泥巖地質(zhì)高邊坡整體穩(wěn)定性分析研究

孫登峰

Research 研究探討

泥巖地質(zhì)高邊坡整體穩(wěn)定性分析研究

孫登峰

（中鐵十六局集團(tuán)第一工程有限公司，北京 101300）

從邊坡工程研究的歷史可以看出，邊坡穩(wěn)定性研究的發(fā)展也是邊坡穩(wěn)定性分析方法的發(fā)展。邊坡穩(wěn)定性分析的新方法不斷涌現(xiàn)，舊方法不斷改進(jìn)，并逐步從定性向定量、半定量方向發(fā)展。邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法可分為定性分析方法和定量分析方法。此外，近年來(lái)，在上述兩種分析方法的基礎(chǔ)上，人們引進(jìn)了一些新的學(xué)科和理論，并逐漸發(fā)展出一些邊坡穩(wěn)定性分析的新方法，如可靠性分析方法、模型綜合評(píng)價(jià)方法、系統(tǒng)工程方法、灰色系統(tǒng)理論方法等，暫稱為不確定性分析方法。

泥巖地質(zhì)；高邊坡；整體穩(wěn)定性

1 泥巖地質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性分析概述

在現(xiàn)實(shí)生活中，人們經(jīng)常遇到邊坡工程問(wèn)題，如公路、鐵路建設(shè)過(guò)程中的邊坡工程、水庫(kù)大壩的安全與穩(wěn)定、高山地區(qū)雨季的滑坡、地震災(zāi)害中的滑坡以及露天開采過(guò)程中的邊坡失穩(wěn)等都涉及到邊坡問(wèn)題。隨著社會(huì)的發(fā)展，世界各地的工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正如茶場(chǎng)一樣進(jìn)行著。隨著露天礦山開采、公路鐵路建設(shè)和大型水利工程建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，大量的人工邊坡產(chǎn)生，邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題日益突出。由于邊坡失穩(wěn)事故頻發(fā)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)，我國(guó)已有至少1000人死于工程造成的滑坡災(zāi)害，經(jīng)濟(jì)損失巨大，僅漫灣大壩滑坡就造成了10多億元的損失，工期延誤一年多。研究邊坡穩(wěn)定性的影響因素和邊坡失穩(wěn)機(jī)理，對(duì)減少和解決邊坡失穩(wěn)的發(fā)生具有重要意義，是人類智慧自保減災(zāi)的正確選擇，是人類通過(guò)智慧實(shí)現(xiàn)人與自然和諧相處的追求。巖土邊坡是一種自然地質(zhì)體，一般由多組斷層、節(jié)理、裂隙和軟弱帶切割而成，邊坡具有軟弱表面，使邊坡沿軟弱表面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)和失穩(wěn)。邊坡的變形和失穩(wěn)基本上是邊坡自身獲得穩(wěn)定狀態(tài)的自然調(diào)節(jié)過(guò)程，幫助邊坡穩(wěn)定的因素是自然因素和人為因素。邊坡穩(wěn)定性研究的核心問(wèn)題是邊坡的穩(wěn)定性，它涉及到采礦工程、道路橋梁工程、水利水電工程、建筑工程等多個(gè)領(lǐng)域，一直是巖體力學(xué)研究的重要課題。

