危巖穩(wěn)定性分析研究現(xiàn)狀及趨勢

陳洪凱，秦 鑫

(重慶交通大學(xué) 巖土工程研究所，重慶 400074)

0 引 言

危巖(unstable rock block)是指位于陡崖或陡坡上被多組巖體結(jié)構(gòu)面切割且穩(wěn)定性較差的巖石塊體及其組合，其形成、失穩(wěn)與運(yùn)動(dòng)屬于斜坡動(dòng)力地貌過程的主要表現(xiàn)形式[1]。危巖崩塌(collapse)是指危巖在外荷載作用下發(fā)生突發(fā)性失穩(wěn)破壞的一類地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象[2]，它是三峽庫區(qū)乃至整個(gè)西部地區(qū)主要地質(zhì)災(zāi)害類型，具有泛生性、突發(fā)性、隱蔽性及致災(zāi)嚴(yán)重性等特征[3]。我國地處于亞洲東部，太平洋西岸，大地構(gòu)造位于歐亞板塊的東南緣，與太平洋板塊、岡底斯—印度板塊相接，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地勢西高東低，地質(zhì)災(zāi)害泛生。據(jù)中華人民共和國國土資源部發(fā)布的2005—2016年間國內(nèi)危巖崩塌地質(zhì)災(zāi)害統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(表1)表明我國危巖崩塌地質(zhì)災(zāi)害情況依然嚴(yán)峻，表2給出了13次重大危巖崩塌案例。諸如此類地質(zhì)災(zāi)害國外同樣存在，如俄羅斯奧塞梯阿爾頓河流域Karivhoh特大型山體崩塌，崩塌體積大約2×109m3，水平?jīng)_出距離7 km，覆蓋面積18 km2，沉積物厚度200～300 m[4]；1996年2月10日，日本北海道島沿線229號(hào)公路發(fā)生危巖崩塌，造成20人死亡[5]；2012年5月15日瑞士阿爾卑斯山Preonzo村附近發(fā)生山體崩塌，體量達(dá)2.1×106m3[6]；2016年2月14日，新西蘭克萊斯特徹奇發(fā)生5.7級(jí)地震影響誘發(fā)危巖坍塌[7]；2016年11月2日，巴西北部一處洞穴突然發(fā)生崩塌致使10人遇難，7人受傷[8]。2016年11月27日，土耳其東南部錫爾特siran地區(qū)強(qiáng)降雨誘發(fā)山體滑坡導(dǎo)致該地區(qū)煤礦坍塌致使11人死亡[9]?？梢娢r崩塌是一種全球泛生型地質(zhì)災(zāi)害，危巖崩塌災(zāi)害防治具有重大意義。危巖崩塌地質(zhì)災(zāi)害防治工作的首先任務(wù)是危巖識(shí)別與危巖穩(wěn)定性分析?；趯?duì)國內(nèi)外文獻(xiàn)的檢索和分析從危巖形成機(jī)制、穩(wěn)定性計(jì)算、危巖穩(wěn)定性定性評(píng)價(jià)、數(shù)值分析等4個(gè)方面對(duì)現(xiàn)有成果進(jìn)行分析梳理，根據(jù)筆者多年從事危巖減災(zāi)科學(xué)研究的理論見解及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出了危穩(wěn)定性分析方法理論研究趨勢及需要解決的相關(guān)科技熱點(diǎn)問題，研究成果對(duì)我國危巖崩塌減災(zāi)事業(yè)具有積極意義。

表1 2005—2016年全國地質(zhì)災(zāi)害及危巖崩塌災(zāi)害統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of 2005—2016 national geological disasters androck falls

表2 危巖崩塌災(zāi)害典型案例[3]Table 2 Typical cases for perilous rocks and collapses [3]

