边坡稳定性分析与治理发展现状

王 磊

(内蒙古工业大学 1.理学院；2.内蒙古自治区土木工程结构与力学重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010051)

边坡失稳是一种常见的地质灾害，它是指山体斜坡上的部分岩土在自重作用下，沿着一定的薄弱面(带)产生剪切位移而整体向斜坡下方移动的现象[1]。边坡稳定性的治理对保障人民财产安全具有重要意义，所以它是工程地质学中一直被关注的研究领域。本文将从边坡失稳的成因、影响因素、治理方法以及实施难点等方面进行论述，指出实施过程中存在的难点，并对未来的发展趋势进行展望，为边坡稳定性治理提供参考。

1 边坡失稳的影响因素

边坡失稳是一个十分复杂的地质灾害过程，受多种因素影响。这些因素主要包括岩土类型，地形地貌和地质构造以及水文特征等内部因素；还包括降雨、地震、人类活动等外部因素。这些控制因素对于边坡的稳定有非常重要的影响[2-3]。

1.1 岩土类型

岩土体是产生滑坡的物质基础。一般来说，各类岩土都有可能构成滑坡体，其中由于风化作用或者水的作用造成的疏松劣化和抗剪强度降低的土体，如粘土、泥岩、页岩以及板岩等等，都是容易发生滑坡的土体[4]。

1.2 地形地貌和地质构造

地形地貌主要指的是斜坡的倾角和高度等几何特征。斜坡越陡峭，斜坡上岩体的沿坡面的重力分量越大，滑坡发生的驱动力就越大。当土质边坡高度大于20m小于100m或岩质边坡高度大于30m小于100m的边坡称为高边坡[5]，高边坡的稳定性分析和防护加固工程设计应进行专门的设计计算。

地质构造主要是指岩体中可能引起滑坡的薄弱层与斜坡面的平行或倾角较小时，就可能发生滑坡。这些薄弱层包括节理、裂隙、分层、断层发育的斜坡等[6]。

1.3 水文特征

降雨和河流等地表水的作用，很容易冲刷和浸泡斜坡，形成薄弱层。从滑坡发生的统计数据中可以看出，大多数滑坡发生在雨季期间[7]。地下水位会在内部产生测向水压力和上浮力，并降低滑动破坏面的摩擦力，增加边坡失稳的可能性。

1.4 地震力

当受到地震作用时，岩坡由于惯性力的作用，导致静态条件下稳定的岩坡在动力荷载作用下发生失稳。地震荷载作用下，水平加速度沿滑动破坏面的分量将增加驱动力[8]。

1.5 人类活动

天然斜坡受到人类活动的干扰，往往会诱发边坡失稳。主要的人类活动包括公路铁路建设，在斜坡上建造建筑物及其他土木工程构筑物。其中，公路铁路建设需要开辟山体，很多情况下，斜坡都是以非计划的方式进行切割，以致产生了没有支撑的陡峭斜坡[9]；在斜坡上建造建筑物及其他土木工程构筑物，会增加斜坡的附加荷载，比如大坝和在斜坡上建造的工业和居住区，这种附加荷载将直接增加边坡的重量，导致边坡破坏的可能性增加。

2 边坡稳定性分析和治理措施

2.1 稳定性分析

目前，边坡稳定性分析的方法较多，基本上可以分为定性分析法、定量分析法和不确定性分析法。其中定性分析法包括自然历史分析法，工程地质类比法和图解法等。定量分析法包括极限平衡法和数值分析法等。不确定性分析法包括可靠度分析方法、模糊综合评价法和灰色系统评价法等。

2.1.1 定性分析法

定性分析法主要是利用现有的工程地质条件，通过综合分析快速对边坡破坏的可能性和破坏方式进行定性评估，给出初步的稳定性判断结果。其中需要考虑的地质条件主要包括地形地貌条件、水文条件、新构造运动、气候及人类活动等。定性分析法常用的方法主要是指类比法、图解法以及自然历史分析法等[10]。