2 泥巖地質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性案例分析

2.1 研究背景

本項(xiàng)目?jī)?nèi)路塹高邊坡高度超過(guò) 50m 有 5 段，邊坡高度較高。邊坡施工應(yīng)按規(guī)定分層開挖分層防護(hù)，施工開挖后遇雨時(shí)應(yīng)及時(shí)覆蓋彩條布，防止雨水過(guò)度沖刷邊坡坡面。本合同段內(nèi)巖質(zhì)邊坡坡體主要為粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及泥巖（表層為粉質(zhì)粘土），巖石表層風(fēng)化較嚴(yán)重，巖石節(jié)理、裂隙發(fā)育，破碎程度較高。泥質(zhì)巖類遇水易降級(jí)（力學(xué)性能降低），開挖過(guò)程中易形成崩塌、坍塌、滑坡等災(zāi)害事故應(yīng)及時(shí)支護(hù)，做到開挖一級(jí)防護(hù)一級(jí)。由于本項(xiàng)目高邊坡缺少詳細(xì)的勘探資料，應(yīng)在開挖過(guò)程中進(jìn)行地質(zhì)挖探，核實(shí)坡體結(jié)構(gòu)、巖性，進(jìn)一步確定邊坡防護(hù)類型及相關(guān)參數(shù)，若發(fā)現(xiàn)地質(zhì)條件與設(shè)計(jì)不符或存在不良地質(zhì)應(yīng)及時(shí)向建設(shè)單位和設(shè)計(jì)單位反饋，調(diào)整設(shè)計(jì)、施工方案。而為了對(duì)高邊坡的開挖工作進(jìn)行有效的風(fēng)險(xiǎn)控制，在開挖邊坡之前，應(yīng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

2.2 影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素分析

影響邊坡穩(wěn)定性的因素主要有坡體巖性、邊坡高度、開挖方法、坡形坡率等。對(duì)邊坡變形破壞形式和原因作出判斷后，應(yīng)制定可行的開挖措施，以免因工程施工影響、惡化邊坡的穩(wěn)定性。

具體分析，地層和巖性是決定邊坡工程地質(zhì)特征的基本因素，也是研究邊坡穩(wěn)定性的重要依據(jù)。邊坡的形成、發(fā)育和穩(wěn)定性受地層和魯性控制，所以邊坡的變形和失效具有區(qū)域性。在黃土地區(qū)，邊坡的變形和失效形式主要是滑坡；在花崗巖和厚層石灰?guī)r風(fēng)化作用強(qiáng)烈的地區(qū)，主要形式是崩塌，但當(dāng)巖體的節(jié)理和裂隙發(fā)育，巖體被結(jié)構(gòu)平面切割嚴(yán)重時(shí)，邊坡變形和失效的主要形式是滑坡。邊坡的滑坡主要是剪切失效，所以巖體的抗剪強(qiáng)度是衡量邊坡巖體穩(wěn)定性的必要條件。從巖性對(duì)力學(xué)性能的影響可以看出，堅(jiān)硬密實(shí)的巖塊抗剪強(qiáng)度高，不易滑動(dòng)，而松散破碎的巖塊抗剪強(qiáng)度低，容易滑動(dòng)。

對(duì)于地質(zhì)構(gòu)造和地應(yīng)力對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，地質(zhì)結(jié)構(gòu)主要是指斜坡地質(zhì)的區(qū)域結(jié)構(gòu)、褶皺形態(tài)、巖層的發(fā)生、斷層和聯(lián)合裂隙的發(fā)育、區(qū)域新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等特征。它對(duì)巖體邊坡的穩(wěn)定性，特別是對(duì)巖體邊坡的穩(wěn)定性有重要影響。在區(qū)域結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地區(qū)，邊坡穩(wěn)定性較差。例如，在我國(guó)西南的橫斷山脈地區(qū)和金沙江地區(qū)的深切割峽谷中，經(jīng)常出現(xiàn)超大型的滑坡體和滑坡群。在金沙江下游地區(qū)，滑坡、崩塌、泥石流、新舊礦床隨處可見(jiàn)。邊坡變形和失效的形式和規(guī)模將直接受巖層的褶皺和姿態(tài)控制。斷層和斷裂帶對(duì)邊坡變形和失效的影響比較明顯。有些斷層或節(jié)理裂隙是滑坡的滑動(dòng)面或界面?？傊刭|(zhì)結(jié)構(gòu)是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素。為了評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性，首先應(yīng)分析和研究該地區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)背景和新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征，作為定性評(píng)價(jià)和定量計(jì)算的依據(jù)。