1 危巖穩(wěn)定性分析研究現(xiàn)狀

1.1 危巖形成機(jī)制

明晰危巖形成的力學(xué)機(jī)制是有效防治危巖崩塌災(zāi)害的重要基礎(chǔ)理論問題。陳洪凱等[10-11]分析了石質(zhì)山區(qū)崩塌災(zāi)害形成機(jī)制，指出陡崖底部泥巖內(nèi)腔的形成過程是崩塌災(zāi)害演繹的源動(dòng)力，發(fā)現(xiàn)四面山紅巖山群發(fā)崩塌具有鏈?zhǔn)揭?guī)律，第1個(gè)微觀鏈破壞機(jī)制為基座壓裂破壞，針對(duì)單一危巖塊，提出了考慮危巖蠕變效應(yīng)的危巖斷裂應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算方法，建立了危巖塊崩落判據(jù)。唐紅梅等[12-13]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)危巖破壞瞬間對(duì)相鄰危巖塊存在激振效應(yīng)且豎向激振更為強(qiáng)烈，墜落式危巖破壞其主控結(jié)構(gòu)面端部遵循純拉狀態(tài)→弱剪強(qiáng)拉狀態(tài)→強(qiáng)剪弱拉狀態(tài)→純剪狀態(tài)的演變規(guī)律，從此揭開了危巖激振效應(yīng)研究的序幕，后繼建立了激振效應(yīng)下危巖主控結(jié)構(gòu)面復(fù)合應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算方法。陳維等[14]分析了差異風(fēng)化型危巖破壞機(jī)制，推導(dǎo)了巖腔后壁泥巖壓力隨巖腔深度變化的計(jì)算公式，結(jié)合危巖體崩塌破壞判別式反演出4類危巖體崩塌邊界方程，探析了巖腔深度、危巖體厚度和高度、主控裂隙深度之間的關(guān)系。陳洪凱等[15-16]分析了月球引潮力和晝夜溫差效應(yīng)對(duì)危巖體穩(wěn)定性的影響，探討了裂隙巖體植物根劈作用機(jī)理。鄭安興等[17]對(duì)危巖主控結(jié)構(gòu)面變形破壞數(shù)值模擬指出，巖石抗拉強(qiáng)度減低，危巖穩(wěn)定性降低，主控結(jié)構(gòu)面傾角越小，開裂路徑改變?cè)矫黠@，危巖穩(wěn)定性越高；墜落式和傾倒式危巖破壞機(jī)制皆為拉剪破壞，同等條件下墜落式危巖穩(wěn)定性更差。李佳壕等[18]推導(dǎo)了危巖自重荷載作用下應(yīng)力強(qiáng)度因子解析式，利用ABAQUS對(duì)危巖主控結(jié)構(gòu)面應(yīng)力強(qiáng)度因子分析指出，危巖裂縫角度變化時(shí)，I、II型應(yīng)力強(qiáng)度因子皆變化，且兩者相等時(shí)復(fù)合應(yīng)力強(qiáng)度因子最大；臨空面寬度增加，I型應(yīng)力強(qiáng)度因子迅速增長，成為危巖穩(wěn)定的主控因素。陳洪凱等[19-20]對(duì)危巖結(jié)構(gòu)面損傷模型進(jìn)行了研究，構(gòu)建了主控結(jié)構(gòu)面裂端損傷本構(gòu)方程，推導(dǎo)了暴雨條件下臨界主控結(jié)構(gòu)面疲勞斷裂壽命計(jì)算公式。傅鶴林等[21]基于極限平衡理論分析了巖體損傷和地下水滲流對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響；何蕭等[22]從地貌演化的角度分析了長江三峽巫峽岸坡望霞危巖發(fā)育機(jī)理研究。何曉英等[23]從能量的角度解釋了長江巫峽望霞危巖在崩塌過程中巖塊解體現(xiàn)象。吳永等[24]探析了高寒裂縫冰脹力誘發(fā)巖體崩塌的力學(xué)機(jī)制，得到了高寒危巖裂縫的冰脹力表達(dá)式，明晰了不同危巖體裂縫的斷裂模式、啟裂條件和擴(kuò)展方向與擴(kuò)展量，并認(rèn)為特定冰裂縫失穩(wěn)啟裂的臨界溫升是確定的，裂縫多次擴(kuò)展過程中失穩(wěn)條件在下降，崩塌是裂縫擴(kuò)展間斷積累的結(jié)果。