邊坡穩(wěn)定性分析

■袁尚武 ■河南省地礦局第三地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，河南 信陽 464000

邊坡穩(wěn)定性是指邊坡的巖體或土體在一定坡高和坡角條件下的穩(wěn)定程度，通常以滑動面上的抗滑力(FS)與滑動力(Fr)的比值，即抗滑穩(wěn)定性系數(shù)(η)來表示，比值越大，邊坡穩(wěn)定性越好，反之，邊坡穩(wěn)定性越差。按照地層巖性分類，邊坡可以分為土質(zhì)邊坡和、巖質(zhì)邊坡和土、巖復合邊坡。

穩(wěn)定性差的邊坡常常發(fā)生滑動或崩塌破壞，大規(guī)模的邊坡巖體、土體破壞能引起交通中斷，建筑物倒塌，江河堵塞，水庫淤填等危害，對人們的正常生活與生命財產(chǎn)安全帶來嚴重威脅。邊坡穩(wěn)定性問題涉及到礦山工程、道橋工程、水利工程、建筑工程等諸多工程領(lǐng)域，對邊坡問題進行研究的目的在于，通過對邊坡穩(wěn)定性的分析和評價，預測邊坡失穩(wěn)的時間、規(guī)模和危害程度，以期能夠設計出適合于實際工程的合理的邊坡結(jié)構(gòu)，能夠做到提前對具有破壞危險的邊坡進行人工處理，避免滑坡或崩塌等現(xiàn)象的發(fā)生，造成不必要的災害和損失，并使邊坡工程設計達到安全、經(jīng)濟地目的。

1 邊坡穩(wěn)定的影響因素

對邊坡工程穩(wěn)定性有影響的因素，大致可以按照內(nèi)在因素與外在因素進行分類。內(nèi)在因素包括巖土體結(jié)構(gòu)與巖性、水流、地質(zhì)構(gòu)造等;外在因素包括氣候條件、風化作用、人類活動等。

1.1 內(nèi)在因素

(1)巖體結(jié)構(gòu)。巖土體結(jié)構(gòu)通常體現(xiàn)在兩個方面，即結(jié)構(gòu)面與結(jié)構(gòu)體。結(jié)構(gòu)面是指巖石物質(zhì)分異面及不連續(xù)面，具有一定方向、規(guī)模、形態(tài)和特性;結(jié)構(gòu)體是指由不同形狀的各類結(jié)構(gòu)面組合而成的，將巖體切割成的單元塊體。對巖體結(jié)構(gòu)進行研究，也就是對結(jié)構(gòu)面的特性及其之間的排列組合的研究。對于邊坡穩(wěn)定性來說，結(jié)構(gòu)面是特別重要的影響因素。

(2)巖性。邊坡的巖性是指，組成邊坡的巖石的物理、化學、水理和力學性質(zhì)，如巖土硬度、透水性等，這些固有性質(zhì)或其變化，都在一定程度上對邊坡的穩(wěn)定性有影響。

(3)水流。影響邊坡穩(wěn)定性的水流是指地表水流和地下水流。地表水主要以沖刷侵蝕的形式影響著邊坡的土質(zhì)，對于存在溝槽和低凹地的不平整坡面，受沖刷侵蝕不均勻，容易在坡面上形成沖溝或溝坎，以致發(fā)生垮塌、分解、堵塞，逐漸失穩(wěn)。地表水沖刷還會加重巖土的風化作用。存在于巖體裂隙中的地下水，會對巖體產(chǎn)生一定的靜水壓力，呈現(xiàn)為一種滑推或向上的浮托力，滲流的地下水，還會對整坡體施加向下的滲透力，降低邊坡穩(wěn)定性。

1.2 外在因素

(1)風化作用。風化也是一種侵蝕作用，雖然巖質(zhì)邊坡的強度較高，但在與大氣、水及生物的長期接觸中，其表面也會由于物理、化學變化而變得松散，抗剪強度減弱，嚴重時會使巖土體脫落或沿斜坡崩塌、滑移等。

(2)人類活動。因為采礦、修路、挖掘隧道等進行的地下開挖通常會引起地表移動、邊坡失穩(wěn);坡頂加載會增加坡體下滑力與坡體應力，使巖土體遭到破壞，強度降低;爆破產(chǎn)生的震動效應與地震類似，會使孔隙中水壓力增加，巖土體強度下降等。

2 邊坡穩(wěn)定性分析方法

對邊坡穩(wěn)定性的分析方法大致可以分為兩類，即定性分析法和定量分析法，而定量分析法又可以分為確定性分析與不確定性分析。

2.1 定性分析

定性分析法是通過對邊坡的尺寸和坡形、所處環(huán)境進行研究，勘察工程地質(zhì)，分析影響因素、失穩(wěn)機制與可能的破壞方式，來定性獲得邊坡的穩(wěn)定性狀況及其可能的發(fā)展趨勢。工程實踐中通常采用這種方法，主要有自然歷史分析法、圖解法和基于工程數(shù)據(jù)庫的方法，對后兩種方法加以介紹。

2.1.1 圖解法

(1)諾模圖法。影響邊坡穩(wěn)定性的系數(shù)之間的關(guān)系用諾模圖來表示，以此求出的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)作為評價邊坡穩(wěn)定性的參考依據(jù)，目前主要應用于土質(zhì)或強風化的邊坡穩(wěn)定性研究。

(2)赤平極射投影法?；诔嗥綐O射投影的原理，用作圖的方式反映邊坡失穩(wěn)的邊界條件，得出可能產(chǎn)生的滑移面與坡面空間關(guān)系及穩(wěn)定性，進而評價邊坡穩(wěn)定性，一般應用于巖質(zhì)邊坡。

