李正忠 楊俊

為了提高邊坡災(zāi)害治理水平，首先從內(nèi)因和外因兩方面探討了邊坡穩(wěn)定性的影響因素，隨后以某邊坡為研究對象，利用有限元軟件Midas/GTS計算出巖質(zhì)邊坡在降雨前后的安全系數(shù)，最后探討了植物防護(hù)、土工材料防護(hù)、植生混凝土防護(hù)等生態(tài)防護(hù)措施在巖質(zhì)邊坡中的應(yīng)用。

目前，邊坡災(zāi)害是限制國家基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的重要因素之一。尤其是山嶺地區(qū)，地形地貌起伏大，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，邊坡受力變形機(jī)制也復(fù)雜，在強(qiáng)降雨、邊坡開挖等影響下，容易出現(xiàn)滑坡、崩塌等災(zāi)害。如果對邊坡穩(wěn)定性分析不當(dāng)或防護(hù)措施設(shè)計不合理，有可能引起重大事故，造成一定人員傷亡、財產(chǎn)損失及不良的社會影響，故應(yīng)當(dāng)對巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析格外重視。同時，工程建設(shè)過程中來自節(jié)能、環(huán)保方面的壓力也越來越大，選擇經(jīng)濟(jì)、合理且和自然景觀協(xié)調(diào)的邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)也成了工程人員待解決的關(guān)鍵問題之一。因此，研究巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析及生態(tài)防護(hù)措施具有十分重要的工程意義。

一、巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性影響因素及分析方法

1.巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性影響因素

影響巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的因素分為內(nèi)因和外因兩大類，前者包括地層特性、地質(zhì)構(gòu)造、巖石成分及風(fēng)化程度等；后者包括降雨、施工開挖等因素，具體闡述見表1：

2.巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析方法

針對巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性計算，《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30-2015）中主要介紹了兩種方法：第一，普通的碎裂結(jié)構(gòu)巖體邊坡宜選擇簡化畢肖普法；第二，規(guī)模較大或邊坡破壞機(jī)制復(fù)雜的邊坡宜采用簡化畢肖普和數(shù)值計算法綜合評估邊坡穩(wěn)定性。

（1）簡化畢肖普法

簡化Bishop法模型簡單，計算精度高，是均質(zhì)土邊坡穩(wěn)定性計算中最常用的一種剛體極限平衡法。該方法是將滑坡體劃分成n個寬度相同的垂直條塊，假設(shè)各條塊間只存在水平條間力、豎向條間力等于0，且滑體力矩平衡。同時，把滑動圓弧圓心當(dāng)做力矩中心點，計算抗滑力矩與下滑力矩比值即為安全系數(shù)，具體公式如下：

式中：Wi—第i條條塊的重力，kPa；bi—第i條條塊的寬度，m；ci—滑面粘聚力，kPa；?i—滑面內(nèi)摩擦角，°；αi—圓弧底面傾角，°；ui—孔隙水壓力，kPa。

（2）有限元分析法

近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值計算法在巖土計算領(lǐng)域地應(yīng)用日益普遍，一般包括有限元法、有限差分法、離散元法等，其中有限元法的應(yīng)用最廣泛。有限元法用于分析巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性時，能將其安全系數(shù)與滑動面位移、應(yīng)力、塑性區(qū)等聯(lián)系起來，能更好地分析邊坡失穩(wěn)變形機(jī)理。有限元法計算邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵是判斷邊坡臨界破壞狀態(tài)，判據(jù)有兩種：第一，邊坡模型節(jié)點最大水平位移達(dá)到某一臨界值；第二，迭代計算不收斂。

二、巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性計算實例

1.工程概況

以某公路路塹巖質(zhì)邊坡為研究對象，利用有限元軟件Midas/GTS來研究邊坡安全系數(shù)。該巖質(zhì)邊坡最大高度34.6m，分四級進(jìn)行開挖，控制坡高為10m，第一級和第二級邊坡坡比為1：1.1，第三級和第四級邊坡坡比為1：1.25，各平臺寬均2m。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，場區(qū)處于相對較穩(wěn)定的地質(zhì)環(huán)境，未發(fā)現(xiàn)活動性深大斷裂，地震基本烈度為Ⅵ度區(qū)。同時，場區(qū)內(nèi)地層分布較連續(xù)，無地震作用下的可液化地層，場地類別為Ⅱ類。根據(jù)設(shè)計資料及相關(guān)巖土試驗可知，該巖質(zhì)邊坡巖土體分為兩層，分別為強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化板巖。降雨強(qiáng)度為20mm/h，降雨歷時為30h。

表1 邊坡穩(wěn)定性影響因素劃分

2.有限元模型建立

Midas/GTS操作界面簡單，內(nèi)置多種本構(gòu)模型，能計算邊坡穩(wěn)定性、流固耦合、動力響應(yīng)等，并輸出滑動面的位移、應(yīng)力、應(yīng)變等。Midas/GTS計算巖質(zhì)邊坡安全系數(shù)步驟如下：CAD建立模型→Midas導(dǎo)入DWG文件→交叉分割模型→定義材料及屬性→2D網(wǎng)格劃分→添加約束條件→初始地應(yīng)力平衡→計算邊坡安全系數(shù)→結(jié)果后處理。