D. AMITRANO[25]基于實(shí)地監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)危巖體斷裂破裂微振進(jìn)行了分析，探討了高寒地區(qū)巖質(zhì)斜坡穩(wěn)定與氣候變化的關(guān)系，并認(rèn)為微振監(jiān)測技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展能起到預(yù)警和災(zāi)害評(píng)估的作用。ZHANG Jixun等[26]運(yùn)用突變理論提出了危巖穩(wěn)定性的判據(jù)，克服了當(dāng)前利用突變理論分析穩(wěn)定性物理意義不清的缺點(diǎn)，實(shí)例表明該判據(jù)可以定量描述危巖體失穩(wěn)過程。?. AYDAN[27]分析了地震影響巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)的基本特征，研究表明海嘯導(dǎo)致巖石邊坡破壞的主要原因是在巖石斜坡上施加了沖擊波以及拉回導(dǎo)致的有效應(yīng)力降低。E. D. A. V. JR等[28]對(duì)巖石邊坡破壞的熱應(yīng)力效應(yīng)進(jìn)行了研究，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)冷季循環(huán)的溫度波動(dòng)產(chǎn)生的溫度應(yīng)力可以使巖石裂隙擴(kuò)展、貫通破壞。S. ALEMDAG等[29]針對(duì)土耳其某一大型高速滑坡災(zāi)害，利用運(yùn)動(dòng)力學(xué)、極限平衡、數(shù)值分析的方法對(duì)平面滑動(dòng)破壞機(jī)制進(jìn)行了研究，認(rèn)為平面滑動(dòng)破壞模式由滑動(dòng)面控制，破壞前的邊坡有臨界條件，開挖和未控制的爆破觸發(fā)和加速邊坡失穩(wěn)。王家臣等[30]提出了邊坡漸進(jìn)性破壞的三維隨機(jī)分析模型，認(rèn)為三維模型較二維模型更能描述邊坡破壞過程，實(shí)用性更強(qiáng)。易志堅(jiān)、楊錫武等[31-32]基于斷裂力學(xué)的線場分析方法得到了平面應(yīng)力裂紋線場的彈塑性精確解，指出邊坡的變形失穩(wěn)源于坡體內(nèi)部的剪切裂紋擴(kuò)展及貫通。K. S. ALFREDSSON等[33]提出了一種計(jì)算臨界裂紋長度的簡化方法。M. FRAYSSINES等[34]分析了灰?guī)r高陡邊坡的破壞機(jī)制，提出對(duì)巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)時(shí)需考慮巖橋的作用。J. P. CARTER等[35]從理論上證明了巖體初始應(yīng)力的瞬態(tài)卸荷會(huì)在圍巖中誘發(fā)振動(dòng)荷載。李克森等[36]認(rèn)為危巖主控結(jié)構(gòu)面的非線性擴(kuò)展是巖體失穩(wěn)破壞的根本原因，并運(yùn)用斷裂力學(xué)和水利學(xué)理論求解了危巖主控結(jié)構(gòu)面應(yīng)力強(qiáng)度因子。左建平等[37]從能量角度對(duì)巖石破壞進(jìn)行了研究，基于巖石變形破壞的不同階段輸入的機(jī)械能W與可釋放應(yīng)變能增量Ue以及耗散能增量Ud之間的關(guān)系及變化規(guī)律提出了脆性巖石的能量跌落系數(shù)。WANG Wei等[38]對(duì)地震導(dǎo)致危巖崩塌的機(jī)理進(jìn)行了研究，基于等截面梁的彎曲理論，結(jié)合最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則描述了地震波引起的裂紋擴(kuò)展過程，發(fā)現(xiàn)各形態(tài)危巖體均存在臨界裂縫深度，每次裂紋擴(kuò)展并非常值,它與初始裂紋長度和危巖尺寸有關(guān)。LIU Zizhen等[39]結(jié)合強(qiáng)度折減理論和流變機(jī)制，揭示了邊坡破壞隨時(shí)間變化的過程，發(fā)現(xiàn)流變參數(shù)對(duì)邊坡長期穩(wěn)定性具有重要影響。