一般情况下，定性分析法可以应用于大范围和简单情况下的边坡稳定性研究[11]。特别是在多坡路段的道路工程中，需要进行大量的坡面调查，这些方法是非常有用的。这些方法也为边坡稳定的初步设计提供了建议。但是对于复杂的情况，涉及到可变坡度的几何和地质条件，这些方法不能应用。

2.1.2 极限平衡法

在边坡稳定性分析中，极限平衡法是应用最广泛的方法之一。极限平衡法[12]是通过有滑动趋势的边坡岩体的各种驱动力和抗力之间的平衡条件来分析其稳定性的。随着研究的不断深入，目前常用的极限平衡分析方法有多种，最典型的有瑞典条分法、Bishop条分法、Janbu法、Sarma法、Spencer法和不平衡推力法等。

极限平衡方法的应用很简单，并且容易从现场收集到分析所需的数据。但是极限平衡法的局限是所作的假设过于简单化，无法考虑边坡以及支护结构的位移和变形协调关系，使计算结果存在误差[13]。

2.1.3 数值方法

随着计算机技术的发展，数值方法由于考虑了土的非线性应力—应变关系，而得到了极大发展。数值方法的优点是能算出边坡内部的应力场和位移分布，更好的考虑了边坡几何形状的复杂性、地质构造的非均质性、沿破坏面剪切强度的变化、水资源分布不均匀，附加荷载和地震荷载分布不均匀等特点[14]。一般而言，数值方法包括连续、非连续和混合方法[15-16]。

连续介质模型方法可以应用于岩体相对均匀的边坡，可以认为整个边坡是连续的岩体。在稳定性分析中，可以通过控制多个参数来模拟边坡的变形和破坏，例如，本构模型、载荷、抗剪强度、地下水等。连续介质模拟方法的主要局限性在于将岩体定义为连续体，需要对其进行简化。因此，这种简化对最终结果有很大影响[17]。非连续介质模型适用于含不连续面的非连续岩体，其破坏机制受已有不连续面的控制[18]。建模需输入的数据包括边坡的几何形状、不连续面特性、不连续面的抗剪强度和刚度、岩土应力和地下水数据。混合建模方法是综合利用了连续和非连续两种方法。岩体的强度是岩石节理的强度和节理之间完整岩石的强度的综合作用。在混合建模方法中，可以考虑复杂的坡度和不连续的几何形状[19]。

2.1.4 不确定性分析方法

不确定性分析法包括可靠度分析方法、模糊综合评价法和灰色系统评价法等。这类分析方法，主要考虑了边坡计算的不确定因素，利用各种交叉学科的优势来评价边坡的综合稳定指标。

概率方法基于极限平衡法理论，并系统地考虑了不确定性参数的作用，并以概率值定义边坡的稳定性条件[20]。对于概率方法，对不确定性参数采用合适的取值，是决定该方法适用性和可信度的首要问题。这种方法需要收集分布在斜坡上的详细参数数据，这是该方法的一个主要限制。

模糊综合评价法是考虑到不同类型的边坡，影响其稳定性的因素各不相同，且这些因素对边坡稳定性的影响程度也是不同的。因此对每一个因素赋予不同的权值，区分各因素在总的评判中的地位和作用。再根据隶属函数，对边坡进行综合评判，确定其稳定状况。但其缺点是在实际操作过程中，权值的分配带有一定的经验性和主观性[21]。

灰色系统理论[22]主要是利用灰色关联度分析原理，将影响边稳定性的确定和不确定因素，建立灰色量数学模型，从而确定边坡各影响要素的比重大小，继而分析边坡的稳定性。该法直观简便，可操作性强。

2.2 治理措施

目前常用的治理措施包括以下两个方面。

(1)锚固措施

锚杆锚固，该锚固方法使边坡岩土形成一个复合整体，增加边坡的稳定性，并改善和提高滑动面的抗滑性能[23]。锚杆锚固技术不仅工程造价低，工期短，并能有较好的稳定性和耐久性。

