高切坡稳定性分析研究

2017-09-11梁伟强

西部论丛 2017年2期

梁伟强

摘要：随着我国基础建设的大力发展，在矿山、水利、交通等部门都涉及到大量的高切坡问题，如果发生边坡失稳塌滑将严重危及到国家财产和人们的生命安全。所以需要正确认识高切坡的稳定性并进行稳定性分析，进行合理的设计、适当的治理，把边坡失稳造成的灾害降低到最低限度。

关键词：高切坡稳定性分析

一、引言

高切坡（High—cuttingslope）是指在人为工程活动中形成的高度大于15m（岩体）或10m（土体）并易于失稳致灾的陡高边坡。与滑坡、坍岸的失稳及致灾特性相比，高切坡破坏具有突变性、致灾具有严重性、灾难性[1]。高切坡是因建设需要对建设区地形进行改造形成的一种地质灾害现象，国家进行水电开发以来，随着大坝、库区、铁路、高速公路工程建设向山区的挺进，人类工程活动中形成了大量的切坡。加上部分地区多为丘陵和山区，地层风化深度大，覆盖层较厚，岩体结构破碎，边坡工程问题更加突出。

二、高切坡稳定性分析

高切坡是山丘地区社会经济建设遇到的主要岩土工程问题，“陡”、“高”是高切坡主要形态特征，而“强烈而连续的卸荷”则是高切坡主要力学根源，高切坡安全度降低具有渐变性、失稳具有突变性[1]。

切坡安全性评价问题本身就是一个多因素、多目标决策问题。以往的研究成果及工程实践表明：影响边坡稳定性的主要因素一般可概括为内外因两大类因素。其内因主要包括：地形地貌、地层特性、地质构造、岩土特性、地应力场、水文特性、植被条件等。外因主要有：气候条件、地震情况、人为工程、地下水动态等。而具体到某一区域某一类型边坡时，往往影响的因素会有一些变动[2]。根据大量的工程实践经验，对切坡安全性起控制作用的因素可归纳如下：内聚力、内摩擦角、结构面、坡角、坡高等。

高切坡稳定性评估中，应当在对高切坡前述自然地质条件及其人为破坏情况和工程环境条件等调查清楚的基础上进行，并依据地质勘察等相关资料，研究高切坡可能的破坏方式，然后据此确定适当的评估分析方法，并适当选择定量分析所需的岩土体计算参数进行分析计算，这样才可能得出较准确的评估结论[3]。但一般情况下，单一的评估方法很难得出有说服力的评估结论，所以，重庆市地方标准《建筑边坡支护技术规范》[4]中规定：“……宜综合采用工程地质类比法和极限平衡计算法……当边坡变形破坏机制复杂时，宜结合数值分析进行稳定性评价。”对具体工程来说，多种方法分析计算的结果相互对比，结合工程经验进行综合分析判断，才可能得到较准确的评估结论[3]。

2.1定性分析方法[5]：

（1）工程类比法：参照已有工程边坡稳定性状况及其影响因素，并结合有关设计与治理等经验，通过类比相似性与差异性评价边坡稳定；一般在中小型工程中应用广泛，在复杂的大型工程中还存在缺陷，需与其他方法融合应用。

（2）专家系统：基于计算机储存的大量边坡工程资料及相关学科不同专家的知识与经验，通过计算机的模拟优化技术路径分析稳定性；应能提高决策水平、节约时间，但固定的推理规则动态与复杂的系统难以适应其变化，亦不能学习与改进过去处理工程实例的方法。

（3）赤平极射投影法：利用赤平极射投影原理，通过作图反映边坡失稳边界条件评价边坡稳定性；得出可能产生的滑移面与坡面空间关系及稳定性，一般用于评价岩质边坡稳定性。

2.2定量分析方法

（1）极限平衡法：

①传递系数法[5]：是我国自主研发的适用边坡稳定性分析方法，可使单个条块与整个滑坡体均满足平衡方程，计算简单，精度偏低。

②广义条分法[8]：杨松林（1999）针对传统竖直条分法和萨尔玛法应用于岩石边坡稳定性分析的缺点，提出了适用范围更广的广义条分法，这—做法更加符合岩土工程的实际睛况，并采用优化搜索的方法给出了相对最危险的潜在滑动面及其安全系数。

③三维岩石边坡极限平衡法[8]：李冬田（2001）提出一种三维的岩石边坡极限平衡法，即应用岩石边坡多层DEM几何模型，参照简化Bishop法的假定，进行边坡稳定性分析的层分方法，进而提出了抗滑系数谱的概念，以反映碎裂岩体稳定因素的不均匀性。

④运动学分析法：基于赤平投影的运动学分析法在评价高切坡稳定性方面具有突出的优势，该方法在结构面统计的基础上，可以确定高切坡发生平面破坏、楔形体破坏与倾倒破坏的破坏模式与最大安全开挖切坡角，通过最大安全开挖切坡角与高切坡坡脚之间的比较可以判定高切坡的稳定性[9]。