綜上可見，現(xiàn)有研究主要著眼于危巖主控結(jié)構(gòu)面破壞問題，認(rèn)為危巖破壞的本質(zhì)是主控結(jié)構(gòu)面端部裂紋的非線性擴(kuò)展，對(duì)主控結(jié)構(gòu)面裂紋擴(kuò)展模式、影響因素、斷裂應(yīng)力強(qiáng)度因子求解等幾個(gè)方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究。但現(xiàn)有研究尚停留在平面斷裂層次，弱化了危巖形態(tài)對(duì)危巖主控結(jié)構(gòu)面擴(kuò)展的影響。

1.2 危巖穩(wěn)定性計(jì)算方法

危巖穩(wěn)定性計(jì)算是危巖崩塌地質(zhì)災(zāi)害防治的關(guān)鍵，合理準(zhǔn)確的計(jì)算方法對(duì)危巖崩塌地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)預(yù)測具有重大意義。陳洪凱等[40-46]將危巖視為完全剛體，假定主控結(jié)構(gòu)面由連續(xù)貫通段和未貫通段組成，利用長度加權(quán)/貫通率法進(jìn)行計(jì)算參數(shù)的等效，基于極限平衡理論獲得了不同荷載組合條件下三類危巖的穩(wěn)定性計(jì)算方法，根據(jù)爆破應(yīng)力波衰減規(guī)律，基于動(dòng)力時(shí)程分析法結(jié)合極限平衡方法建立了滑塌式危巖動(dòng)力計(jì)算模型，獲得了危巖穩(wěn)定性系數(shù)時(shí)程曲線，認(rèn)為危巖破壞的本質(zhì)是主控結(jié)構(gòu)面的斷裂破壞，將危巖主控結(jié)構(gòu)面類比于宏觀裂紋通過斷裂力學(xué)理論建立了危巖穩(wěn)定性計(jì)算的方法。鄧躍等[47]基于斷裂時(shí)程分析構(gòu)建了危巖動(dòng)力荷載穩(wěn)定性計(jì)算方法。陳濤[48]用突變理論科學(xué)解釋了某些滑塌式危巖根據(jù)極限平衡法計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)小于1但不破壞的現(xiàn)象。戴自航等[49]認(rèn)為邊坡的失穩(wěn)機(jī)理采用張拉-剪切復(fù)合屈服準(zhǔn)則來分析巖土體內(nèi)部的應(yīng)力和應(yīng)變更為合理。V. N. CHEKHOV[50]考慮層狀巖體巖石的塑性特征，利用三維非線性理論對(duì)其陳述，提出了一種研究規(guī)則層狀半無限介質(zhì)表面不穩(wěn)定性的精確方法。V. MERRIEN-SOUKATCHOFF等[51]提出了一種裂隙巖體隨機(jī)穩(wěn)定性分析的積分離散斷裂網(wǎng)絡(luò)法。劉衛(wèi)華等[52]針對(duì)靜力平衡定量分析方法存在的問題，在充分考慮危巖特征、靜水壓力和地震力的基礎(chǔ)上，對(duì)不同類型，不同主控結(jié)構(gòu)面組合危巖穩(wěn)定性進(jìn)行研究，得出7類危巖的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算方法。王林峰等[53-55]認(rèn)為在主控結(jié)構(gòu)面中不同位置其斷裂韌度不同，在考慮時(shí)間效應(yīng)的條件下基于斷裂力學(xué)理論建立了危巖體時(shí)效穩(wěn)定性計(jì)算方法，從能量角度對(duì)在地震作用下的水平厚層墜落式危巖的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，得到了危巖主控結(jié)構(gòu)面臨界長度及擴(kuò)展判據(jù)，建立了考慮軟巖支撐作用的危巖穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算方法。李佳壕等[56]基于室內(nèi)單軸蠕變?cè)囼?yàn)對(duì)危巖體在自重荷載作用下的蠕變特性進(jìn)行了研究，推導(dǎo)了危巖的長期穩(wěn)定系數(shù)公式。劉建東等[57]通過采用赤平投影圖解法及極限平衡法計(jì)算裂隙巖體邊坡穩(wěn)定性。李會(huì)中等[58]通過Adam三維成像技術(shù)結(jié)合三維空間塊體穩(wěn)定性分析方法建立了成套高陡巖質(zhì)邊坡塊體穩(wěn)定性分析方法。董捷等[59]針對(duì)傾倒式危巖提出一種基于平面坐標(biāo)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析模型，并進(jìn)行了基于該模型計(jì)算方法的軟件開發(fā)。黃江等[60]在考慮了結(jié)構(gòu)面的填充空隙率和結(jié)構(gòu)面的連續(xù)率的條件下，考慮滲透力的作用對(duì)危巖穩(wěn)定性的影響。通過三維激光掃描技術(shù)結(jié)合室內(nèi)成熟的后處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)危巖體穩(wěn)定性的定量分析。唐紅梅等[61]采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)危巖穩(wěn)定性計(jì)算力學(xué)參數(shù)進(jìn)行綜合選取得到危巖耦合參數(shù)的弱化系數(shù)。DU Yan等[62]運(yùn)用振動(dòng)力學(xué)原理建立了危巖固有振動(dòng)頻率與粘聚力之間的理論關(guān)系，通過實(shí)驗(yàn)證明固有振動(dòng)頻率是巖體損傷識(shí)別的良好指標(biāo)，認(rèn)為探明危巖固有振動(dòng)頻率與內(nèi)聚力之間的內(nèi)在聯(lián)系，有助于穩(wěn)定分析中參數(shù)的選擇和調(diào)整。劉圓圓等[63]利用改進(jìn)的Newmark方法探討了地震作用下高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性。丁王飛等[64]針對(duì)危巖體主控結(jié)構(gòu)面模型中“規(guī)范法”和“貫通率法”在等效抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值上的不足，建立了包含主控結(jié)構(gòu)面貫通段和鎖固段的危巖主控結(jié)構(gòu)面計(jì)算模型，推導(dǎo)了危巖穩(wěn)定性計(jì)算公式。崔宏環(huán)等[65]結(jié)合平面坐標(biāo)系統(tǒng)對(duì)危巖體的最不利拉裂面進(jìn)行研究，以巖體極限抗拉強(qiáng)度作為評(píng)判危巖體穩(wěn)定性的主要依據(jù)，建立了一種適用于分析含縱向裂隙的懸挑式危巖穩(wěn)定性分析模型。WANG Wei等[38]基于等截面梁的彎曲理論，結(jié)合最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則提出了懸臂式和立柱式危巖的穩(wěn)定性計(jì)算方法。

