李康彥

【摘 要】我國(guó)西南地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，與此同時(shí)，正在興建和規(guī)劃當(dāng)中的大多數(shù)水利工程也正是在該地區(qū)，因此，水庫堆積體邊坡的滑動(dòng)范圍和穩(wěn)定性成為移民選址、水庫安全和水利工程經(jīng)濟(jì)效益考慮的焦點(diǎn)之一。本文立足于西南水庫岸堆積體邊坡，從堆積體的成因類型、物質(zhì)組成、特征和失穩(wěn)形式入手，研究目前邊坡穩(wěn)定性的理論分析方法。

【關(guān)鍵詞】堆積體；邊坡；穩(wěn)定性分析；研究現(xiàn)狀

0.引言

我國(guó)是一個(gè)地質(zhì)災(zāi)害十分頻繁的國(guó)家，尤其是我國(guó)西南地區(qū)，不僅地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量多，而且災(zāi)種全。其中崩塌、滑坡、泥石流等淺層表生地質(zhì)災(zāi)害異常突出，分布有大量的由滑坡堆積、崩塌堆積、殘積層、冰潰堆積、坡積物等組成的松散堆積體斜坡[1]。與此同時(shí)，西南地區(qū)一系列大型乃至巨型正在建設(shè)或規(guī)劃中的水電站相繼開工建設(shè)，在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境和大規(guī)模工程活動(dòng)、水庫蓄水及暴雨等復(fù)雜條件下，可能會(huì)有大量的水庫庫岸堆積體邊坡發(fā)生變形甚至失穩(wěn)破壞。

水庫庫岸堆積體邊坡失穩(wěn)的代價(jià)是巨大的。斜坡或邊坡作為一種人類不可回避的地學(xué)環(huán)境與工程形式，總是伴隨著人類的工程活動(dòng)，人類為了安全始終關(guān)注著邊坡的穩(wěn)定性。一百多年來，人們對(duì)邊坡變形過程、失穩(wěn)形式、失穩(wěn)機(jī)制、穩(wěn)定評(píng)價(jià)及滑坡預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)等進(jìn)行了廣泛的研究，借助數(shù)學(xué)、力學(xué)和計(jì)算科學(xué)理論與方法，試圖對(duì)邊坡的穩(wěn)定、演化及滑坡的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)進(jìn)行研究，并應(yīng)用到工程實(shí)踐中。

1.土坡穩(wěn)定性分析理論研究現(xiàn)狀

1.1邊坡穩(wěn)定性分析現(xiàn)狀

邊坡失穩(wěn)作為普遍存在的工程問題受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視。對(duì)此課題的研究，國(guó)內(nèi)外都經(jīng)歷了從實(shí)踐積累到理論歸納，再實(shí)踐，再歸納，并逐步總結(jié)提高的過程。十九世紀(jì)末二十世紀(jì)初，隨著發(fā)達(dá)國(guó)家的大規(guī)模土木工程建設(shè)，大量邊坡工程問題、特別是滑坡問題隨之產(chǎn)生，并造成了很大損失，人們開始應(yīng)用材料力學(xué)和近代土力學(xué)的理論對(duì)邊坡問題進(jìn)行半經(jīng)驗(yàn)、半理論的研究。上世紀(jì)五十年代，我國(guó)學(xué)者引進(jìn)了前蘇聯(lián)的工程地質(zhì)分析的體系，繼承和發(fā)展了地質(zhì)歷史分析法，著重研究邊坡的工程地質(zhì)背景和邊坡類型的劃分，以此進(jìn)行邊坡的工程地質(zhì)類比分析，在滑坡的分析和研究中取得了一定的成果。

1.2邊坡穩(wěn)定研究方法現(xiàn)狀

研究邊坡穩(wěn)定的方法主要有：“地質(zhì)歷史分析”方法、極限平衡法、概率分析法、極限分析法、數(shù)值計(jì)算分析方法、物理模擬法、非線性方法等?，F(xiàn)將主要邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法列述如下：

（1）“地質(zhì)歷史分析”方法：五十年代，我國(guó)許多工程地質(zhì)工作者在滑坡研究中采用了蘇聯(lián)的“地質(zhì)歷史分析”方法[4]，但該方法偏重于定性描述和分析。

（2）極限平衡法：極限平衡法是一種定量方法，也是工程中使用最多、最成熟的方法，其理論基礎(chǔ)為極限平衡理論。它通過分析在臨界破壞狀態(tài)下，土體外力與內(nèi)部強(qiáng)度所提供的抗力之間的平衡計(jì)算土體在自身和外荷作用下的穩(wěn)定程度。同時(shí)，根據(jù)假設(shè)不同而形成不同方法，具有不同的適用范圍。

