■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(yáng) 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(dòng)面上的抗滑力(FS)與滑動(dòng)力(Fr)的比值，即抗滑穩(wěn)定性系數(shù)(η)來(lái)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(fù)合邊坡。

穩(wěn)定性差的邊坡常常發(fā)生滑動(dòng)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(kù)淤填等危害，對(duì)人們的正常生活與生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅。邊坡穩(wěn)定性問(wèn)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(duì)邊坡問(wèn)題進(jìn)行研究的目的在于，通過(guò)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的分析和評(píng)價(jià)，預(yù)測(cè)邊坡失穩(wěn)的時(shí)間、規(guī)模和危害程度，以期能夠設(shè)計(jì)出適合于實(shí)際工程的合理的邊坡結(jié)構(gòu)，能夠做到提前對(duì)具有破壞危險(xiǎn)的邊坡進(jìn)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(zāi)害和損失，并使邊坡工程設(shè)計(jì)達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)地目的。

1 邊坡穩(wěn)定的影響因素

對(duì)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(jìn)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(fēng)化作用、人類活動(dòng)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(gè)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(duì)巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，也就是對(duì)結(jié)構(gòu)面的特性及其之間的排列組合的研究。對(duì)于邊坡穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)，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(xué)、水理和力學(xué)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(duì)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(duì)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(huì)加重巖土的風(fēng)化作用。存在于巖體裂隙中的地下水，會(huì)對(duì)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(huì)對(duì)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(fēng)化作用。風(fēng)化也是一種侵蝕作用，雖然巖質(zhì)邊坡的強(qiáng)度較高，但在與大氣、水及生物的長(zhǎng)期接觸中，其表面也會(huì)由于物理、化學(xué)變化而變得松散，抗剪強(qiáng)度減弱，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使巖土體脫落或沿斜坡崩塌、滑移等。

(2)人類活動(dòng)。因?yàn)椴傻V、修路、挖掘隧道等進(jìn)行的地下開(kāi)挖通常會(huì)引起地表移動(dòng)、邊坡失穩(wěn);坡頂加載會(huì)增加坡體下滑力與坡體應(yīng)力，使巖土體遭到破壞，強(qiáng)度降低;爆破產(chǎn)生的震動(dòng)效應(yīng)與地震類似，會(huì)使孔隙中水壓力增加，巖土體強(qiáng)度下降等。

2 邊坡穩(wěn)定性分析方法

對(duì)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(guò)對(duì)邊坡的尺寸和坡形、所處環(huán)境進(jìn)行研究，勘察工程地質(zhì)，分析影響因素、失穩(wěn)機(jī)制與可能的破壞方式，來(lái)定性獲得邊坡的穩(wěn)定性狀況及其可能的發(fā)展趨勢(shì)。工程實(shí)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(kù)的方法，對(duì)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(lái)表示，以此求出的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)作為評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性的參考依據(jù)，目前主要應(yīng)用于土質(zhì)或強(qiáng)風(fēng)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(jìn)而評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性，一般應(yīng)用于巖質(zhì)邊坡。

2.1.2 工程數(shù)據(jù)庫(kù)

比較常用的是工程類比法，做法是參照已經(jīng)研究過(guò)的或已有經(jīng)驗(yàn)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(shè)計(jì)的人工邊坡與之進(jìn)行類比，結(jié)合有關(guān)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)類比的相似性與差異性來(lái)評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定。該方法比較適用于中小型工程中，若是復(fù)雜的大型工程，要結(jié)合其它方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.2 定量分析

定量分析法的核心是基于力學(xué)分析、數(shù)學(xué)模型和計(jì)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(yīng)力應(yīng)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(dòng)的巖、土體看作是剛體，不考慮巖、土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，通過(guò)分析可能滑動(dòng)面，并把滑動(dòng)面上的應(yīng)力簡(jiǎn)化為均勻分布，根據(jù)平衡條件建立整個(gè)邊坡平衡方程，進(jìn)而計(jì)算出邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。

這種方法模型簡(jiǎn)單，計(jì)算簡(jiǎn)便，可對(duì)邊坡穩(wěn)定性剛進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，對(duì)于均勻土質(zhì)邊坡計(jì)算效果比較好，因此得到廣泛應(yīng)用。但是由于在建模時(shí)過(guò)于簡(jiǎn)化，該方法不能考慮坡體中的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，只能給出可能的危險(xiǎn)滑動(dòng)范圍，會(huì)不可避免地產(chǎn)生計(jì)算結(jié)果與實(shí)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(zhǔn)則，分析邊坡的漸進(jìn)破壞過(guò)程與其實(shí)破壞位置，可得到邊坡的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和位移場(chǎng)等，具有諸多優(yōu)點(diǎn)。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(gè)分區(qū)或單元，對(duì)每個(gè)分區(qū)或單元進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的近似解，再將所有單元按照一定方法進(jìn)行組合，就能得到一個(gè)與原有系統(tǒng)近似的系統(tǒng)。再基于等價(jià)于微分方程的積分原理，組建節(jié)點(diǎn)平衡方程組，并利用虛功與最小勢(shì)能的原理進(jìn)行求解。這樣可以做到在考慮邊坡中應(yīng)力應(yīng)變的基礎(chǔ)上，避免了極限平衡法中的過(guò)于簡(jiǎn)化，能較為準(zhǔn)確地計(jì)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(píng)價(jià)法?；疑到y(tǒng)評(píng)價(jià)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(xué)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?fàn)顟B(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(jìn)而利用多因素疊加分析評(píng)估邊坡的穩(wěn)定性。該方法多用于對(duì)滑坡發(fā)生時(shí)間的預(yù)測(cè)方面。但由于其內(nèi)在的力學(xué)理論不明確，缺乏精確的定量分析，所以應(yīng)于其他方法結(jié)合使用。

(2)模糊綜合評(píng)價(jià)法。模糊評(píng)價(jià)法是基于最大隸屬度原則，構(gòu)造隸屬函數(shù)，分析同級(jí)或不同級(jí)因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，應(yīng)用模糊模式識(shí)別和模糊聚類分析方法，對(duì)影響邊坡穩(wěn)定的因素進(jìn)行分析，最后對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行總的評(píng)價(jià)。

(3)可靠度分析法。在邊坡穩(wěn)定研究中，可靠度分析法是應(yīng)用最廣泛的不確定性法。方法是基于對(duì)邊坡巖體性質(zhì)、荷載、工程地質(zhì)條件、計(jì)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(lái)描述邊坡工程系統(tǒng)的質(zhì)量。

3 發(fā)展前景

對(duì)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(duì)傳統(tǒng)極限平衡分析法的缺點(diǎn)，研究學(xué)者通過(guò)引入?yún)?shù)、三維分析等方法，使其在計(jì)算模型、滑動(dòng)面確定、邊坡類型等方面都得到了完善;通過(guò)將數(shù)值分析方法與計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)一步結(jié)合，將有限元分析法從平面有限元擴(kuò)展到了三維有限元，并引入了更多的新型數(shù)值計(jì)算方法。也就是說(shuō)，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(gè)方面。此外，邊坡高等本構(gòu)模型的應(yīng)用，交叉學(xué)科的使用，與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)手段的結(jié)合以及新的理論的應(yīng)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(guó).巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的工程地質(zhì)研究［J］.地質(zhì)科學(xué)，1965(4):330—352.

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