2.3 邊坡穩(wěn)定性的計(jì)算分析

邊坡穩(wěn)定性是鐵路、公路路塹邊坡、隧道洞口邊坡、水庫(kù)庫(kù)岸邊坡、河道邊坡、拱壩壩肩邊坡和露天礦邊坡等工程建設(shè)中常見(jiàn)的問(wèn)題，關(guān)系到邊坡的穩(wěn)定性。邊坡的不穩(wěn)定性至少影響到工程的施工進(jìn)度和質(zhì)量，最壞的情況下造成人身事故和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的嚴(yán)重?fù)p失。因此，無(wú)論是哪種類型的土力工程，保證邊坡穩(wěn)定，防止邊坡失穩(wěn)都是必須考慮的關(guān)鍵問(wèn)題。因此，邊坡穩(wěn)定性分析與計(jì)算是邊坡研究的核心問(wèn)題，以確定經(jīng)濟(jì)合理的邊坡組成或分析既有邊坡的穩(wěn)定性，為制定邊坡加固措施提供可靠的依據(jù)。

在分析巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性時(shí)，應(yīng)將巖質(zhì)邊坡分為平面滑坡和空間滑坡。一般而言，位于滑坡表面的滑坡體是一個(gè)空間塊體，因此，在大多數(shù)情況下，應(yīng)根據(jù)空間滑坡進(jìn)行分析。然而，對(duì)于單個(gè)平面或兩個(gè)以上平面，只要這些平面的走向大致平行，而且滑體兩側(cè)沒(méi)有受到約束或約束，就可以用平面滑動(dòng)(包括圓形滑動(dòng))來(lái)分析，否則就可以用空間滑動(dòng)(楔形滑動(dòng))來(lái)分析。目前，巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析主要采用極限平衡法、球極平面投影法和有限元分析法。近年來(lái)，應(yīng)力應(yīng)變分析方法和可靠性分析方法得到了一定程度的發(fā)展。然而，極限平衡法在國(guó)內(nèi)外仍得到廣泛的應(yīng)用。極限平衡法把邊坡穩(wěn)定問(wèn)題看作剛體平衡問(wèn)題，因此有以下基本假設(shè)，滑動(dòng)面可以簡(jiǎn)化為圓弧面、平面或折疊面。在穩(wěn)定性分析中，對(duì)于單滑面簡(jiǎn)單滑坡，上述基本假設(shè)可以完全確定穩(wěn)定性分析中的未知數(shù)。但在復(fù)雜狀態(tài)下，即用結(jié)構(gòu)面將滑坡體劃分為具有復(fù)雜幾何特性的巖塊，因此不能僅用剛體極限平衡法的基本假設(shè)來(lái)確定大量的未知數(shù)。因此，有必要在基本假設(shè)之外增加一些額外的假設(shè)，其中一些假設(shè)作用在兩個(gè)塊體之間的界面上的力的方向，其中一些假設(shè)作用在界面上的力的分布，還有關(guān)于力的位置的假設(shè)等等。由于不同的分析觀點(diǎn)和補(bǔ)充假設(shè)的方法不同，剛體極限平衡法導(dǎo)出了各種解。雖然這些方法有不同的名稱和不同的補(bǔ)充假設(shè)，但它們之間沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的差異?？偟膩?lái)說(shuō)，數(shù)值模擬結(jié)果表明，自然邊坡的應(yīng)力場(chǎng)顯示出明顯的山谷應(yīng)力場(chǎng)受引力場(chǎng)控制。由于邊坡的巖土類型和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。一方面基巖巖性相對(duì)堅(jiān)硬，巖體結(jié)構(gòu)相對(duì)完整，另一方面第四紀(jì)沉積物和沉積物脆弱、松散、破碎，兩者之間出現(xiàn)異常應(yīng)力變化區(qū)，但正常應(yīng)力值在相對(duì)均勻的地點(diǎn)發(fā)生變化。坡體內(nèi)部最大主應(yīng)力方向與重力方向接近，坡面附近最大主應(yīng)力方向產(chǎn)生明顯的偏轉(zhuǎn)，逐漸向外轉(zhuǎn)移，使坡體內(nèi)部應(yīng)力水平由內(nèi)向外逐漸降低，坡面位置接近零，局部位置甚至出現(xiàn)拉應(yīng)力。

