岩质陡高边坡稳定性分析方法与治理方案探讨

维普资讯 http://www.cqvip.com 童主壬墨墨．．舅．　妻．．要．　……………………………………………………～…………………．．　国　岩质陡高边坡稳定性分析方法与治理方案探讨　王建钧曹净　（昆明理工大学建筑工程学院）　摘要岩质陡高边坡，因其缺乏生物赖以生存的环境，即使经过传统的加固措施，却因暴露于地表，受到　风吹、日晒、雨淋等各种破坏性侵蚀作用，表层岩石很容易降低强度，发生剥蚀脱落，降低边坡稳　定性，危及工程的安全性。工程实践证明，影响边坡稳定性的因素复杂，而且绝大部分因素是动　态的、变化的，因此滑坡灾害也是变化与发展的过程。系统论述了岩质陡高边坡稳定性分析的方　法，例如刚体极限平衡法，数值模拟方法，理论研究与试验研究方法以及遗传进化法，工程地质分　析等其他研究方法的应用和特点。针对岩质高边坡的特点，探讨了岩质高边坡的治理措施，介绍　了一些新的边坡治理技术。高边坡治理既要注重稳定性，还要考虑生态环境问题。　关键词　岩质陡高边坡稳定性极限分析植物护坡　岩体稳定是指在一定的时间内和一定的荷载　构造的斜分条及不等距分条，使各条块尽量模拟实　下，岩体不产生破坏性的压缩变形、剪切滑移和拉张　际风化岩体；２）可较详尽地模拟侧面节理、断层造　开裂¨　。在各种荷载作用下，岩质陡高边坡稳定性　成地滑体强度特点；３）滑体滑动时，不仅滑动面上　是岩土工程和地球环境工程中十分关心的问题之　的各种力到达了极限平衡，侧面也到达了极限平衡。　一，其主要研究内容有：１）各种荷载如何作用于边　极限平衡法也有很大的缺陷，主要它是人为假　坡，即荷载作用力的计算；２）边坡发生失稳的位置，　定滑动面，且不能研究山体变形和破坏的过程，不能　即边坡破坏面的位置及形状；３）在各种荷载作用下　、很好的满足现代化工程建设的需求　Ｊ。　边坡是否会发生失稳，即判断失稳的可能性；４）边　坡失稳的结果，即永久变形或永久位移的计算。　２数值模拟方法　数值模拟方法是解决工程实际力学问题的有效　１极限平衡法　手段，已被学术界和工程界广泛认可作为一种力学　极限平衡法是通过分析边坡的潜在滑动面上的　状态的分析工具，在岩石力学与工程中的应用和推　荷载和抗力的平衡状态来定量评价边坡稳定性，其　广具有广阔前景。　基本思路是　Ｊ：假定岩体破坏是由于滑体内滑动面　（１）有限单元法：边坡稳定性分析中的有限元　上发生滑动而造成的，滑动面上土体服从破坏条件，　法，是将所研究的区域划分为有限个小区域，即单　假设滑动面已知，其形状可以是平面、圆弧面、对数　元。单元与单元之问仅在指定点处相连。在离散化　螺旋面或其他不规则曲面，通过考虑由滑动面形成　的模型上，对单元逐个地进行分析，再将各单元组合　的隔离体的静力平衡，确定沿这一滑动面发生滑动　到一起进行整体分析，然后结合要求计算位移（或　时的破坏荷载。　应力）边界条件，按结构分析中的位移法（或力法）　岩质边坡的失稳大都是沿着各种软弱结构面发　求解各节点处的位移，进而求出各结点的应力、应变　生的。滑体在滑动过程中侧向节理面也常发生相对　及所研究区域的屈服区。边坡稳定性分析时结合岩　滑移，而且侧向（竖向）节理面并不总是垂直的，就　体结构特征，对每一滑动面给出其在每一单元内的　像传统条分法那样。这时，应用传统条分法已不再　长度、倾角、粘聚力、内摩擦角及边坡饱和时每一单　适合，Ｓａｒｍａ博士针对节理岩体边坡失稳这一特点，　元内的水位值。利用有限元分析结果，由每一单元　提出并推导了适应这种特点的Ｓａｒｍａ分析计算方　的主应力计算出滑面上每一单元的剪应力及正应　法，参考文献［２］总结了这种方法的特点：１）可根　力，再用摩尔一库仑破坏理论确定整个滑面的稳定　据滑体的地质特性、结构面构造，对滑体进行按节理　系数　ｊ。有限元方法的应用，能比较好地解决岩体　［收稿日期］２００７—５—１５　５７　维普资讯 http://www.cqvip.com