綜上，目前針對(duì)危巖穩(wěn)定性分析的理論有極限平衡理論、結(jié)構(gòu)理論、斷裂擴(kuò)展論、能量論、動(dòng)力時(shí)程分析、波動(dòng)理論、突變理論、幾何學(xué)等?？偟膩碚f危巖穩(wěn)定性計(jì)算的發(fā)展經(jīng)歷了材料力學(xué)法→斷裂力學(xué)分析法的過程，具體涉及力學(xué)解析法、圖解法、數(shù)值分析法，此外部分學(xué)者對(duì)危巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了研究。目前危巖穩(wěn)定性的計(jì)算是在假定危巖主控結(jié)構(gòu)面由貫通段和非貫通段組成的條件下，著眼于主控結(jié)構(gòu)面裂紋二維擴(kuò)展問題，未涉及主控結(jié)構(gòu)面貫通區(qū)域和非貫通區(qū)域情況下危巖主控結(jié)構(gòu)面裂紋三維擴(kuò)展問題。

1.3 危巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法

合理評(píng)估相關(guān)區(qū)域危巖的穩(wěn)定性情況是進(jìn)行危巖崩塌災(zāi)害布防的重要環(huán)節(jié)之一。張雷[66]采用蒙特卡羅方法對(duì)格狀與層狀巖體邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行概率分析；P. BUDETTA等[67]利用風(fēng)險(xiǎn)管理方法對(duì)意大利波西塔諾公路沿線危巖崩塌災(zāi)害進(jìn)行了評(píng)估，該方法考慮了危巖防護(hù)設(shè)備的影響；T. OPPIKOFER等[68]基于震級(jí)頻度關(guān)系對(duì)斯圖爾峽灣危巖邊坡進(jìn)行定量危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，此評(píng)價(jià)等級(jí)建立于一系列地貌、結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)和活動(dòng)跡象的基礎(chǔ)上。謝全敏等[69]基于灰色系統(tǒng)理論提出了危巖塊體穩(wěn)定性分析的灰色聚類評(píng)價(jià)方法，融合可靠性理論與時(shí)序分析方法建立了危巖塊體的穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)方法。徐衛(wèi)亞等[70]探討了節(jié)理巖體邊坡幾何物理參數(shù)為模糊數(shù)情況下邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的分析方法；張梅花等[71]根據(jù)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立灰預(yù)測GM(1,1)模型，用以評(píng)價(jià)預(yù)測高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性；陳帆等[72]認(rèn)為采用赤平極射投影法和圓弧圖表法可初步評(píng)價(jià)巖質(zhì)高陡邊坡穩(wěn)定性；董好剛等[73]選取地形地貌、地層巖性、巖體結(jié)構(gòu)、危巖體規(guī)模、水文地質(zhì)、風(fēng)化作用、土地利用類型7個(gè)因子作為評(píng)價(jià)指標(biāo),建立危巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指數(shù)模型；歐武濤等[74]采用基于層次分析的綜合指數(shù)法，對(duì)危巖單體逐一進(jìn)行穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)；胡顯明等[75]通過分析巖體裂隙系統(tǒng)發(fā)育狀況，建立了赤平投影法評(píng)價(jià)危巖體穩(wěn)定性的判斷標(biāo)準(zhǔn)。秦植海等[76]建立了包含理論分析、文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)、工程類比和專家咨詢等幾個(gè)因子的高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，融合模糊層次法與集對(duì)分析方法提出了邊坡穩(wěn)定性耦合評(píng)價(jià)模型(FAHP-SPA模型)。袁永才等[77]通過屬性數(shù)學(xué)理論建立了邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的熵權(quán)屬性識(shí)別模型，陳鵬宇等[78]結(jié)合顆粒流數(shù)值模擬方法和斷裂力學(xué)理論,建立了顆粒流斷裂力學(xué)危巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法。B. ZHAO等[79]基于元素可拓理論建立了高邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型，將可拓學(xué)中的物元可拓變換應(yīng)用于巖體邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的多屬性問題中，解決了不相容性問題。SU Huaizhi等[80]針對(duì)高邊坡穩(wěn)定性存在的諸多不確定性，提出了基于模糊優(yōu)選理論和CBR的高邊坡穩(wěn)定性初步評(píng)價(jià)方法。A.GHOSH等[81]將Newmark’s 概念與傳統(tǒng)的極限平衡分析相結(jié)合，提出了通過臨界加速度判定地震作用下危巖的穩(wěn)定性的方法。