抗滑桩锚固，抗滑桩通过桩身将上部承受的坡体推力传给桩下部的侧向土体，依靠桩下部的侧向阻力来承担边坡的下推力，而使边坡保持稳定或平衡。抗滑桩被广泛应用于土质边坡的加固治理中[24]。抗滑桩可以根据滑坡体的实际规模，设置单排、双排或三排。

重力式挡土墙是以墙身自重来平衡边坡滑移产生的向下和向外的作用力，从而维持土体的稳定，目前重力挡土墙是是最常用的一种挡土墙形式。重力式挡土墙首先需要有较大的自重，因此其多用浆砌片(块)石砌筑，也可直接用混凝土浇筑。此外，其施工简单、取材容易、适应性强，因而应用更加广泛。

最后还有喷射混凝土加钢筋网片支护，这种方式往往与锚杆锚固方法相结合，共同提高边坡的稳定性[25]。

(2)排水措施

一方面，考虑大气降水等的影响，需做好地表排水处理。通过修筑地表排水沟渠，拦截大气降水在坡面形成的面流水体，引导其向坡体外排泄，防治地表水沿滑坡体裂隙渗入到滑移带，降低滑坡的抗滑力。另一方面，控制好地下水对边坡稳定性起到关键作用，地下水控制要遵循疏水和堵水结合方法[26]，在施工和使用过程中要加强监测，降低地下水对边坡稳定的隐患，保证边坡的稳定性。

3 结论与展望

3.1 地质勘察存在的问题及其展望

地质勘察质量是边坡稳定性分析的最重要的基础。但是，目前地质勘察中仍存在许多问题，导致勘察数据的误差，给工程质量控制带来了较大影响。目前存在的主要问题有：操作未能严格执行规范，例如提钻次数少，地层分层不严谨，以及对于需要加密勘察的特殊地层未能按规范进行加密等，从而导致地质勘查的不明确[27]；勘察人员专业素养低，岗位责任感不足，因为在岩土工程项目管理中没能进行适当的人员培训和认证工作，所以人员的专业素养参差不齐，岗位责任感不足；最后还有传统地质探测方法和设备本身的系统误差，导致获取的实验数据存在变异性和离散性。

因此，为了保证地质勘查的精确性，首先，建立健全土工试验质量控制和监管制度，确保质量管理的每一个阶段都符合规范要求；其次，加强试验人员的培训，提高土工试验人员的专业技能和专业综合素质，培养土工试验人员深入、系统的学习专业知识，了解土工试验的基本任务和先进的专业技术进行精确的操作，从而获得真实、准确的试验数据；最后，发展先进的地质探测方法，提高试验精度的同时简化操作步骤。

3.2 理论计算存在的问题及其展望

边坡稳定性的分析方法直接关系到计算结果的准确性。现有的各种分析方法都具有一定的优势和局限性，极限平衡法尽管简单实用，但是对边坡的简化较多，因此精度有限。数值分析方法，借助计算机的优势，更好的考虑了边坡内部的变形协调条件、非均质性和复杂性，但是该方法也需要更加详细的数据，较高的计算机内存和系统的计算能力[28]。不确定分析方法能考虑影响边坡稳定性因素的随机性和不确定性，但是目前该方法仍处于初步发展阶段[29]，系统性和可靠性都需要进一步的完善和提高。

因此，对于边坡稳定性分析，首先，需要多种方法结合使用，既要发挥每种方法的优势，又要相互弥补各自的缺点，兼顾计算结果的精确性与工程应用的经济性；其次，要不断发展数值分析方法，加强数值分析算法的改进，提高数值分析的效率，另外，不断探索先进的探测手段，使能够方便地获得准确详实的边坡数据；最后，应鼓励学科交叉创新，重视不确定性分析方法的发展。

3.3 监控手段的发展

由于地质状况的复杂性，时间的变化性，地震降雨等随机因素的影响，需要建立相应的监测系统，对边坡进行滑移监测和地质变化的监测等，实时监控边坡的稳定状态，并制定相应的滑坡预警预案，从而保证边坡形成过程中和形成后的稳定性。