《　ｉｉ　ｉｌ　；　．…………………………………………………Ｇ…ＥＯ…Ｔ…ＥＣＨ．～Ｎ．Ｉ…ＣＡ…Ｌ　Ｅ…ＮＧ…ＩＮ…ＥＥ…ＲＩ…ＮＧ…Ｗ…ＯＲ…ＬＤ…Ｖ…ＯＬ：．一Ｉｏ．．¨｜Ｎ．．ｏ一．．１．２．　率影响最大。在试验结果的基础上，获得了输入加　应力变形分析巾的非线性、非均质和复杂边界条件　等困难，在处理边坡稳定分析中开辟了新的途径。　（２）离散单元法：离散单元法由Ｃｕｎｄａｌｌ于　速度与输出加速度之间的传递函数关系式；通过输　入加速度和输出加速度作用时间关系求得了块体累　１９７１年首次提　的。其基本原理是假定岩体由刚　积位移的表达式。计算表明块体剪切位移随着荷载　频率和静态安全系数的增加而减小，按计算公式得　到的相对位移和试验实测的结果非常一致。　性块体组合而成，以　个刚性块体的运动方程为基　础，建立描述整体运动状态的联立方程，求解后便呵　以得到块体的运动参量。这种方法适合于碎裂介质　边坡，且容易考虑不同时刻的块体受力条件，也适合　于随时问变化的动态荷载输入¨　。一般来说，边坡　４其他研究方法　自２０世纪８０年代以来，为了处理边坡系统本　变形都具有大变形和非线性特征，在进行边坡的变　形与破坏机制研究时，最有效的研究方法之一当属　离散单元法。　（３）快速拉格朗日法（ＦＬＡＣ法）：各种数值计　算方法在岩土、边坡稳定性分析中应用近几年虽有　很大地发展，但这些方法其理论本身以及采用的算　法都有着各自的局限性。有限元法和边界元法都有　小变形的假设。近几年发展起来地快速拉格朗日法　（Ｆａｓｔ　Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｃｏｎｔｉｎｕａ，简称ＦＬＡＣ　法）则是较好的吸取了其他数值方法的优点并克服　其缺点而形成的一种新数值计算方法　Ｊ。ＦＬＡＣ法　基本原理类同于离散单元法，但它却能像有限元那　样适用于多种材料模式与边界条件的非规则区域的　连续问题求解。在求解过程中，ＦＬＡＣ又采用了离　散元动态松弛法，不需要求解大型联立方程组，便于　计算。另外，ＦＬＡＣ法不但能处理一般的大变形问　题，而且能模拟岩体沿某一软弱面产生滑动的变形。　ＦＬＡＣ法能针对不同的材料特性，使用相应的本构　方程来比较真实地反映实际材料地动态行为。　ＦＬＡＣ法还可考虑锚杆、挡墙、抗滑桩等支护结构与　围岩的相互作用。　３试验研究　众所周知，岩石试验是岩石力学的基础，是研究　岩石力学与工程的重要手段之一。同样，在工程地　质力学领域内，模型试验是一种重要的研究手段。　此外，在地震条件下采用试验研究的手段也是较为　合理和有效的。　参考文献［６］为了较为全面、真实地反映边坡　在地震作用下的变形状态，对岩石边坡问题作了简　化模型的振动台动力试验。对于模型的夹层效应、　空间作用、荷载的频幅特性与历时特性等都做了试　验研究。滑动块体产生的累积位移，不仪与台面输　入加速度大小、荷载频率和持续时间有关，而且还　法向应力和坡面倾角有关。