1.4 數(shù)值分析的應(yīng)用

數(shù)值模擬的本質(zhì)是讓計(jì)算機(jī)來做實(shí)驗(yàn)，形象地再現(xiàn)流動(dòng)情景，與做實(shí)驗(yàn)沒有什么區(qū)別。將數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用于危巖穩(wěn)定性的分析，是危巖崩塌領(lǐng)域的薄弱環(huán)節(jié)。吳兆營等[82]提出一種適合于巖體邊坡動(dòng)安全系數(shù)非線性分析的方法；倪俊[83]將極限平衡法和有限元數(shù)值法相結(jié)合用于高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析；谷拴成等[84]利用ANSYS在考慮裂隙、孔隙水等因素對(duì)巖體整體穩(wěn)定性影響的條件下對(duì)危巖進(jìn)行了穩(wěn)定性分析；唐紅梅等[85]通過重慶市萬州區(qū)太白巖南坡W25號(hào)危巖主控結(jié)構(gòu)面斷裂韌度富余系數(shù)的數(shù)值模擬表明斷裂韌度富余系數(shù)和危巖穩(wěn)定性系數(shù)具有良好的一致性；張曉科等[86]針對(duì)某一具體工程實(shí)例利用剛體極限平衡和快速拉格朗日(FLAC3D)方法對(duì)危巖體在4種不同工況條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)和預(yù)測；莊曉瑩等[87]基于無網(wǎng)格伽遼金法，發(fā)展了無網(wǎng)格—圖論方法的巖體邊坡穩(wěn)定性分析方法；白永健等[88]采用3DEC離散元軟件對(duì)高陡巖質(zhì)邊坡三維穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，認(rèn)為邊坡淺層塊體及控制性塊體穩(wěn)定性差，是導(dǎo)致邊坡整體失穩(wěn)的可能因素；張利國等[89]利用ANSYS對(duì)橋基荷載作用下高陡巖質(zhì)邊坡的力學(xué)特性和三維穩(wěn)定性進(jìn)行了分析；蔡永昌等[90]用無網(wǎng)格MSLS方法分析了裂紋及其擴(kuò)展對(duì)邊坡穩(wěn)定性和安全系數(shù)的影響；張強(qiáng)等[91]通過有限單元法分析了滲流場和應(yīng)力場的兩者耦合對(duì)巖體邊坡穩(wěn)定性的影響；徐飛飛[92]采用赤平投影圖解法，實(shí)體比例投影空間矢量解析法及塊體離散單元法對(duì)大渡河黃金坪水電站后山高陡巖質(zhì)邊坡進(jìn)了穩(wěn)定性研究；劉遠(yuǎn)亮等[93]利用Midas GTS三維建模技術(shù)對(duì)高陡復(fù)雜巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究；韓佳泳[94]根據(jù)結(jié)構(gòu)面的結(jié)構(gòu)程度選取巖體分析單元的方法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析；鄭安興等[17]將主控結(jié)構(gòu)面視為宏觀裂紋，利用擴(kuò)展有限元對(duì)其斷裂擴(kuò)展進(jìn)行研究并探討了巖石的抗拉強(qiáng)度、主控結(jié)構(gòu)面的幾何位置與傾角對(duì)危巖的變形破壞模式與穩(wěn)定性的影響；楊天鴻等[95]基于等效連續(xù)介質(zhì)模型，建立各向異性巖體滲流應(yīng)力耦合模型，并以COMSOL有限元軟件分析邊坡巖體穩(wěn)定性；陳鵬宇等[96]基于顆粒流理論對(duì)某礦山巖質(zhì)高邊坡危巖體的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。李佳壕等[18]采用ABAQUS有限元軟件計(jì)算了危巖裂端應(yīng)力強(qiáng)度因子，并分析了危巖裂縫角度以及臨空面寬度變化對(duì)危巖應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響。HE Xiaohei等[97]基于極限平衡法和flac數(shù)值模擬計(jì)算分析了地震影響下邊坡安全系數(shù)和相關(guān)參數(shù)的關(guān)系。鄭穎人等[98]基于有限元強(qiáng)度折減法對(duì)土坡與巖坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，得到了不同工況下的破壞模式和安全系數(shù)。郭朝旭等[99]基于鏈子崖危巖歷年變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用MATLAB軟件對(duì)其進(jìn)行了二維、三維的數(shù)值仿真分析。常曉林等[100]在變形體離散元法的基礎(chǔ)上引入基于彈塑性斷裂力學(xué)的黏聚力模型，模擬了巖體裂紋起裂、擴(kuò)展和失效的全過程。LIU Yaoru等[101]采用隱式步進(jìn)積分有限元方法，提出了基于三維多重網(wǎng)格法的滑塊穩(wěn)定分析的動(dòng)態(tài)極限平衡解。

