边坡稳定性分析

■袁尚武 ■河南省地矿局第三地质矿产调查院，河南 信阳 464000

边坡稳定性是指边坡的岩体或土体在一定坡高和坡角条件下的稳定程度，通常以滑动面上的抗滑力(FS)与滑动力(Fr)的比值，即抗滑稳定性系数(η)来表示，比值越大，边坡稳定性越好，反之，边坡稳定性越差。按照地层岩性分类，边坡可以分为土质边坡和、岩质边坡和土、岩复合边坡。

稳定性差的边坡常常发生滑动或崩塌破坏，大规模的边坡岩体、土体破坏能引起交通中断，建筑物倒塌，江河堵塞，水库淤填等危害，对人们的正常生活与生命财产安全带来严重威胁。边坡稳定性问题涉及到矿山工程、道桥工程、水利工程、建筑工程等诸多工程领域，对边坡问题进行研究的目的在于，通过对边坡稳定性的分析和评价，预测边坡失稳的时间、规模和危害程度，以期能够设计出适合于实际工程的合理的边坡结构，能够做到提前对具有破坏危险的边坡进行人工处理，避免滑坡或崩塌等现象的发生，造成不必要的灾害和损失，并使边坡工程设计达到安全、经济地目的。

1 边坡稳定的影响因素

对边坡工程稳定性有影响的因素，大致可以按照内在因素与外在因素进行分类。内在因素包括岩土体结构与岩性、水流、地质构造等;外在因素包括气候条件、风化作用、人类活动等。

1.1 内在因素

(1)岩体结构。岩土体结构通常体现在两个方面，即结构面与结构体。结构面是指岩石物质分异面及不连续面，具有一定方向、规模、形态和特性;结构体是指由不同形状的各类结构面组合而成的，将岩体切割成的单元块体。对岩体结构进行研究，也就是对结构面的特性及其之间的排列组合的研究。对于边坡稳定性来说，结构面是特别重要的影响因素。

(2)岩性。边坡的岩性是指，组成边坡的岩石的物理、化学、水理和力学性质，如岩土硬度、透水性等，这些固有性质或其变化，都在一定程度上对边坡的稳定性有影响。

(3)水流。影响边坡稳定性的水流是指地表水流和地下水流。地表水主要以冲刷侵蚀的形式影响着边坡的土质，对于存在沟槽和低凹地的不平整坡面，受冲刷侵蚀不均匀，容易在坡面上形成冲沟或沟坎，以致发生垮塌、分解、堵塞，逐渐失稳。地表水冲刷还会加重岩土的风化作用。存在于岩体裂隙中的地下水，会对岩体产生一定的静水压力，呈现为一种滑推或向上的浮托力，渗流的地下水，还会对整坡体施加向下的渗透力，降低边坡稳定性。

1.2 外在因素

(1)风化作用。风化也是一种侵蚀作用，虽然岩质边坡的强度较高，但在与大气、水及生物的长期接触中，其表面也会由于物理、化学变化而变得松散，抗剪强度减弱，严重时会使岩土体脱落或沿斜坡崩塌、滑移等。

(2)人类活动。因为采矿、修路、挖掘隧道等进行的地下开挖通常会引起地表移动、边坡失稳;坡顶加载会增加坡体下滑力与坡体应力，使岩土体遭到破坏，强度降低;爆破产生的震动效应与地震类似，会使孔隙中水压力增加，岩土体强度下降等。

2 边坡稳定性分析方法

对边坡稳定性的分析方法大致可以分为两类，即定性分析法和定量分析法，而定量分析法又可以分为确定性分析与不确定性分析。

2.1 定性分析

定性分析法是通过对边坡的尺寸和坡形、所处环境进行研究，勘察工程地质，分析影响因素、失稳机制与可能的破坏方式，来定性获得边坡的稳定性状况及其可能的发展趋势。工程实践中通常采用这种方法，主要有自然历史分析法、图解法和基于工程数据库的方法，对后两种方法加以介绍。

2.1.1 图解法

(1)诺模图法。影响边坡稳定性的系数之间的关系用诺模图来表示，以此求出的边坡稳定安全系数作为评价边坡稳定性的参考依据，目前主要应用于土质或强风化的边坡稳定性研究。

(2)赤平极射投影法。基于赤平极射投影的原理，用作图的方式反映边坡失稳的边界条件，得出可能产生的滑移面与坡面空间关系及稳定性，进而评价边坡稳定性，一般应用于岩质边坡。

