如條分法、圓弧法、Bishop法、Janbu法、不平衡傳遞系數法等。

極限平衡方法的最新發展之一是Sarma法。其基本概念：邊坡除非是沿一個理想的平面或圓弧滑動，才可以作為一個完整的剛體運動，否則，必須先破裂成多個可以相對滑動的塊體，才能發生滑動。該方法的優點是：可以用來評價各種類型滑坡的穩定性，如平面滑動、楔體滑動、圓弧及非圓弧滑動等。

（2）數值分析方法

主要是利用某種方法求出邊坡的應力分布和變形情況，研究岩體中應力和應變的變化過程，求得各點上的局部穩定系數，由此判斷邊坡的穩定性。主要有以下幾種：(1)有限單元法（FEM）：該方法是目前應用最廣泛的數值分析方法。其優點是部分地考慮了邊坡岩體的非均質、不連續介質特徵，考慮了岩體的應力應變特徵，可以避免將坡體視為剛體、過於簡化邊界條件的缺點，能夠接近實際地從應力應變分析邊坡的變形破壞機制，對了解邊坡的應力分布及應變位移變化有利。其不足之處是：數據准備工作量大，原始數據易出錯，不能保證整個區域內某些物理量的連續性；對解決無限性問題、應力集中問題等精度比較差。(2)邊界單元法（BEM）：該方法只需對邊界極限離散化，具有輸入數據少的特點。計算精度較高，在處理無限域方面有明顯的優勢。不足之處：一般邊界元法得到的線性方程組的關系矩陣是滿的不對稱矩陣，不便應用有限元中成熟的對稀疏對稱矩陣的系列解法。另外，邊界元法在處理材料的非線性和嚴重不均勻的邊坡時，不如有限元法。(3)離散單元法（DEM）：可以直觀反映岩體變化的應力場、位移場及速度場等各個參量的變化，可以模擬邊坡失穩的全過程。該方法特別適合塊裂介質的大變形及破壞問題的分析。缺點是計算時步需要很小，阻尼系數難以確定等。(4)塊體理論（BT）該方法利用拓撲學和群論評價三維不連續岩體穩定性，建立在構造地質和簡單力學平衡計算基礎上。塊體理論為三維分析方法，隨著關鍵塊體類型的確定，能找出具有潛在危險的關鍵塊體的臨空面位置及其分布。

3.不確定性分析方法

（1）系統分析方法

由於邊坡處於復雜的岩體力學環境條件下，其穩定性涉及的面很廣，且程度非常復雜，可以認為其是一個復雜系統。因此，邊坡問題也是一個系統工程問題。應用系統分析方法應該遵循的途徑：岩體力學環境條件的研究→變形破壞機制的研究→穩定性計算分析。目前，該方法廣泛應用於邊坡穩定性分析之中。

（2）可靠度分析方法

確定分析方法中經常用到安全系數的概念，實際上只是滑動面上的平均穩定系數，而沒有考慮影響安全系數各個因素的變異性，可靠度分析方法則考慮了這一點。可靠度分析方法在分析邊坡的穩定性時，充分考慮各個隨機要素（如岩體及結構面的物理力學性質，地下水的作用包括靜水壓力、動水壓力、裂隙水壓力、軟化作用、浮托力及各種荷載等）的變異性。

（3）灰色系統方法

灰色系統理論主要以信息利用與開拓為宗旨，以客觀現象量化為目標，除對事物進行描述外，更側重對事物發展過程進行動態研究。應用於滑坡研究中主要有兩方面：一是用灰色預測模型進行滑坡失穩時間的預報，實踐證明該預測的精度仍需進一步提高；二是用灰色聚類理論進行邊坡穩定性分級、分類。該方法的局限性是聚類指標的選取、灰元的白化等帶有經驗性質。

（4）模糊數學評判法

模糊數學對處理經驗模糊性的事物和概念具有一定的優越條件。該方法首先找出影響邊坡穩定性的因素，並進行分類，分別賦予一定的權值，然後根據最大隸屬度原則判斷邊坡單元的穩定性。實踐證明，模糊評判法效果較好，為多變數、多因素影響的邊坡穩定性的綜合定量評價提供了一種有效的手段。其缺點是各個因素的權重選取帶有主觀判斷的性質。

4.確定性和不確定性方法的結合

主要是概率分析方法與有限元法或邊界單元法相結合而形成的隨機有限元法或隨機邊界單元法等。由於是隨機變數，故其結果更能客觀地模擬邊坡岩體的力學性質、邊坡岩體的變形破壞發展及其性態的變化，從而成為數值模擬方法發展的新途徑，是邊坡穩定性研究的新手段。

