泥岩地质高边坡整体稳定性分析研究

孙登峰

Research 研究探讨

泥岩地质高边坡整体稳定性分析研究

孙登峰

（中铁十六局集团第一工程有限公司，北京 101300）

从边坡工程研究的历史可以看出，边坡稳定性研究的发展也是边坡稳定性分析方法的发展。边坡稳定性分析的新方法不断涌现，旧方法不断改进，并逐步从定性向定量、半定量方向发展。边坡稳定性评价方法可分为定性分析方法和定量分析方法。此外，近年来，在上述两种分析方法的基础上，人们引进了一些新的学科和理论，并逐渐发展出一些边坡稳定性分析的新方法，如可靠性分析方法、模型综合评价方法、系统工程方法、灰色系统理论方法等，暂称为不确定性分析方法。

泥岩地质；高边坡；整体稳定性

1 泥岩地质高边坡稳定性分析概述

在现实生活中，人们经常遇到边坡工程问题，如公路、铁路建设过程中的边坡工程、水库大坝的安全与稳定、高山地区雨季的滑坡、地震灾害中的滑坡以及露天开采过程中的边坡失稳等都涉及到边坡问题。随着社会的发展，世界各地的工程基础设施建设正如茶场一样进行着。随着露天矿山开采、公路铁路建设和大型水利工程建设规模的不断扩大，大量的人工边坡产生，边坡稳定性问题日益突出。由于边坡失稳事故频发，据统计，近年来，我国已有至少1000人死于工程造成的滑坡灾害，经济损失巨大，仅漫湾大坝滑坡就造成了10多亿元的损失，工期延误一年多。研究边坡稳定性的影响因素和边坡失稳机理，对减少和解决边坡失稳的发生具有重要意义，是人类智慧自保减灾的正确选择，是人类通过智慧实现人与自然和谐相处的追求。岩土边坡是一种自然地质体，一般由多组断层、节理、裂隙和软弱带切割而成，边坡具有软弱表面，使边坡沿软弱表面发生相对滑动和失稳。边坡的变形和失稳基本上是边坡自身获得稳定状态的自然调节过程，帮助边坡稳定的因素是自然因素和人为因素。边坡稳定性研究的核心问题是边坡的稳定性，它涉及到采矿工程、道路桥梁工程、水利水电工程、建筑工程等多个领域，一直是岩体力学研究的重要课题。

2 泥岩地质高边坡稳定性案例分析

2.1 研究背景

本项目内路堑高边坡高度超过 50m 有 5 段，边坡高度较高。边坡施工应按规定分层开挖分层防护，施工开挖后遇雨时应及时覆盖彩条布，防止雨水过度冲刷边坡坡面。本合同段内岩质边坡坡体主要为粉砂质泥岩、泥质粉砂岩及泥岩（表层为粉质粘土），岩石表层风化较严重，岩石节理、裂隙发育，破碎程度较高。泥质岩类遇水易降级（力学性能降低），开挖过程中易形成崩塌、坍塌、滑坡等灾害事故应及时支护，做到开挖一级防护一级。由于本项目高边坡缺少详细的勘探资料，应在开挖过程中进行地质挖探，核实坡体结构、岩性，进一步确定边坡防护类型及相关参数，若发现地质条件与设计不符或存在不良地质应及时向建设单位和设计单位反馈，调整设计、施工方案。而为了对高边坡的开挖工作进行有效的风险控制，在开挖边坡之前，应对边坡稳定性进行分析。

2.2 影响边坡稳定性的主要因素分析

影响边坡稳定性的因素主要有坡体岩性、边坡高度、开挖方法、坡形坡率等。对边坡变形破坏形式和原因作出判断后，应制定可行的开挖措施，以免因工程施工影响、恶化边坡的稳定性。

具体分析，地层和岩性是决定边坡工程地质特征的基本因素，也是研究边坡稳定性的重要依据。边坡的形成、发育和稳定性受地层和鲁性控制，所以边坡的变形和失效具有区域性。在黄土地区，边坡的变形和失效形式主要是滑坡；在花岗岩和厚层石灰岩风化作用强烈的地区，主要形式是崩塌，但当岩体的节理和裂隙发育，岩体被结构平面切割严重时，边坡变形和失效的主要形式是滑坡。边坡的滑坡主要是剪切失效，所以岩体的抗剪强度是衡量边坡岩体稳定性的必要条件。从岩性对力学性能的影响可以看出，坚硬密实的岩块抗剪强度高，不易滑动，而松散破碎的岩块抗剪强度低，容易滑动。