2 危巖穩(wěn)定性分析研究趨勢

綜上可見，目前危巖穩(wěn)定性分析著眼于主控結(jié)構(gòu)面破壞問題，在危巖形成機(jī)制、穩(wěn)定性定量計(jì)算、定性評(píng)價(jià)、數(shù)值分析等幾個(gè)方面進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，但以上研究以主控結(jié)構(gòu)面二維斷裂問題為出發(fā)點(diǎn)，未考慮危巖空間形態(tài)的影響，缺乏對(duì)主控結(jié)構(gòu)面四周貫通中部區(qū)域?yàn)樨炌ㄇ樾蜗碌娜S斷裂穩(wěn)定的研究。危巖巖體自身是一個(gè)三維實(shí)體，絕大部分不滿足平面問題條件，目前急需從平面問題轉(zhuǎn)向三維問題以期獲得更為精確的解答。為有效防治危巖崩塌災(zāi)害，合理進(jìn)行國土規(guī)劃，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)危巖形成機(jī)制、危巖穩(wěn)定性預(yù)測等科學(xué)問題的研究，研發(fā)危巖崩塌地質(zhì)災(zāi)害穩(wěn)定性監(jiān)測預(yù)警技術(shù)。

2.1 危巖體破壞的三維斷裂表達(dá)

針對(duì)危巖形成機(jī)制的研究，學(xué)者們利用理論推導(dǎo)、試驗(yàn)研究、數(shù)值分析等手段得到了豐富的科研成果。通過分析梳理發(fā)現(xiàn)，以上科研成果大多著眼平面斷裂問題的解答，處于靜力學(xué)和宏觀力學(xué)范疇，對(duì)危巖體主控結(jié)構(gòu)面端部裂紋三維微觀特性解讀不夠。如王家臣等[30]建立了邊坡漸進(jìn)性破壞的三維隨機(jī)分析模型，比較發(fā)現(xiàn)三維模型更能描述邊坡破壞過程，實(shí)用性更強(qiáng)，因此在危巖形成機(jī)制的進(jìn)一步研究中應(yīng)立足三維空間，考慮巖體形態(tài)特征，采用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)全面把握主控結(jié)構(gòu)面裂紋分布情況，以斷裂力學(xué)為主，多學(xué)科融合，科學(xué)揭示危巖形成機(jī)制。