其中坡面倾角和荷载频　Ｒ　身多种参量地随机性和不确定性，遗传进化法、神经　网络法、模糊测量理论、灰色系统理论，反分析法等　理论直接运用到岩质边坡稳定性分析中，已积累了　丰富的经验，并不断取得新的进展。另外采用工程　地质分析原理以及各种方法相结合进行研究也能够　满足工程需要。　（１）工程地质分析：岩体的地质条件，特别是岩　体结构与岩体稳定性密切相关，此外，岩体结构决定　岩体的变形破坏机制和力学介质类型，影响着岩体　的工程力学性质，从而控制着岩体的稳定性。文　７ｊ　中涉及边坡的工程地质分析方面的研究成果，对于　边坡的研究显然具有重要意义。　（２）多种方法相结合研究：采用２种或２种以　上方法分析同一问题，可以相互对照、相互验证，具　有良好的互补性，可以更好地提供参考或依据，　文　指出：尽管这种方法增加了工作量，而且有时　候甚至难以把握方法的优劣，但是这种研究问题的　手段由于其利大于弊而被广泛采用。　５　岩质陡高边坡的设计和防护措施　岩质陡高边坡的防治措施由稳定措施、防护措　施和报警措施或者足这些基本措施的组合构成，参　考文献［２］给出了其程序图（图１）。　（１）开挖及其各种设计内容：从改善岩质陡高　边坡稳定性出发，采用开挖法既是为了减少促成破　坏的下滑力，又可以是清除可能引起边坡破坏（即　岩崩和滑坡）的不稳定的或潜在不稳定的部分。为　此可通过下列途径使边坡稳定：１）清除不稳定的或　潜在不稳定的物质；２）放缓边坡；３）边坡上方减　重；４）在边坡中设置平台。　参考文献［８］给出了在挖台阶，清除和平整及　爆破等施　［中对岩质高边坡的适用性，设计要点和　易发生的问题（表１）。　维普资讯 http://www.cqvip.com 岩土工程界　第　０卷　第ｔ２期…　…　…　班场条件：斜坡的角瞍，Ｉ锸度；　　ｌ１：程地质｝¨　岩石的尺寸；岩　崩落到线蹈　的轨迹；衙瘿的维护措施　　ｌ｝　　ｌｌ　｛　稳定　去　防护疗法　ｌ预报方法　　ｉ｛　　｛ｚ　：　｝　§　开挖，剥除和整　改线，拦戡坡，　电剐，电栅栏　摊水，喷射　拦截沟和护　与防护相结台　混凝１．，扶聚或　道，修整水沟　捎｛　墙，扶　或　铡熊嘲盖，拦　捎｛ｌ｜墙，　石锚　玎网，拦石栅　拴，岩销和锚忤　卡兰，拦石墒，　销Ｉ捌粱和墙，锚　藩＃　棚和隧道　索墙和捆扎　图ｌ边坡处理方法程序　表Ｉ　施工方法的选择及其工程影响　拖１　疗法　实用性　没　｛‘要点　盏麓　氅　挖台阶　减小岩快掉下根据边坡彳牛部边坡顶部后移，增加　量，减少张裂位的岩性调整开挖量和仞期费用，　缝、危岩和维台阶的高度和增加绂弃　和弃渣场　修费用　坡度　清除和　陡峻边坡的基确保经验技术清除一ｆ：作缓慢而删断　平　小ｌ养护法　水平高　爆破　快速开挖　爆破孔的形成降低　体稳定性，显　和药量要适　著增加上程费ｆ｛Ｊ　（２）加阎措施：岩质边坡之所以失稳，一般认为　足由　ｒ岩体下滑力增加，或是山于岩体抗滑力降低。　因此，岩质边坡的加固措施要针对这两个方面的实　际情形米改善边坡的稳定系数　。加固边坡的方　法很多，为ｌｒｌ小使岩体强度降低，可用排水和戗流方　法使水不进入边坡岩体内。　边坡形态的处理，可将失稳边坡上部岩体减载，　也ｎ『在脚部加载，造成下滑力降低。有时将边坡　部的岩体挖去部分，而回填：ｆ边坡脚部。切忌在临　界稳定的边坡脚部开挖。　边坡局部岩体欠稳叮用锚杆（索）将其加固，但　锚杆（索）的锚固部位必须又牢固的硬岩。　’　挡墙建筑有时用来增加边坡稳定性。挡墙基础　的设置部位应放在可能滑床之下。高边坡或大的失　稳滑体，其推力比较大，墙身需要加厚加宽。　用抗滑桩加吲岩质边坡，也是为了减少失稳岩　体下滑力的作用。