对于地质构造和地应力对边坡稳定性的影响，地质结构主要是指斜坡地质的区域结构、褶皱形态、岩层的发生、断层和联合裂隙的发育、区域新构造运动等特征。它对岩体边坡的稳定性，特别是对岩体边坡的稳定性有重要影响。在区域结构复杂的地区，边坡稳定性较差。例如，在我国西南的横断山脉地区和金沙江地区的深切割峡谷中，经常出现超大型的滑坡体和滑坡群。在金沙江下游地区，滑坡、崩塌、泥石流、新旧矿床随处可见。边坡变形和失效的形式和规模将直接受岩层的褶皱和姿态控制。断层和断裂带对边坡变形和失效的影响比较明显。有些断层或节理裂隙是滑坡的滑动面或界面。总之，地质结构是影响边坡稳定性的重要因素。为了评价边坡稳定性，首先应分析和研究该地区的地质结构背景和新构造运动特征，作为定性评价和定量计算的依据。

2.3 边坡稳定性的计算分析

边坡稳定性是铁路、公路路堑边坡、隧道洞口边坡、水库库岸边坡、河道边坡、拱坝坝肩边坡和露天矿边坡等工程建设中常见的问题，关系到边坡的稳定性。边坡的不稳定性至少影响到工程的施工进度和质量，最坏的情况下造成人身事故和国民经济的严重损失。因此，无论是哪种类型的土力工程，保证边坡稳定，防止边坡失稳都是必须考虑的关键问题。因此，边坡稳定性分析与计算是边坡研究的核心问题，以确定经济合理的边坡组成或分析既有边坡的稳定性，为制定边坡加固措施提供可靠的依据。

在分析岩质边坡稳定性时，应将岩质边坡分为平面滑坡和空间滑坡。一般而言，位于滑坡表面的滑坡体是一个空间块体，因此，在大多数情况下，应根据空间滑坡进行分析。然而，对于单个平面或两个以上平面，只要这些平面的走向大致平行，而且滑体两侧没有受到约束或约束，就可以用平面滑动(包括圆形滑动)来分析，否则就可以用空间滑动(楔形滑动)来分析。目前，岩质边坡稳定性分析主要采用极限平衡法、球极平面投影法和有限元分析法。近年来，应力应变分析方法和可靠性分析方法得到了一定程度的发展。然而，极限平衡法在国内外仍得到广泛的应用。极限平衡法把边坡稳定问题看作刚体平衡问题，因此有以下基本假设，滑动面可以简化为圆弧面、平面或折叠面。在稳定性分析中，对于单滑面简单滑坡，上述基本假设可以完全确定稳定性分析中的未知数。但在复杂状态下，即用结构面将滑坡体划分为具有复杂几何特性的岩块，因此不能仅用刚体极限平衡法的基本假设来确定大量的未知数。因此，有必要在基本假设之外增加一些额外的假设，其中一些假设作用在两个块体之间的界面上的力的方向，其中一些假设作用在界面上的力的分布，还有关于力的位置的假设等等。由于不同的分析观点和补充假设的方法不同，刚体极限平衡法导出了各种解。虽然这些方法有不同的名称和不同的补充假设，但它们之间没有实质性的差异。总的来说，数值模拟结果表明，自然边坡的应力场显示出明显的山谷应力场受引力场控制。由于边坡的岩土类型和结构特点。一方面基岩岩性相对坚硬，岩体结构相对完整，另一方面第四纪沉积物和沉积物脆弱、松散、破碎，两者之间出现异常应力变化区，但正常应力值在相对均匀的地点发生变化。坡体内部最大主应力方向与重力方向接近，坡面附近最大主应力方向产生明显的偏转，逐渐向外转移，使坡体内部应力水平由内向外逐渐降低，坡面位置接近零，局部位置甚至出现拉应力。

从边坡稳定性的角度来看，所进口的突出位置隧道在蓄水后容易发生变形和破坏。位于隧道上部缓倾斜部位的冰水沉积物出现明显的拉应力，最大拉应力可达500kPa 以上。显然，由中等密实砾质土构成的冰水沉积物将很难承受如此大的拉应力。水软化作用对前坡岩土体的影响和地下水运动引起的孔隙水压力的影响，将导致边坡岩土体产生剪切破坏。此外，从蓄水后岸坡变形的角度来看，位于隧道进口区的冰水沉积物发生了明显的变形，同时也逐渐形成了连续的剪切应变增量集中的贯通带。这标志着岸坡体内部潜在不稳定滑动面的形成。

