岩石边坡稳定性分析方法

王艳 陈镇

摘 要：文章在对岩石边坡进行稳定性分析的过程中以人工智能、进化计算、系统科学、神经网络和模糊数学等等先进理论为基础，运用了大量的方法，对岩石边坡系统的不确定性和工程经验进行了综合性研究，例如极限平衡法、定性和定量分析、数值分析法和其他方法等等，通过此次研究，我认为应该降低岩石的剪应力或者建筑防止滑动的坚固支撑，同时在采取措施防治边坡滑动时，应该因地制宜。

关键词：极限平衡法；数值分析法；岩石边坡稳定性分析

边坡是为了保持路基稳定而建立的有一定坡度的坡面，在公路周边我们都可以看到相似的边坡，边坡属于最基本的地质环境之一，是人类工程活动中不可缺少的，通常情况下，将边坡分为岩石类、砂类、粘土类、碎石类等等，其中岩石类的边坡是人工边坡中最常见的边坡，它的特点是：坡度大，和其他类型的边坡相比，由于其长期受到外力的侵蚀，植被的恢复难度远远高于其他类型的边坡。近几年，我国对于岩石边坡的稳定性分析及防治都非常重视，岩石边坡在我国应用非常广泛，例如三峡工程、西部大开发等等。具体表现为三峡船闸高边坡、链子崖危岩体，除此之外，由于城市建设或者移民迁建用地等等都有可能形成边坡。人们想尽办法解决岩石边坡问题的过程，也是岩石边坡稳定性分析发展的过程，近年来，随着计算机技术的不断发展，人们了解岩石边坡的渠道也越来越多，分析岩石边坡稳定性的方法也随之增加，并在这方面取得了不少的研究成果。本文将详细介绍岩石边坡的主要研究方向和研究成果，并对其特点和适用条件进行分析，希望能对未来分析岩石边坡的稳定性起到一定的作用。

一、边坡稳定性分析方法

边坡发生破坏性失稳属于一种地质灾害，每个边坡都是由不同的岩石组成的，它的内部结构极其复杂，一旦边坡的内部结构受到影响，边坡的稳定性就会受到影响，使边坡发生破坏性失稳的因素有很多，不同的破坏模式就会对边坡造成不同的破坏，也会产生不同的滑动面，所以对边坡的稳定性进行分析时，应对不同的边坡采取不同的分析方法和计算公式。一般情况下，我们对边坡的稳定性进行分析之时，都会采用定性分析和定量分析两种方法，其中图解法和类比法属于定性分析，图解法还分为实体比例投影、赤平极射投影和摩擦圆法等等。定量分析法主要分为极限平衡法、可靠度分析法和数值分析法三种，其中可靠度分析法包括随机有限元法和蒙特卡罗法，数值分析法主要有边界元（BEM）、有限元（FEM）和离散元（DEM）等方法。

目前我国在分析岩石边坡稳定性所采取的方法主要分为数值分析法和极限平衡法，其中数值分析法包括有限元、離散元、块体元、DDA等方法，先确定边坡的应力场和位移场，然后再采用强度储备法、超载法等多种方法让边坡处于极限状态，这样就可以确定边坡的安全系数，数值分析法法是将位移协调条件和岩体本构关系充分结合的基础上，还考虑了滑移体力的平衡，从而得到的安全系数；极限平衡法在计算边坡的安全系数时，是在确定了边坡滑面的基础上，对边坡的抗滑力和下滑力进行分析，通过滑体的静力平衡条件得出滑裂面上的力，关键块理论和极限平衡法都是采用这种方法进行计算的。

（一）定性分析。定性分析方法首先需要调查大量的野外地质资料，对其有充分的了解，其次还需要和类似的地质环境和产生类似变形体的体质工程进行对比。其中在对大量的野外地质资料调查的过程中，需要对工程地质条件、水文地质条件、地质地貌、斜坡稳定性、水文气象、人工活动因素等等方面进行调查，在定性分析的发展史上，研究者对许多水库岸坡崩塌、失稳斜坡表部特征进行了深入的研究，同时也取得了大量的经验，到现在为止，工程实践中，大多数的工程单位在分析和设计边坡稳定性时，都会采用定性分析法进行分析，这种方法需要更多的经验和理智的判断，同时定性分析也说明工程单位需要掌握更多的第一性资料才可以保证定性分析法的准确性。