（3）極限分析法：巖土工程極限分析是典型的塑性極限分析問題。塑性極限分析對(duì)象包括塑性區(qū)Gussmnna.P提出了運(yùn)動(dòng)單元法，以莫爾一庫侖巖土介質(zhì)為研究對(duì)象，采用離散技術(shù)與現(xiàn)代數(shù)值手段，通過運(yùn)動(dòng)分析、靜力分析和求多變量目標(biāo)函數(shù)值的優(yōu)化分析，有效地分析了地基極限承載、擋土墻極限土壓力及斜坡穩(wěn)定性問題。

（4）數(shù)值計(jì)算分析方法：數(shù)值計(jì)算方法上，隨著計(jì)算機(jī)的普及和發(fā)展，出現(xiàn)了一批以彈性力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)為基礎(chǔ)的數(shù)值計(jì)算方法：FDM（有限差分法）、FEM（有限單元法）、DEM（離散單元法）、DDA（不連續(xù)變形分析）、FLAC（快速拉格朗日插值）、NNM（流形元方法）等。

（5）非確定性分析方法：該方法的評(píng)價(jià)基礎(chǔ)是工程地質(zhì)類比法、滑坡靜態(tài)規(guī)律的認(rèn)識(shí)以及預(yù)測(cè)科學(xué)的一般原理。隨著概率論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、信息理論、模糊數(shù)學(xué)等方法用于滑坡預(yù)測(cè)，目前已形成了多種預(yù)測(cè)模型。其預(yù)測(cè)成果可相互對(duì)比、檢驗(yàn)，使預(yù)測(cè)成果更具合理性、科學(xué)性。目前常用的非確定性定量分析方法主要有以下幾種[7]：①經(jīng)驗(yàn)方法；②數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法；③信息模型法；④模糊數(shù)學(xué)評(píng)判法；⑤灰色系統(tǒng)方法；⑥模式識(shí)別方法；⑦非線性模型預(yù)測(cè)法；⑧人工智能法。

其中，數(shù)值計(jì)算分析方法又可以分為如下幾種：

①有限單元法（FEM）：該方法是目前應(yīng)用最廣泛的數(shù)值分析方法。它能夠考慮滑坡體的非均質(zhì)性、不連續(xù)性等特征，考慮巖體的應(yīng)力應(yīng)變特征，避免將坡體視為剛體，能夠切實(shí)地以應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)樽兞糠治鲞吰碌淖冃纹茐臋C(jī)制，對(duì)了解滑坡的應(yīng)力分布、應(yīng)變發(fā)展很有利。其不足之處是：數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作量大，而且原始數(shù)據(jù)易出錯(cuò)，不能保證整個(gè)區(qū)域內(nèi)某些物理量的連續(xù)性；對(duì)解決無限性問題、應(yīng)力集中等問題精度較差。

②邊界單元法（BEM）：該方法只需對(duì)已知區(qū)域的邊界進(jìn)行極限離散化，具有輸入數(shù)據(jù)少的特點(diǎn)。其計(jì)算精度較高，在處理無限域方面有明顯的優(yōu)勢(shì)。其不足之處為：一般邊界元法得到的線性方程組的關(guān)系矩陣是滿的不對(duì)稱矩陣，不能采用有限元中成熟的求解稀疏對(duì)稱矩陣的解法。另外，邊界元法在處理材料的非線性嚴(yán)重不均勻的滑坡問題方面，遠(yuǎn)不如有限元法。

③快速拉格朗日分析法（FLAC）：為了克服有限元等數(shù)值分析法不能求解巖土大變形問題的缺陷，人們根據(jù)顯式有限差分原理，提出了FLAC數(shù)值分析方法。該方法較有限元方法能更好地考慮巖土體的不連續(xù)性和大變形特征，求解速度較快。其缺點(diǎn)是同有限單元法一樣，計(jì)算邊界單元網(wǎng)格的劃分帶有很大的隨意性。

④離散單元法（DEM）：該方法可以直接反映巖體變化的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)以及速度場(chǎng)等各個(gè)參量的變化，也可以模擬邊坡失穩(wěn)的全過程。另外，該方法特別適合塊裂介質(zhì)的大變形及破壞問題的分析，但所需計(jì)算時(shí)步非常小，阻尼系數(shù)也難以確定。

⑤塊體理論（BT）：該方法是以構(gòu)造地質(zhì)和簡(jiǎn)單的力學(xué)平衡計(jì)算為基礎(chǔ)，利用拓樸學(xué)和群論提出的一種評(píng)價(jià)三維不連續(xù)巖體穩(wěn)定性的方法。隨著關(guān)鍵塊體類型的確定，塊體理論能夠找出具有潛在危險(xiǎn)的關(guān)鍵塊體的臨空面位置及分布。