在这类加固工程中，多采用钢筋　混凝土桩或钢轨混凝土挖孔桩。　大多数边坡在破坏之前，其顶部出现了拉伸裂　缝，而剪切破坏面可能使从这些拉伸裂缝的根部开　始，或者至少是与之相连。因此，如果能够防止拉伸　裂缝出现，就能增加边坡的稳定性。　≤　此外，要特别注意边坡内的断层、软弱夹层或破　碎带等。它们通常构成边坡的滑床或边界，对于它　们，要设法加固。　对岩块流动及岩层曲折来说，可采用灌浆方法　来改善其内部稳定状态。灌浆时，要保持低压灌注，　使张开节理都被浆液填满，增加岩体的强度和稳定。　（３）崩塌落石的防护：近几年来，一种全新的　ＳＮＳ（Ｓａｆｅｔｙ　Ｎｅｔｔｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ）柔性拦石同防护技术在　我国水电站、矿山、道路等各种工程现场的崩塌落石　防护中得到了广泛的应用¨　“　。ＳＮＳ系统利用钢　绳网作为主要构成部分来防护崩塌落石危害的柔性　和高强度，更能适应抗击集中荷载和高冲击荷载。　当崩塌落石能量高且坡度较陡时，ＳＮＳ钢绳网系统　不失为一种十分理想的防护方法。ＳＮＳ系统包括主　动系统和被动系统两大类型。被动防护系统是一种　能拦截崩落的岩块、以具有足够高的强度和柔性的　钢绳网为主体的金属柔性栅栏式被动拦石网。整个　系统由钢绳网、减压环、支撑绳、钢柱和拉锚５个主　要部分构成。与传统的拦截式刚性建筑物的主要差　别在于系统的柔性和强度足以吸收和分散崩岩能量　并使系统受到的损伤最小。该系统既可有效防止崩　塌灾害，又可以最大限度地维持原始地貌和植被，保　护自然生态环境。　（４）环境绿化护坡：绿化护坡又称植物固坡　［１２］。主要是利用植物来改善边坡岩土层地质状　况、减少水土流失，提高边坡稳定性，同时还能改善　生态环境和地区小气候。因此，绿化护坡同时兼有　稳定防护和改善生态环境的双重功能。对岩质边坡　来说，采用植物护坡的方法其作用不仅在于能减弱　岩石风化和雨水冲蚀，其绿化边坡、改善环境的意义　远大于改善边坡的稳定性状况。由于岩质边坡部具　备植物生长的土壤，无法在坡面上直接栽种护坡植　物，解决的方法又两种：１）在｝昆凝土坡面上挂三维　网固定土层并喷播草籽；２）在混凝土坡面浇筑隔梁　固定土层并栽种小灌木、漫藤植物。　６　结语　（１）影响岩质陡高边坡稳定性的因素复杂，边　坡治理埘边坡地质体的认识不够或者忽视岩体结构　的决定性作用，将会导致治理工程的失败。　（２）岩质陡高边坡的稳定性分析方法有多种多　样，各有其优点和缺点，设计时要注意合理地选择。　同时，许多新的方法随着理论技术的发展不断出现。　（下转第６２页）　５９　维普资讯 http://www.cqvip.com

ＧＥＯＴＥＣＨＮＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　ＷＯＲＬＤ　ＶＯＬ．１Ｏ．Ｎｏ．Ｉ２　＿＿＿…………一…　………＿～　…＿一●　一…＿……＿一＿……＿一…一一……………　＿一………　…………　一…　折线拐点前部分即可。经推导，该类土拐点前Ｐ—Ｓ　曲线方程如下：　ｓ＝试验所得到的变形模量　较理论值卢Ｅ　高。统计　出辽阳各种土的物理及力学参考指标，对于某种特　（　）　（Ｐ≤Ｐｋ）　（４）　定土，　。、　。、Ｐ。、Ｐ　这４个参数应为定值，只要知道　其物理、力学指标，就可以基本推断出它的螺旋板载　荷试验Ｐ—Ｓ曲线形状；由等效变形模量公式可知：　Ｅ。