在利用Midas/GTS計算公路邊坡安全系數(shù)時采用的本構(gòu)關(guān)系是M-C屈服模型，并作以下假設(shè)：第一，邊坡底部對X、Y、Z方向完全約束，坡面和坡頂是自由邊界；第二，地下水位較低，忽略其影響。

在綜合考慮邊坡安全系數(shù)計算精度和計算機(jī)運算速度的基礎(chǔ)上，利用Midas/GTS中二維實體單位（六節(jié)點四面體）對邊坡坡體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中邊坡坡面2m范圍內(nèi)網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，網(wǎng)格控制尺寸取1m，其它部位網(wǎng)格尺寸取2m，共劃分出3675個單元，4218個節(jié)點，具體見圖1：

圖1 巖質(zhì)邊坡模型網(wǎng)格劃分

3.邊坡安全系數(shù)計算結(jié)果

巖質(zhì)邊坡在未采取防護(hù)措施的工況下，Midas/GTS軟件計算出安全系數(shù)是1.12，最大水平位移發(fā)生在坡腳附近，達(dá)到了22.8mm。同時邊坡坡體出現(xiàn)貫通地連續(xù)滑動面，存在坡體沿軟弱結(jié)構(gòu)面向下滑移的可能性。

隨著降雨歷時的增加，邊坡安全系數(shù)不斷減小，邊坡穩(wěn)定性不斷降低。在降雨初期，邊坡的安全系數(shù)為1.12。當(dāng)降雨歷時達(dá)到20h，其安全系數(shù)驟降，降低幅度達(dá)到了19.6%，此時巖質(zhì)邊坡已經(jīng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)降雨歷時超過20h，邊坡安全系數(shù)的降低速率減緩，直到失穩(wěn)破壞。

三、巖質(zhì)邊坡生態(tài)防護(hù)措施

（1）植物護(hù)坡

植物防護(hù)形式主要有鋪草皮、植生帶、三維植被網(wǎng)等。其中鋪草皮護(hù)坡的施工時間短、施工技術(shù)簡單、能夠適應(yīng)惡劣的外界環(huán)境，是一種應(yīng)用廣泛的公路路基邊坡防護(hù)技術(shù)。鋪草皮時需要注意草種不能過于單一，否則可能引起蟲害；植生袋護(hù)坡技術(shù)是將草種、保水劑等按照設(shè)計比例加固而成，具有良好的保水能力，可以大幅改善草種出苗率，能夠減緩邊坡風(fēng)化速度、降低雨水侵蝕，可以適用于各種環(huán)境；三維植被網(wǎng)的基礎(chǔ)層是熱塑性樹脂經(jīng)雙向拉伸后形成的網(wǎng)格，可以將土壤和草種固定在坡面。

（2）土工合成材料植草護(hù)坡

土工合成材料有結(jié)構(gòu)性能好、不易降解等優(yōu)勢。將土工合成材料與植物草種混合用于巖質(zhì)邊坡防護(hù)在質(zhì)量和造價方面都具有一定程度的優(yōu)勢。常用的土工織物生態(tài)防護(hù)形式包括草籽無紡布、土工格室、土工布等。

土工織物植草應(yīng)用于路基邊坡防護(hù)時，應(yīng)綜合考慮邊坡巖體性質(zhì)、邊坡幾何參數(shù)等因素來確定。同時，可以根據(jù)坡面實際情況在周圍開挖水平種植溝，種植溝間距在20cm左右，以減少水土流失，給草種提供良好的生長環(huán)境。

（3）植生混凝土護(hù)坡

植生混凝土防護(hù)路基邊坡是一種新型的多功能綠色環(huán)保防護(hù)技術(shù)，根據(jù)功能不同，植生混凝土可分為植物型多孔纖維混凝土、可凈化水質(zhì)的植生混凝土、抗沖刷型植生混凝土。

四、結(jié)語

在探討巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性影響因素的基礎(chǔ)上，利用Midas/GTS軟件計算了巖質(zhì)邊坡穩(wěn)安全系數(shù)及生態(tài)防護(hù)措施，主要得到了以下幾個結(jié)論：

（1）巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)原因包括地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖石成分及風(fēng)化程度、降雨、邊坡開挖等因素。

（2）普通碎裂巖體邊坡穩(wěn)定性分析宜采用簡化畢肖普法，破壞機(jī)制復(fù)雜的邊坡宜結(jié)合有限元分析法。

（3）巖質(zhì)邊坡安全系數(shù)會隨著降雨歷時的增加而減小，直到失穩(wěn)破壞。

（4）巖質(zhì)邊坡生態(tài)防護(hù)措施有植物防護(hù)、土工材料防護(hù)、植生混凝土防護(hù)等，其中植生混凝土對邊坡穩(wěn)定性影響最大。