岩土工程中边坡稳定性分析及监测方法研究

2018-09-03李俊鹏高静文

水利科技与经济 2018年8期

李俊鹏，刘波，郑正，高静文

(河北工程大学水利水电学院，河北邯郸 056038)

1 概述

边坡稳定性分析对减少工程施工危害有着不可替代的作用，基本上所有的工程领域都离不开边坡的稳定性分析，比如水利、土木、矿山、交通等领域[1]。由于强度折减法有其自身的优点，目前它已成为边坡分析的研究方法之一，但将强度折减法作为边坡破坏准则判据的分析过程中，尚未取得共识[2]。裂隙岩体边坡的破坏一直是岩土工程和工程地质工作者关注的焦点和长期研究的问题[3]。在露天开采和地下开采过程中，边坡的稳定性也受到工程界的密切关注[4]。

地震波对边坡的破坏和稳定也有一定的影响，一旦边坡遭到破坏，将造成交通灾害、堵江、水库故障、建筑物倒塌、工厂和矿物埋藏等灾难性事故，造成重大的生命财产损失[5]。特别是近年来，随着中国基础设施的发展，边坡的稳定性和滑坡预测显得尤为重要，边坡加固及滑坡预测的保障建设对人民财产安全具有重要的意义。

2 国内外现状

2.1 边坡稳定性强度折减法研究现状

近年来，随着计算机技术的不断发展，与传统的极限平衡法相比，强度折减法作为边坡稳定分析的新方法已成为一种新的发展趋势[6]。目前，强度折减标准主要有3种，其中边坡监测点的位移突变特征这一标准通过监测边坡中某些点的位移随折算系数的增大而变化。作为一种破坏准则，它可以反映边坡的变形过程。已有文献介绍了求解边坡安全系数的有限元强度折减法的分析方法，分析了屈服准则计算边坡安全系数的影响[7]。实例表明，用有限元法求解边坡安全系数误差较大的主要原因是屈服准则的选取。一般以边坡体某监测点位移与折减系数曲线的突变特征作为失稳判据具，但是对于监测点的选择以及位移方式(水平位移、竖直位移、总位移)，目前仍没有统一的认识，同时如何从曲线上给出安全系数也没有明确的方法[8]。林航[9]分析了监测点位置和位移方式的合理性之后建议选择坡顶作为监测点。对于塑性区贯通作是否能作为破坏依据，赵尚义[10]认为，塑性区从坡脚到坡顶贯通并不一定意味着破坏，还要看是否产生很大的且无限发展的塑性变形和位移。边坡变形破坏过程中应力应变状态是十分复杂的，但岩石破坏归根结底是由能量驱动的状态不稳定。

2.2 裂隙岩体断裂力学和损伤力学研究现状

在岩石断裂的研究中，越来越多的学者将现有的线弹性断裂力学理论应用于岩石断裂力学。Poston[11]首次用Griffith能量准则对裂纹扩展方向与原主裂纹在脆性剪切断裂过程中的关系进行了分析，其趋势类似于岩体。Lajtai[12]认为，当裂纹被压缩的剪切应力作用的同时，不仅拉应力会集中，压应力也会集中，并产生一个正常的剪切裂纹垂直于受力方向，考虑到裂纹尖端的非均匀应力场，通过应力梯度模型建立了一种新的压剪断裂强度理论。周晓平[13]用Dugale-Barenblatt模型揭示了多节理渗透力学机制。它主要受两个因素的影响，分别是外部荷载和节点间的相互作用。

2.3 地下采空区对边坡稳定性影响研究现状

我国能源主要来自于地下，对煤、铁等矿物的大量开采会产生大面积的地下采空区。地下采空区会留下巨大的隐患，尤其是对于一些在矿区建设的工程。在中国有许多露天矿，大量的露天矿由于开采不符合操作规范或违法开采会形成塌陷区，这会对开采区乃至整个矿区的边坡稳定性造成严重的影响，甚至会危害矿山生产的正常秩序[14]。

2.4 边坡动力响应研究现状

爆破和地震是边坡产生动力学问题的两个主要来源，也是在岩土和地震工程中比较关注的问题。虽然拟静力法、滑动体分析法等的研究还未深入、应用尚不广泛，但其多用于边坡抗震稳定性分析[15]。由于地震的动特性常引起边坡的冲击反应，已有文献表明，地震动特性一般包括3个方面，即地震动强度、地震持续时间和地震频谱特征[16]。它对边坡动力响应的影响是一个非常重要的问题。