2.2 危巖體穩(wěn)定性預(yù)測

危巖體的穩(wěn)定性是一個(gè)非線性發(fā)展的過程，危巖體失穩(wěn)往往具有群發(fā)性、概率性，建立合適的危巖穩(wěn)定性預(yù)測模型對(duì)穩(wěn)定時(shí)長、穩(wěn)定區(qū)域等進(jìn)行預(yù)測，是進(jìn)行危巖崩塌災(zāi)害防治工作的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。T. YOSHIMURA等[102]基于γ射線和磁化率測量，提出了一種預(yù)測斷層邊坡崩塌位置的方法。SU Huaizhi等[80]針對(duì)高邊坡穩(wěn)定性存在的諸多不確定性，提出基于模糊優(yōu)選理論和CBR的高邊坡穩(wěn)定性初步評(píng)價(jià)方法；張梅花等[71]根據(jù)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立灰預(yù)測GM(1,1)模型，用以評(píng)價(jià)預(yù)測高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性。在實(shí)際工程中我們發(fā)現(xiàn)這樣一種怪象，計(jì)算認(rèn)為是穩(wěn)定的危巖體發(fā)生了失穩(wěn)，計(jì)算不穩(wěn)定的危巖體反而屹立不倒，換言之，通過理論計(jì)算的結(jié)果來判斷危巖體穩(wěn)定性在很多情況下是不精確的。危巖穩(wěn)定性的預(yù)測判定不應(yīng)該僅由一種方法蓋棺定論，而應(yīng)在較高勘察水平的基礎(chǔ)上融合理論解、數(shù)值解、圖解等方法，結(jié)合可靠性分析對(duì)危巖體的穩(wěn)定性做出一個(gè)綜合性評(píng)價(jià)。

2.3 危巖體穩(wěn)定性監(jiān)測預(yù)警技術(shù)

危巖崩塌監(jiān)測預(yù)警技術(shù)是危巖崩塌地質(zhì)災(zāi)害防治的薄弱環(huán)節(jié),尤其是大型及特大型危巖崩塌具有突發(fā)性、毀滅性，針對(duì)該類地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)是減小損失的唯一途徑。陳洪凱等[103-105]基于危巖破壞過程中主控結(jié)構(gòu)面端部應(yīng)力變化的敏感性，研發(fā)了采集危巖主控結(jié)構(gòu)面端部應(yīng)力的傳感設(shè)備，后繼根據(jù)應(yīng)力采集數(shù)據(jù)研發(fā)了崩塌災(zāi)害應(yīng)急安全警報(bào)儀，該技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室條件下得以實(shí)現(xiàn)，但其現(xiàn)場實(shí)用性仍待檢驗(yàn)。D. AMITRANO等[25]基于實(shí)地監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)危巖體斷裂破裂微振進(jìn)行了分析，認(rèn)為微振監(jiān)測技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展能起到預(yù)警和災(zāi)害評(píng)估的作用。SHENG Li等[106]基于光纖光柵傳感特性研發(fā)了一種危巖崩塌智能報(bào)警被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)。A. GHOSH等[81]將Newmark’s 概念與傳統(tǒng)的極限平衡分析相結(jié)合，提出了通過臨界加速度判定地震作用下危巖的穩(wěn)定性的方法。危巖體破壞屬于脆性破壞，通過變形監(jiān)測不能有效預(yù)表征危巖體的穩(wěn)定性，危巖體破壞是主控結(jié)構(gòu)面裂紋端部擴(kuò)展貫通的結(jié)果，貫通過程中會(huì)釋放能量產(chǎn)生振動(dòng)波，端部應(yīng)力變化顯著，故可從微振技術(shù)、加速度監(jiān)測、應(yīng)力采集等幾個(gè)方面對(duì)危巖體穩(wěn)定性監(jiān)測預(yù)警技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步研究并研制報(bào)警設(shè)備。

3 結(jié) 語

通過對(duì)危巖穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀及趨勢進(jìn)行整理和分析可以得到以下幾個(gè)結(jié)論：

1)針對(duì)危巖形成機(jī)制，國內(nèi)外學(xué)者著眼于危巖體主控結(jié)構(gòu)面，對(duì)危巖體的形成機(jī)制及影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)研究，認(rèn)為危巖體的形成與主控結(jié)構(gòu)面尖端裂紋擴(kuò)展息息相關(guān)。

2)將危巖體主控結(jié)構(gòu)面端部裂紋擴(kuò)展貫通問題簡化為宏觀裂紋平面擴(kuò)展問題，從理論推導(dǎo)、定性描述、數(shù)值分析、試驗(yàn)研究等幾個(gè)方面對(duì)危巖體的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究獲得了豐富的科研成果。

3)根據(jù)分析梳理結(jié)果及筆者多年從事危巖減災(zāi)科學(xué)研究的理論見解及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)指出危巖穩(wěn)定性分析進(jìn)一步研究中應(yīng)高度重視的3個(gè)研究方向：危巖體破壞的三維斷裂表達(dá)、危巖體穩(wěn)定性預(yù)測、危巖體穩(wěn)定性監(jiān)測預(yù)警技術(shù)。