2.1.2 工程数据库

比较常用的是工程类比法，做法是参照已经研究过的或已有经验的边坡的稳定性状况及影响因素，将所研究的边坡或拟设计的人工边坡与之进行类比，结合有关经验，根据类比的相似性与差异性来评价边坡的稳定。该方法比较适用于中小型工程中，若是复杂的大型工程，要结合其它方法进行评价。

2.2 定量分析

定量分析法的核心是基于力学分析、数学模型和计算方法的选取，求解出稳定安全系数与结构体内的应力应变关系，从而分析出边坡稳定性。可以分为确定性分析与不确定性分析。

2.2.1 确定性分析

(1)极限平衡分析法。极限平衡分析法是最经典的确定性分析方法，把可能滑动的岩、土体看作是刚体，不考虑岩、土体的应力应变关系，通过分析可能滑动面，并把滑动面上的应力简化为均匀分布，根据平衡条件建立整个边坡平衡方程，进而计算出边坡的稳定性系数。

这种方法模型简单，计算简便，可对边坡稳定性刚进行定量评价，对于均匀土质边坡计算效果比较好，因此得到广泛应用。但是由于在建模时过于简化，该方法不能考虑坡体中的应力应变状态，只能给出可能的危险滑动范围，会不可避免地产生计算结果与实际结果不吻合的现象。

(2)数值分析法。数值分析法可以根据岩体的破坏准则，分析边坡的渐进破坏过程与其实破坏位置，可得到边坡的应力场、应变场和位移场等，具有诸多优点。随着其发展，产生出了多种数值分析方法，包括有限元法、边界元法、离散元法与混合法等，其中，有限元法已经成为使用最广泛的数值分析法。

有限元法是首先将连续系统分为有限个分区或单元，对每个分区或单元进行分析，提出相应的近似解，再将所有单元按照一定方法进行组合，就能得到一个与原有系统近似的系统。再基于等价于微分方程的积分原理，组建节点平衡方程组，并利用虚功与最小势能的原理进行求解。这样可以做到在考虑边坡中应力应变的基础上，避免了极限平衡法中的过于简化，能较为准确地计算出边坡的稳定安全系数。

2.2.2 不确定性分析法

(1)灰色系统评价法。灰色系统评价法是把边坡中的一切信息量看作灰色量，采用特有的方法建立描述灰色量的数学模型，基于灰色关联度分析原理，根据影响边坡稳定性的不确定性因素之间发展状态的相似或相异度，确定边坡稳定性各影响因素的影响程度，进而利用多因素叠加分析评估边坡的稳定性。该方法多用于对滑坡发生时间的预测方面。但由于其内在的力学理论不明确，缺乏精确的定量分析，所以应于其他方法结合使用。

(2)模糊综合评价法。模糊评价法是基于最大隶属度原则，构造隶属函数，分析同级或不同级因素对边坡稳定性的影响，应用模糊模式识别和模糊聚类分析方法，对影响边坡稳定的因素进行分析，最后对边坡稳定性进行总的评价。

(3)可靠度分析法。在边坡稳定研究中，可靠度分析法是应用最广泛的不确定性法。方法是基于对边坡岩体性质、荷载、工程地质条件、计算模型等不确定量，结合边坡工程的具体情况，依据工程可靠性分析方法求解边坡岩体的破坏概率即可靠度，来描述边坡工程系统的质量。

3 发展前景

对于边坡稳定性的研究分析方法，一直处于不断发展完善中。例如，针对传统极限平衡分析法的缺点，研究学者通过引入参数、三维分析等方法，使其在计算模型、滑动面确定、边坡类型等方面都得到了完善;通过将数值分析方法与计算机技术进一步结合，将有限元分析法从平面有限元扩展到了三维有限元，并引入了更多的新型数值计算方法。也就是说，边坡稳定性研究的发展抓哟表现在传统方法的完善和新方法的兴起两个方面。此外，边坡高等本构模型的应用，交叉学科的使用，与现场检测手段的结合以及新的理论的应用，都将使边坡稳定性的研究发展更加明朗。

［1］孙玉科，李建国.岩质边坡稳定性的工程地质研究［J］.地质科学，1965(4):330—352.

［2］常晓林，陆述远.重力坝岩基失稳准则及稳定审查方法研究闭.武汉水利电力学院学报1991，24