2.5 边坡监测系统在国内外研究和应用现状

近年来，边坡监测得到了迅速的发展，它是边坡稳定性研究中的一项重要工作。边坡稳定监测已成为世界边坡领域中发展最快的分支之一。边坡稳定性监测是指对岩质边坡使用检测仪器或装置来研究其运动规律，目的是为滑坡预测和边坡稳定性分析提供基础数据[17]。根据这些观测到的基础数据，更全面地对边坡稳定性进行分析，进一步掌握滑坡体的规模、形式和发展趋势，以采取相应的处理措施。国外一些发达国家较早将边坡检测应用于露天矿。边坡监测工作包括对坡面岩体运动的监测、钻孔岩体运动监测、地震动监测、大面积岩体运动观测等[18]。

3 边坡稳定性分析方法

边坡稳定性分析方法有很多，其中比较典型和常用的方法是瑞典圆弧法和极限平衡法。

3.1 瑞典圆弧法

瑞典圆弧滑动面分裂法假定滑动面上方的土壤被划分成n个垂直的土棒，并分析了作用在每个土层上的力和力矩平衡，忽略了土条间相互作用力的影响，得到了其土体稳定的安全系数[21]。当坡度、滑坡面取决于土壤时，黏土为圆柱形或碗状，砂土则为近似平面。边坡稳定安全系数K为抗滑力矩与滑动力矩之比[22]。这种方法是条分法中最简单的方法，并被广泛应用。

3.2 极限平衡法

极限平衡法是基于滑动体分块的力学平衡原理[23](即静态平衡原理)对滑坡的各种失效模式以及边坡的应力状态和抗滑力和滑动力之间的关系评价边坡稳定性的计算方法。

极限平衡准则是边坡稳定性分析中应用最为广泛的方法之一。该方法是基于摩尔-库仑强度理论，通过对土体受到破坏时土的静力平衡进行分析，使得问题到解决。传统的弹塑性力学是引入一些简化假设，使问题变得静定和可解，习惯将应力应变关系引入来解决非静态和不确定问题，这种处理方法的严密性虽然受到了破坏，但其对计算精度和稳定性的影响不大。

4 边坡监测方法

边坡监测方法主要包括边坡稳定监测系统、边坡雷达监测、声发射检测系统。这些方法目前广泛应用于水利、土木和交通等领域。

4.1 边坡稳定监测系统

边坡稳定性监测系统的设计形式很多，本文以滕振芳[19]设计的边坡稳定性监测系统为例。它由4部分组成，分别为数据自动检测系统、数据采集系统、数据传输系统和监测服务中心。见图1。

数据自动检测系统是指在各种动态信息采集设备在矿山现场的布置；数据采集系统指的是监测仪器的控制、数据采集仪、数据存储和数据与PC机通信、嵌入式计算机等；数据传输系统是指互联网络对数据信息的传输；监测服务中心是数据处理系统、数据查询和控制指令的终端设备，包括计算机信息和计算机软件等。

4.2 边坡雷达监测

雷达技术同样也在边坡稳定性监测中开始应用。边坡稳定雷达是一种用于岩土工程中边坡稳定性监测的装置[20]。该装置的监测系统首先对近毫米精度的不同边坡区连续反复扫描，然后将扫描数据通过专用软件处理并与之前扫描的结果比较，以确定边坡位移的程度，接下来将位移的变化量以图形的形式输出到显示器，当预警系统位移超过预设的阈值时触发警报(图2)。

图2 边坡雷达工作过程

图3 声音发射检测系统图

4.3 声发射检测系统

该系统由波导管与传感器链接，并将一个压电换能机安装在波导管内从而进行声发射检测(图3)。这一系统[24]最初是开发用于检测边坡活动变形产生细粒土的形成。波导杆埋于地面以下用来传送超高频电磁波，通过它脉冲信号能以极小的损耗被传送到传感器。波导管通常钻孔安装，理想情况下可以到达坡面以下任何剪切面或潜在剪切面以及可能会对边坡稳定造成破坏的地层。波导管和钻孔之间的间隙用砾石或粗砂回填，因此砂砾石成为波发出的源头，这使得系统感受到土壤的移动更为灵敏。因为细土壤产生的声发射水平很低，导致声学材料的声学传递性能较差，从而引入压电换能机增强检测信号。