（二）极限平衡法。由于极限平衡法在运用过程中简单易行，所以是工程实践中进行边坡稳定性分析运用得最多，同时也是最主要的计算方法。极限平衡法的种类有很多，包括：Bishop法（八W.Bishop，1995）、Janbu法（N.janbu，1954，1973）、（Morgenstern—Price，1965）、Sarrna法（Sarma，1979）、Felle—nius法（W.Fellenius，1936）、Fayor法（Tayor，1937）、Morgen—stem— Price法 、Spencer法（Spencer。1973）、平面破坏计算法、Baker—Graber临界滑面法（Baker-Graber，1978）、楔形体法、传递系数法等等。极限平衡法在工程实践中，需要考虑边坡滑动面的形态，将岩块作为一个刚体，同时，为了方便计算，在过程中，假定岩体的应力应变关系不变，所以计算的结果是无法对边坡的变形与应力分布进行分析的。比如三维岩石边坡极限平衡法，并在此基础上提出了抗滑系数谱的概念，这种方式可以直接对边坡的稳定层进行分析，充分反应了碎裂岩体稳定因素的不均匀性；杨松林提出的广义条分法是一种适应范围更广的方法，这种方法不同于传统的两类条分法对条块界面上的力的大小、方向和作用点，而是使用条块间分界面的应力变形本构关系与之替换，这种方法充分考虑了条块间分界面的应力变形关系，更加符合岩土工程的实际情况，并且在计算安全系数时，采用了优化搜索的方式，更加的先进，同时还得出了最危险的潜在滑动面，更加安全适用。

（三）数值分析方法。岩体本身具有以下特点：不均匀性、不连续性、各项异性等等，同时岩石边坡工程所处的环境也是非常复杂的，这里的环境一般包括地质环境和岩石边坡所处的边界条件。由于岩体本身的复杂情况和岩石边坡所处的复杂环境导致岩石边坡工程的问题也是非常复杂的，而数值分析法可以在复杂的问题下的边坡稳定性进行准确的分析。数值分析法一般具有以下优点：在基于岩体的破坏准则的基础上，数值分析法可以确定边坡的拉裂区、塑性区和压碎区，通过对边坡起始破坏位置的确定，分析边坡的渐进破坏过程，最终得到岩石边坡的应变场、应力场和位移场，数值分析法在充分考虑地下水渗流、地震、爆破等等因素的情况下，分析边坡工程的分布开挖、边坡岩体和加固结构之间的相互作用，最终确定岩石边坡的稳定性。数值分析法一般分为边界元法、有限元法、块体元法和离散元法等等，同时随着数值分析法的发展进程，我们可以看到将上述方法结合起来的成功案例，例如将边界元、有限元和离散元等相互结合，使他们能充分发挥各自的特性，共同协作解决岩体边坡问题。例如任清文在实践过程中将有限元和块体单元法相结合，在满足了全部平衡条件的同时，也对材料的变形给予了充分的考虑。

（四）其它方法。由于地壳是一直在运动的，所以岩体形成的环境和条件也是有所不同的，不管是在宏观上还是在微观上都是存在一定的差異和不连续性的，现在所有解决岩石边坡工程问题的方法都是有其优点和特性的，都是从不同的角度出发，对边坡稳定性的问题进行分析，解决岩石边坡的相关问题，例如：离散元法在计算应力和位移时，是从离散块体的角度出发的，极限平衡法在分析边坡的稳定性时，是从岩体变形破坏的极限状态来分析的。岩体的形态是十分复杂的，我们仅仅通过数学模型分析其稳定性是无法准确的体现每个岩体的具体情况的，计算出的结果可能也会与实际情况有所差异，针对这种情况，也发展除了许多不确定性的方法。