5.物理模擬方法

早在1971年，英國帝國學院最早把傾斜檯面模型技術用於研究邊坡傾倒破壞機理及過程。隨後，又試製成了基底摩擦試驗模型，廣泛應用於邊坡塊狀傾倒及彎折傾倒。然而，由於受模型尺寸的限制，這些模型技術不能模擬大型復雜的工程及二維、三維的模型。針對這種工程要求，離心模型試驗技術快速發展起來。國外早在20世紀30年代就已起步，特別是近20年來，這一技術有了快速發展，並得到廣泛應用。離心模型試驗主要模擬以自重為主荷載的岩土結構，在模型試驗過程中模型出現了與原型相同的應力狀態，從而避免了使用相似材料，而直接使用原型材料。因此，這項技術已被廣泛地在各個方面得到應用。由於離心模型技術能使模型達到原型的壓力水平，近年來已被廣泛地應用於滑坡研究之中，為復雜的岩石工程的研究提供了有力手段。邊坡工程中的離心模型試驗也存在一些尚未解決的問題，主要是一些模擬理論問題。由於用原型材料進行試驗，在相似規律條件下，並不能使模型滿足所有的條件，從而引起固有誤差。此外，如何確定參數有待進一步研究。

② 邊坡穩定性分析方法

邊坡穩定性分析方法如下：

（1）工程地質類比法

工程地質類比法，又稱工程地質比擬法，屬於定性分析，其內容有歷史分析法、因素類比法、類型比較法和邊坡評比法等。

該方法主要通過工程地質勘察，首先對工程地質條件進行分析。如對有關地層岩性、地質構造、地形地貌等因素進行綜合調查、分類，棗如顫對已有的邊坡破凳敗壞現象進行廣泛的調查研究，了解其成因、影響因素、發展規律等；並分析研究工程地質因素的相似性和差異性；然後結合所要研究的邊坡進行對比，得出穩定性分析和評價。

塊體單元法以塊體形心處的剛體位移作為基本未知量，即用分片的剛體位移模式逼近實際位移場，在塊體單元之間設「縫」單元，反映結構的物理性質。根據虛功原理求出各塊體形心處的剛體位移後，由縫單元兩側塊體的相對位移確定縫面的變形和應力。

SoilVision軟體

是一款岩土工程和地質環境分析軟體包，提供了二維和三維岩土工程的全面解決方案，是行業領先的知名極限平衡邊坡穩定分析軟體，可以用以分析各種簡單或復雜的岩土問題。

SoilVision可通過在土堤、露天礦坑、河堤、路堤和防洪堤的土壤和岩石坡面穩定性方面對土壤結構執行數字建模和分析，解決復雜問題。SoilVision既用於基本設計，也用於高級非飽和分析，廣泛用於在采礦行業中進行大型土壤結構工程的設計和評估。

③ 對邊坡穩定幾種計算方法的評述

一、極限平衡計演算法 是當前國內外邊坡工程中邊坡穩定計算常用的基本方法。用該方法能確定邊坡滑動面位置和破壞型式，能根據邊坡不同破壞形式和任意滑動面位置來計算邊坡穩定系數，它適用於邊坡體不同地質條件和邊坡各類破壞形式。在國內露天礦邊坡穩定性計算中，已得到廣泛應用，如蘭尖鐵礦、大冶鐵礦、海南鐵礦、永平銅礦和行洛坑鎢礦等邊坡工程中邊滑坡穩定計算均用此方法。 二、有限單元法 是應力、應變分析法，即用彈性理論分析邊坡體的應力狀態。它只能分析在彈性階段邊坡體應力、應變和位移分析情況，不能對邊坡體的破壞情況給出定量的分析。因此，當前在國內露天礦邊坡穩定計算中應用該方法時，常用極限平衡法計算進行對比校核（如海南鐵礦、新橋銅礦）。 該方法能適用於邊坡岩體的復雜條件。 三、概率分析法 只能用數理統計方法，分析研究影響邊坡穩定諸因素的規律，求出邊坡不穩定概率，但不能完全定量地給出邊坡穩定或不穩定的程度。當前在國內露天礦邊坡穩定性計算中應用該方法時，常用極限平衡計演算法進行對比校核，如攀鋼石灰石礦邊坡穩定性研究。 該方法適用於邊坡體的復雜條件，能根據邊坡不同破壞類型用電子計算機算出邊坡不穩定概率。 採用以上三種方法都必須獲得邊坡穩定性計算分析所需的各項資料，並將計算結果和類似礦山進行對比；在不具備邊坡穩定性計算分析資料的情況下，可根據設計工程的具體條件，用類比法確定邊坡角。

④ 路基邊坡穩定性分析方法中的力學分析法包括哪些方法

邊坡穩定性分析力學分析方法
1、 定性分析方法
定性分析方法主要是通過工程地質勘察，分析邊坡穩定性的主要影響因素，可能變形破壞方式及失穩力學機制等，對已變形的地質體的成因及演化史進行分析，從而給出被評價邊坡的穩定性狀況及其發展趨勢定性的解釋及說明，常用的方法有3種
2、 自然（成因）歷史分析法
該方法主要是依據邊坡發育的地球環境、邊坡發育歷史中的各種破壞跡象及基本規律和穩定性影響因素的分析，追溯邊坡演變的全過程，對邊坡的總狀況、趨勢和區域性特性作出了評價和預測，對已發生過滑動的邊坡，判斷其能否復活或轉化，它主要用於天然斜坡的穩定性評價。
3、工程類比法
該方法利用已有的自然邊坡及人工邊坡的穩定性狀況及影響因素、有關設計的經驗，把這些經驗應用到所需要研究的滑坡中去，它是目前應用最多的定性分析方法。