（2）数值分析方法[8]：

①边界元法：边界元法是同有限元并行发展的另—类数值方法。我国自20世纪70年代开始进行了岩石力学边界元的应用研究，在巖体渗流问题、地下工程支护、岩体稳定性分析等方面作出了有意义的成果。与有限元法不同，边界元法只需在边界E进行离散化，因而具有数据处理工作量少、少占内存、解题时间省等优点。但是在处理多介质问题、复杂的非线性问题以及模拟分步开挖及施工过程等方面，不如有限元方便有效，因此在边坡稳定陛分析中应用不多。

②离散单元法：离散单元法在我国的研究和应用起步较晚，但发展却非常迅速，在节理岩体边坡、隧道、岩石基础等方而获得了广泛的应用。

③ABAQUS在边坡稳定性中的应用[10]：ABAQUS是目前国际上先进的大型通用非线性有限元分析软件之一。ABAQUS的特长是计算各种不同材料、复杂荷载过程以及变化接触条件的非线性组合问题，具有强大的后处理功能。研究表明，ABAQUS能有效地处理岩体节理和结构面接触非线性问题及岩土体材料、几何及边界条件非线性问题，解决岩土体裂隙水压、地应力等复杂荷载的加载问题。孙树芳等[11]采用ABAQUS软件对土质边坡的稳定性进行了计算分析。根据塑性应变的发展及塑性区的贯通情况作为评判边坡稳定性的依据，计算结果和极限平衡法相吻合。ABAQUS在动态模拟方面具有巨大优势，必将在复杂的岩土过程领域发挥更大的作用。

马萃林等[12]应用有限差分程序软件FLAC模拟分析边坡稳定性，对3个典型剖面边坡在静力条件下和渗流状况下进行模拟分析计算，得到各边坡剖面的安全系数和采场边坡稳定性定量化分析结果，为边坡治理提供了理论依据。FLAC数值模拟法是一种基于有限差分法的针对岩土边坡稳定性分析的一种新型数值模拟方法，适用于岩土工程力学分析。FLAC软件应用了显式的有限差分法代替了原先广泛使用的隐式有限元法。程序将计算区域内的介质划分为若干个二维单元，单元之间用节点相互连接。用FLAC法对边坡进行稳定性分析，了解边坡内应力应变的变化规律，可得到坡体内各单元的应力应变图，该方法是合理可行的。特别是当地质条件复杂，同时考虑地下水等多种因素时，强度折减法更加简便可靠。孟衡[13]结合某工程实例，分别采用GEO—slope软件包中的SLOPE/W模块和模糊评判2种方法对岩质边坡的稳定性进行分析研究。王东等[14]应用岩石破裂过程分析RFPA2D软件对某露天矿边坡的变形及破坏过程进行了数值试验研究，再现边坡失稳的动态过程。

3 总结

在高切坡的稳定性评价方法中，目前成熟的方法，主要还是以基于刚块体的极限平衡法为主，以工程类比法和数值计算法为辅。但是高陡边坡的稳定陆洋价不单是个力学问题，更应该是工程地质学和岩体结构力学问题。明确高陡边坡的地质模式、岩体的变形演化历史和趋势、边坡的变形破坏机理和模式，是进行稳定性评价和整治的本质性基础工作。由于边坡的地质条件和水文地质条件是边坡稳定性的控制性因素，决定了边坡的变形破坏机理和类型，而地员条件又是千差万别的，因此，没有哪一个边坡可以完全套用已有的经验，这就决定了边坡研究具有典型的场地特征（Sitespecific），必须具体问题具体分析[8]。

边坡稳定性研究趋势：本构模型的应用研究，交叉学科的研究，反分析法的应用研究，将传统的边坡稳定性分析法与现场监测手段相结合的应用研究，新的数学理论应用研究：将模糊数学、非线性能量耗散理论、概率论、分形分维理论、突变理论、混沌理论、灰色系统理论统计判别法、蝴蝶效应、遗传算法及模糊极值理论等引入边坡稳定性分析中，还有待于研究[5]。

参考文献：

[1] 陈洪凯，杨世胜，唐红梅.高切坡研究现状及趋势分析[C].公路边坡及其环境工程技术交流会论文集.北京：人民交通出版社，2005.

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[3] 文海家，张永兴.山区建设场地高切坡稳定性评估概要[J].地下空间与工程学报，2002，22（4）：299-302.

[4] DB50-5018.2001，建筑邊坡支护技术规范[S].2001.

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[10] 王玉平，曾志强，潘树林.边坡稳定性分析方法综述[J].西华大学学报.2012，31（2）：101-105.

[11] 孙树芳，车颖辉.ABAQUS在边坡稳定性分析中的应用[J].山西建筑，2008，34（13）：307—308.