神经网络方法是一种模拟人脑形象思维的方法，这种方法具有并行性、非线性、强泛化性等等特性。现在主要是将BP网络作为地质体的神经网络，也有许多文献资料对这种网络进行了广泛的应用研究。比如卢才金在其研究中就将BP算法进行了一定的改进，并建立了相关的评判模型对岩石边坡的稳定性进行评判。

边坡稳定性分析是模糊的、随机的，所以面对这个不确定问题，传统的方法并没有考虑到岩石表面破的不确定性，而一味的采取定值的方法，分析过程中所给的安全系数并没有真实的反映出边坡的实际情况，可靠度和安全度都不高。一般来说，对于这类不确定性问题，也应该采取模糊的数学方法，比如刘瑞玲的Fuzzy综合评判模型，就是在充分考虑了工程的实际情况之后所研究出来的一种数学方法。

目前，要想解决复杂的岩石边坡工程，就应该将人工智能、进化计算、系统科学、神经网络、模糊教学等等新兴的学科理论相结合，对岩石边坡工程系统的不确定性和工程经验进行研究，建立出一套智能力学分析方法。在边坡智能化的研究方向上，李章名等人开发的专家系统是非常有用的，它被应用于露天矿边坡的稳定性分析；冯夏庭在仔细分析了影响边坡稳定性的因素之后，提出了综合集成理论和方法，专门应用于边坡稳定性的分析。

二、岩石边坡滑动的防治

要想防治岩石边坡的滑动，需要在基于工程地质勘测的基础上，深入研究造成边坡滑动的原因，并对此采取积极有效的措施。

（一）降低岩石剪应力或建筑防止滑动的坚固支撑。整平斜坡的坡角、修筑挡土墙和打防滑桩是这种方法的具体应用，其中整平斜坡的坡角可以将有滑动危险的岩体的重量降低。对于具有较小高度的边坡，可以通过削缓坡面的方式，将坡面与水平面的夹角缩小，使之小于原有的角度；具有较大高度的边坡，通过对坡面进行分割，使之形成台阶状，这样坡面滑动的可能性就会减少。修筑挡土墙的方式就是为了防止边坡产生滑动而在滑动体的前方修筑挡土墙，同时为了避免滑动体和挡土墙发生同时滑动的现象，在修建挡土墙时一方面需要在稳定的地层上修建，另一方面还应该在挡土墙的背后设置排水设施以保证滑动体内部渗入的水能及时排出。打防滑桩，防滑桩可以通过现场灌注的方式，也可以直接打入，是为了防止岩体的滑动，而直接在滑动体内打桩，这样的方式可以直接稳定地层。

（二）改变岩石的物理性质。地下水和地表水的相互作用会使岩石的性质发生改变，因此需要通过修筑排水沟的方式对地下水和地表水进行及时的排出，从而降低水电作用。具体方法包括修筑地表截水沟、修筑排水沟、修排水巷道、用电化学法、水泥胶结法和冻结法等等。其中修筑排水沟的方式是指为了减少岩石的含水量，而修建明沟或者是暗沟来排出地下水；修筑截水沟的方式是运用截水沟来对地表水流进行拦截，因此修筑的截水沟必须具有良好的防渗透性能；修排水巷道就是利用地下的排水巷道对滑动体中的地下水进行及时的排出；这三种方式是加固边坡的常用方式，而其他的方式在实际的工程工程中还运用得较少。

（三）消除或消弱滑坡形成作用。消除或消弱滑坡形成作用的措施中，常用的是保护坡角免受地表水流的冲刷及修导流堤、防护堤等。

三、结语

目前在对岩石边坡稳定性进行分析的方法有两种，分别是定量分析和定性分析，在对天然的稳定边坡进行观察的同时，对影响岩石边坡稳定性的各种因素进行分析，采用工程地质对比法来确定相似条件下的岩石的稳定边坡。我们在采取措施防治边坡滑动时，需要因地制宜，在确定使用某种措施时，要防止这种措施的实施不会产生其他不利的因素，避免发生其他的不良后果。

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作者简介：王艳，重庆三峡学院。