從邊坡穩(wěn)定性的角度來(lái)看，所進(jìn)口的突出位置隧道在蓄水后容易發(fā)生變形和破壞。位于隧道上部緩傾斜部位的冰水沉積物出現(xiàn)明顯的拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力可達(dá)500kPa 以上。顯然，由中等密實(shí)礫質(zhì)土構(gòu)成的冰水沉積物將很難承受如此大的拉應(yīng)力。水軟化作用對(duì)前坡巖土體的影響和地下水運(yùn)動(dòng)引起的孔隙水壓力的影響，將導(dǎo)致邊坡巖土體產(chǎn)生剪切破壞。此外，從蓄水后岸坡變形的角度來(lái)看，位于隧道進(jìn)口區(qū)的冰水沉積物發(fā)生了明顯的變形，同時(shí)也逐漸形成了連續(xù)的剪切應(yīng)變?cè)隽考械呢炌◣?。這標(biāo)志著岸坡體內(nèi)部潛在不穩(wěn)定滑動(dòng)面的形成。

2.4 智能算法的設(shè)計(jì)

由于邊坡組成材料的復(fù)雜性和多樣性，難以用確定性分析方法進(jìn)行準(zhǔn)確的綜合評(píng)價(jià)，傳統(tǒng)的極限平衡法和數(shù)值分析法以安全系數(shù)作為評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性的確定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以客觀、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性,在邊坡安全系數(shù)大于1、邊坡穩(wěn)定性小于1的情況下，有必要對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究。近年來(lái)，人們嘗試運(yùn)用數(shù)學(xué)理論，逐漸形成了一些新的穩(wěn)定性分析方法，并取得了很大進(jìn)展，如模型與綜合評(píng)價(jià)方法的快速發(fā)展、灰色系統(tǒng)理論評(píng)價(jià)方法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法、模型與綜合評(píng)價(jià)方法等。大量工程實(shí)踐表明，邊坡穩(wěn)定性影響因素與邊坡穩(wěn)定性之間的界限實(shí)際上是非常不確定的，具有相當(dāng)大的模量。模糊綜合評(píng)判通常找出影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素，對(duì)其進(jìn)行分類和分類，然后根據(jù)專家評(píng)判方法或?qū)蛹?jí)分析法確定其權(quán)重值，最后選擇適當(dāng)?shù)碾`屬函數(shù)，根據(jù)最大隸屬度原則確定邊坡的穩(wěn)定等級(jí)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是在大型邊坡的整體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中比傳統(tǒng)方法具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但在具體操作中適當(dāng)?shù)碾`屬函數(shù)選擇以及權(quán)重分配往往具有很強(qiáng)的主觀隨機(jī)性。