2.1.2 工程數(shù)據(jù)庫

比較常用的是工程類比法，做法是參照已經(jīng)研究過的或已有經(jīng)驗的邊坡的穩(wěn)定性狀況及影響因素，將所研究的邊坡或擬設計的人工邊坡與之進行類比，結(jié)合有關(guān)經(jīng)驗，根據(jù)類比的相似性與差異性來評價邊坡的穩(wěn)定。該方法比較適用于中小型工程中，若是復雜的大型工程，要結(jié)合其它方法進行評價。

2.2 定量分析

定量分析法的核心是基于力學分析、數(shù)學模型和計算方法的選取，求解出穩(wěn)定安全系數(shù)與結(jié)構(gòu)體內(nèi)的應力應變關(guān)系，從而分析出邊坡穩(wěn)定性?？梢苑譃榇_定性分析與不確定性分析。

2.2.1 確定性分析

(1)極限平衡分析法。極限平衡分析法是最經(jīng)典的確定性分析方法，把可能滑動的巖、土體看作是剛體，不考慮巖、土體的應力應變關(guān)系，通過分析可能滑動面，并把滑動面上的應力簡化為均勻分布，根據(jù)平衡條件建立整個邊坡平衡方程，進而計算出邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。

這種方法模型簡單，計算簡便，可對邊坡穩(wěn)定性剛進行定量評價，對于均勻土質(zhì)邊坡計算效果比較好，因此得到廣泛應用。但是由于在建模時過于簡化，該方法不能考慮坡體中的應力應變狀態(tài)，只能給出可能的危險滑動范圍，會不可避免地產(chǎn)生計算結(jié)果與實際結(jié)果不吻合的現(xiàn)象。

(2)數(shù)值分析法。數(shù)值分析法可以根據(jù)巖體的破壞準則，分析邊坡的漸進破壞過程與其實破壞位置，可得到邊坡的應力場、應變場和位移場等，具有諸多優(yōu)點。隨著其發(fā)展，產(chǎn)生出了多種數(shù)值分析方法，包括有限元法、邊界元法、離散元法與混合法等，其中，有限元法已經(jīng)成為使用最廣泛的數(shù)值分析法。

有限元法是首先將連續(xù)系統(tǒng)分為有限個分區(qū)或單元，對每個分區(qū)或單元進行分析，提出相應的近似解，再將所有單元按照一定方法進行組合，就能得到一個與原有系統(tǒng)近似的系統(tǒng)。再基于等價于微分方程的積分原理，組建節(jié)點平衡方程組，并利用虛功與最小勢能的原理進行求解。這樣可以做到在考慮邊坡中應力應變的基礎(chǔ)上，避免了極限平衡法中的過于簡化，能較為準確地計算出邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)。

2.2.2 不確定性分析法

(1)灰色系統(tǒng)評價法?；疑到y(tǒng)評價法是把邊坡中的一切信息量看作灰色量，采用特有的方法建立描述灰色量的數(shù)學模型，基于灰色關(guān)聯(lián)度分析原理，根據(jù)影響邊坡穩(wěn)定性的不確定性因素之間發(fā)展狀態(tài)的相似或相異度，確定邊坡穩(wěn)定性各影響因素的影響程度，進而利用多因素疊加分析評估邊坡的穩(wěn)定性。該方法多用于對滑坡發(fā)生時間的預測方面。但由于其內(nèi)在的力學理論不明確，缺乏精確的定量分析，所以應于其他方法結(jié)合使用。

(2)模糊綜合評價法。模糊評價法是基于最大隸屬度原則，構(gòu)造隸屬函數(shù)，分析同級或不同級因素對邊坡穩(wěn)定性的影響，應用模糊模式識別和模糊聚類分析方法，對影響邊坡穩(wěn)定的因素進行分析，最后對邊坡穩(wěn)定性進行總的評價。

(3)可靠度分析法。在邊坡穩(wěn)定研究中，可靠度分析法是應用最廣泛的不確定性法。方法是基于對邊坡巖體性質(zhì)、荷載、工程地質(zhì)條件、計算模型等不確定量，結(jié)合邊坡工程的具體情況，依據(jù)工程可靠性分析方法求解邊坡巖體的破壞概率即可靠度，來描述邊坡工程系統(tǒng)的質(zhì)量。

3 發(fā)展前景

對于邊坡穩(wěn)定性的研究分析方法，一直處于不斷發(fā)展完善中。例如，針對傳統(tǒng)極限平衡分析法的缺點，研究學者通過引入?yún)?shù)、三維分析等方法，使其在計算模型、滑動面確定、邊坡類型等方面都得到了完善;通過將數(shù)值分析方法與計算機技術(shù)進一步結(jié)合，將有限元分析法從平面有限元擴展到了三維有限元，并引入了更多的新型數(shù)值計算方法。也就是說，邊坡穩(wěn)定性研究的發(fā)展抓喲表現(xiàn)在傳統(tǒng)方法的完善和新方法的興起兩個方面。此外，邊坡高等本構(gòu)模型的應用，交叉學科的使用，與現(xiàn)場檢測手段的結(jié)合以及新的理論的應用，都將使邊坡穩(wěn)定性的研究發(fā)展更加明朗。

［1］孫玉科，李建國.巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的工程地質(zhì)研究［J］.地質(zhì)科學，1965(4):330—352.

［2］常曉林，陸述遠.重力壩巖基失穩(wěn)準則及穩(wěn)定審查方法研究閉.武漢水利電力學院學報1991，24