除以上幾種方法外，近幾年還出現(xiàn)了如無界元（IDEM），不連續(xù)變形分析（DDA）等方法。此外，由于工程實(shí)踐的需要，出現(xiàn)了多種數(shù)值方法的算法，使滑坡穩(wěn)定分析數(shù)值方法化的趨勢(shì)更加明顯。但數(shù)值分析方法也存在著不足：由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性及認(rèn)識(shí)的局限性，往往使計(jì)由于計(jì)算參數(shù)的選取是以某種簡(jiǎn)化為基礎(chǔ)的，與實(shí)際存在一定誤差，繼而影響了計(jì)算結(jié)果的精度[5，6，7，8，9，10]。

1.3邊坡參數(shù)選取研究現(xiàn)狀

邊坡的靜力穩(wěn)定研究中，計(jì)算采用參數(shù)的準(zhǔn)確程度會(huì)對(duì)邊坡穩(wěn)定的評(píng)價(jià)結(jié)果產(chǎn)生重大的影響，因此，本節(jié)對(duì)邊坡物理力學(xué)參數(shù)選取的研究現(xiàn)狀進(jìn)行論述。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外巖體力學(xué)參數(shù)選取研究的總趨勢(shì)是有經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)、精度較低的數(shù)值計(jì)算方法向考慮多種因素影響，計(jì)算過程復(fù)雜、精度較高代表性較強(qiáng)的數(shù)值中計(jì)算分析法發(fā)展。尤其是計(jì)算機(jī)的使用，使這一領(lǐng)域的研究加快。巖體力學(xué)參數(shù)選取常用的方法有點(diǎn)群中心法、優(yōu)定斜率法、最小二乘法、隨機(jī)一模糊法等。點(diǎn)群中心法由于人為因素影響過多，目前已不常采用，國(guó)內(nèi)對(duì)于巖體力學(xué)參數(shù)的研究主要是從巖體力學(xué)參數(shù)本身所包含的隨機(jī)性和模糊性出發(fā)，應(yīng)用隨機(jī)理論和模糊數(shù)學(xué)的方法，對(duì)試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以獲得更為逼近巖體力學(xué)實(shí)際參數(shù)的“真值”[11]。

1.3.1水庫庫岸堆積體邊坡塌岸范圍預(yù)測(cè)方法研究現(xiàn)狀

水庫蓄水運(yùn)行過程中，庫岸所處的地質(zhì)環(huán)境將發(fā)生改變，自然平衡條件遭到破壞，引起岸坡變形失穩(wěn)，庫岸線也逐漸后退，直至達(dá)到新的平衡狀態(tài)為止，這一過程稱為庫岸再造。庫岸再造是一個(gè)十分復(fù)雜的動(dòng)力地質(zhì)過程，受岸坡物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)特征、形態(tài)及水流等多因素控制，塌岸過程復(fù)雜，尚無法精確地通過數(shù)學(xué)計(jì)算式來表達(dá)。

1.3.2地震作用下邊坡穩(wěn)定性分析研究現(xiàn)狀

地震邊坡穩(wěn)定性研究是邊坡穩(wěn)定性研究的重要方面，是巖土工程和地震工程中關(guān)心的重要問題之一。劉紅帥等認(rèn)為，從地震作用下是否考慮邊坡巖體參數(shù)的不確定性的觀點(diǎn)來看，巖土邊坡地震穩(wěn)定分析方法可分為確定性方法和概率分析方法兩大類；從邊坡穩(wěn)定性計(jì)算中對(duì)地震動(dòng)作用的不同處理方式來看，巖土邊坡地震穩(wěn)定性分析方法宜分為擬靜力法、滑塊分析法、數(shù)值模擬法和試驗(yàn)法四大類[5，10，12-18]。

2.結(jié)束語

目前，我國(guó)的大部分已建、正在興建和規(guī)劃中的水利水電工程都在該地區(qū)。水利工程中庫岸邊坡的滑動(dòng)范圍和穩(wěn)定性問題是大壩安全、社會(huì)效益和水利工程經(jīng)濟(jì)效益考慮的重要因素之一。同時(shí)，西南地區(qū)地殼活動(dòng)頻繁，地震震級(jí)高、強(qiáng)度大，大量庫岸邊坡都是重力崩塌堆積體。西南堆積體邊坡，考慮地震作用下修正塌岸預(yù)測(cè)方法中圖解法，并將其用于預(yù)測(cè)邊坡滑動(dòng)范圍；與實(shí)際情況對(duì)比進(jìn)行反分析，藉此評(píng)價(jià)堆積體邊坡震后滑動(dòng)范圍圖解法反分析在工程上的適用性。

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