2.4 智能算法的设计

由于边坡组成材料的复杂性和多样性，难以用确定性分析方法进行准确的综合评价，传统的极限平衡法和数值分析法以安全系数作为评价边坡稳定性的确定性评价标准，以客观、准确地评价边坡的稳定性,在边坡安全系数大于1、边坡稳定性小于1的情况下，有必要对边坡稳定性进行研究。近年来，人们尝试运用数学理论，逐渐形成了一些新的稳定性分析方法，并取得了很大进展，如模型与综合评价方法的快速发展、灰色系统理论评价方法、人工神经网络分析方法、模型与综合评价方法等。大量工程实践表明，边坡稳定性影响因素与边坡稳定性之间的界限实际上是非常不确定的，具有相当大的模量。模糊综合评判通常找出影响边坡稳定性的主要因素，对其进行分类和分类，然后根据专家评判方法或层级分析法确定其权重值，最后选择适当的隶属函数，根据最大隶属度原则确定边坡的稳定等级。该方法的优点是在大型边坡的整体稳定性评价中比传统方法具有明显的优势，但在具体操作中适当的隶属函数选择以及权重分配往往具有很强的主观随机性。

本文提出了一种基于近景摄影测量技术的边坡稳定性智能监测系统。系统主要由近景摄影测量模块、静态稳定性分析模块、动态预测模块和数据管理模块四部分组成。在第一个模块中，控制点均匀布置在斜坡上，测量其三维坐标，拍摄斜坡照片，然后对照片和野外数据进行室内处理，得到许多真实的三维坐标，再利用这些三维坐标建立地表剖面、 DEM、 TIN 等地质模型。第二个模块在第一个模块生成的表面剖面上建立极限平衡模型，得到边坡的安全系数。在第三个模块中，通过计算监测点在一段时间内的三维坐标，得到监测点的位移，作为动态预测模型的输入参数，对监测点的未来值进行预测，得出监测点的运动规律。根据这些规律，可以推导出边坡的运动或趋势，从而对滑坡灾害进行预测和评价。第四个模块对整个系统的文本数据、图片、模型和结果进行存储和管理，通过提供一个有效的后端数据库实现一些自动化操作。该系统有两项创新: 一是采用近景摄影测量技术，基于非接触多基线摄影测量方法，能自动分解大量三维坐标。与传统的人工测量方法相比，该方法具有适应测量条件差、减少野外工作量等优点，更重要的是提供了更多的表面信息; 另一个优点是系统中的边坡稳定性静态分析与动态预测有机地联系在一起，而现有的系统大多只考虑边坡当前的稳定性，因此系统的结果更加可靠和可预测。该监测系统采用了图像处理、可视化技术、数据管理和建模等计算机技术，具有较高的集成度和自动化程度，能够为工程人员提供可靠的决策支持。我国地质灾害十分脆弱，滑坡灾害造成的人员伤亡和经济损失巨大，因此滑坡灾害的评估和预测对经济发展具有重要作用。滑坡具有多样性、复杂性和多因素性等特点，需要采用新的方法特别是非接触方法进行处理。经过两年多的研究和实验，我们的研究小组已经将该系统集成在一个露天矿上，并取得了成功。该系统除了具有前面提到的两个创新之外，还具有以下优点: 一是充分利用可视化技术，使界面更加美观直观，操作更加方便，了解不同模型的结果以及使用三维数字产品更加方便; 二是与遥感、航拍等现有的非接触式监测技术相比，具有更高的精度和经济效益; 三是具有良好的可扩展性和移植性，可用于桥梁、道路、隧道、大坝的健康监测或稳定性监测等其他工程领域。

3 结束语

综上所述，边坡稳定性分析与评价一直是边坡工程的重要核心内容之一。它也是目前边坡工程的一个研究热点。边坡稳定性分析的一般步骤是: 实际边坡-力学模型-数学模型-计算方法-结论。其核心内容是力学模型、数学模型和计算方法的研究，即边坡稳定性分析方法的研究。不同的边坡工程往往存在于不同的工程地质环境中，不同的边坡稳定性分析方法各有特点。因此，如何根据具体的边坡工程地质条件选择合适的边坡稳定性分析方法值得思考。

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