本文提出了一種基于近景攝影測(cè)量技術(shù)的邊坡穩(wěn)定性智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由近景攝影測(cè)量模塊、靜態(tài)穩(wěn)定性分析模塊、動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模塊和數(shù)據(jù)管理模塊四部分組成。在第一個(gè)模塊中，控制點(diǎn)均勻布置在斜坡上，測(cè)量其三維坐標(biāo)，拍攝斜坡照片，然后對(duì)照片和野外數(shù)據(jù)進(jìn)行室內(nèi)處理，得到許多真實(shí)的三維坐標(biāo)，再利用這些三維坐標(biāo)建立地表剖面、 DEM、 TIN 等地質(zhì)模型。第二個(gè)模塊在第一個(gè)模塊生成的表面剖面上建立極限平衡模型，得到邊坡的安全系數(shù)。在第三個(gè)模塊中，通過(guò)計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)的三維坐標(biāo)，得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移，作為動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型的輸入?yún)?shù)，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的未來(lái)值進(jìn)行預(yù)測(cè)，得出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。根據(jù)這些規(guī)律，可以推導(dǎo)出邊坡的運(yùn)動(dòng)或趨勢(shì)，從而對(duì)滑坡災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)。第四個(gè)模塊對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的文本數(shù)據(jù)、圖片、模型和結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，通過(guò)提供一個(gè)有效的后端數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)一些自動(dòng)化操作。該系統(tǒng)有兩項(xiàng)創(chuàng)新: 一是采用近景攝影測(cè)量技術(shù)，基于非接觸多基線攝影測(cè)量方法，能自動(dòng)分解大量三維坐標(biāo)。與傳統(tǒng)的人工測(cè)量方法相比，該方法具有適應(yīng)測(cè)量條件差、減少野外工作量等優(yōu)點(diǎn)，更重要的是提供了更多的表面信息; 另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)中的邊坡穩(wěn)定性靜態(tài)分析與動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)有機(jī)地聯(lián)系在一起，而現(xiàn)有的系統(tǒng)大多只考慮邊坡當(dāng)前的穩(wěn)定性，因此系統(tǒng)的結(jié)果更加可靠和可預(yù)測(cè)。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用了圖像處理、可視化技術(shù)、數(shù)據(jù)管理和建模等計(jì)算機(jī)技術(shù)，具有較高的集成度和自動(dòng)化程度，能夠?yàn)楣こ倘藛T提供可靠的決策支持。我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害十分脆弱，滑坡災(zāi)害造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失巨大，因此滑坡災(zāi)害的評(píng)估和預(yù)測(cè)對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用?；戮哂卸鄻有浴?fù)雜性和多因素性等特點(diǎn)，需要采用新的方法特別是非接觸方法進(jìn)行處理。經(jīng)過(guò)兩年多的研究和實(shí)驗(yàn)，我們的研究小組已經(jīng)將該系統(tǒng)集成在一個(gè)露天礦上，并取得了成功。該系統(tǒng)除了具有前面提到的兩個(gè)創(chuàng)新之外，還具有以下優(yōu)點(diǎn): 一是充分利用可視化技術(shù)，使界面更加美觀直觀，操作更加方便，了解不同模型的結(jié)果以及使用三維數(shù)字產(chǎn)品更加方便; 二是與遙感、航拍等現(xiàn)有的非接觸式監(jiān)測(cè)技術(shù)相比，具有更高的精度和經(jīng)濟(jì)效益; 三是具有良好的可擴(kuò)展性和移植性，可用于橋梁、道路、隧道、大壩的健康監(jiān)測(cè)或穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)等其他工程領(lǐng)域。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，邊坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)一直是邊坡工程的重要核心內(nèi)容之一。它也是目前邊坡工程的一個(gè)研究熱點(diǎn)。邊坡穩(wěn)定性分析的一般步驟是: 實(shí)際邊坡-力學(xué)模型-數(shù)學(xué)模型-計(jì)算方法-結(jié)論。其核心內(nèi)容是力學(xué)模型、數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法的研究，即邊坡穩(wěn)定性分析方法的研究。不同的邊坡工程往往存在于不同的工程地質(zhì)環(huán)境中，不同的邊坡穩(wěn)定性分析方法各有特點(diǎn)。因此，如何根據(jù)具體的邊坡工程地質(zhì)條件選擇合適的邊坡穩(wěn)定性分析方法值得思考。

[1]譚寧. 貴州省納雍縣鬃嶺鎮(zhèn)中嶺高邊坡變形破壞機(jī)制及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[D].成都理工大學(xué),2013.

[2]宋玉環(huán). 西南地區(qū)軟硬互層巖質(zhì)高邊坡變形破壞模式及穩(wěn)定性研究[D].成都理工大學(xué),2011.

[3]程強(qiáng). 紅層軟巖開挖高邊坡致災(zāi)機(jī)理及防治技術(shù)研究[D].西南交通大學(xué),2008.

[4]曹運(yùn)江. 含軟巖高邊坡穩(wěn)定性的系統(tǒng)工程地質(zhì)研究[D].成都理工大學(xué),2006.

G322

A

1007-6344（2021）01-0309-02