…由第一折线段　确定；与施加的荷载Ｐ成幂函　在该拐点荷载曲线段内，可在Ｍｉｎｄｌｉｎ解的基　础上推算出在半无限体内部　地基土在垂直均布荷　载作用下的等效变形模量　：　数关系。利用等效变形模量计算瞬时沉降一类弹性　Ｐｄ　＿（５）　公式时，等效变形模量非线性分析具有重要意义。　参考文献　其中　为与试验深度和土类有关的系数（表１）；ｄ　为载荷板直径。Ｓ为与Ｐ（ｋＰａ）对应的沉降（ｍｍ）。　将（４）式代入（５）式得　Ｅ。螂＝ｃＥＪ—　．　＝ｃＥＪＰ（１一　）．Ｐ１．　［１］钱家欢，殷宗泽．土工原理与计算．第二版．　京：中国水利水　电出版社，１９９６．　［２］　华南理工大学，东南大学，浙江大学，湖南大学．地基及基础．　Ｉ　（６）　第三版．北京：中国建筑工业出版社，１９９８．　（　）　通过对该场地试验数据分析，辽阳软土地区粘　［３］　中华人民共和国建设部．岩土工程勘察规范［Ｍ］．中国建筑工　业出版社，２００２．２６９—２７０．　［４］张珊菊．地基变形特性及其在平板载荷中的应用［Ｄ］．广东工　业大学，２００４．　ｒ　性土４个参数取值：　ｏ＝０　７～１　４３；　ｌ＝０　８３～　１．６０；Ｐ　：２０～５０ｋＰａ；Ｐ　＝７０～９５ｋＰａ。　［５］　赵俭斌．辽宁省区域性软土地基的工程特性及其影响［Ａ］．　《新世纪新机遇新挑战知识创新和高新技术产业发展》（上　册）中国科协２００１年学术年会文集［ｃ］，２００１．９．　３　结束语　结合实际，在辽阳地区，利用螺旋板载荷试验确　定地基土的变形模量　，与理论上Ｅ。＝　计算结　果比较接近；对于这类饱和粘性土和粉土，现场载荷　第一作者通讯地址：辽宁省辽阳市南郊街１１号沈阳建筑大　学职业技术学院　邮编：１１１０００　｛　｛　｛　｛　；　；　≥　；　≥　；　；　｛　；　；　；　；　≥　；　≥　；　｛　；　｛　；　蔷　；　≥　；　；　｛　暑　（上接第５９页）　交通出版社，２００３．　（３）根据滑坡发生的特点，要提高岩质边坡工　程的分析和设计水平，一定要加强对岩体工程性质　的研究和岩体结构的探测，将理论分析、室内外实验　和工程经验相结合，以监测为首，边勘察、边设计、边　施工、边监测。　张平，吴德伦．动荷载下边坡游动的试验研究［Ｊ］．重庆建筑大　学学报，１９９７，１９（２）：８０—８６．　张倬元，王士天，王兰生．工程地质分析原理［Ｍ］．北京：地质　出版社，１９９３．　亓军强，杨永兵，吴振君．岩质高边坡治理初探［Ｊ］．桂林工学　院学报，２００３，２３（１）：１１１—１１５．　（４）边坡的治理不仅要注重稳定性问题，还要　考虑生态环境问题。　参考文献　沈明荣．岩体力学［Ｍ］．上海；同济大学出版社，２００２．　张有良．最新工程地质手册［Ｍ］．北京：中国知识出版社，　２００６．　［１］洪海春，徐卫亚．地震作用岩质边坡稳定性分析综述［Ｊ］．岩体　力学与工程学报，２００５，２４（增１）：４８２７—４８３４．　［２］崔政权，李宁．边坡工程一理论与实践最新发展［Ｍ］．北京：中　国水利水电出版社，１９９９．　［３］张磊，高文龙．岩质边坡稳定性分析方法与治理方案探讨［Ｊ］．　电力工程勘测设计，２００４，（１）：１６—１９、　阳有奎，贺咏梅．斜坡坡面地质灾害ＳＮＳ柔性防护系统概论　［Ｊ］．地质灾害与环境保护，２０００，１１（２）：１２４—１２５．　张俊云，周德培，李绍才．岩质边坡生态护坡研究简介［Ｊ］．水　土保持通报，２０００，２０（４）：３６—３７．　第一作者通讯地址：昆明市昆明理工大学白龙校区建筑工程　学院研究生４６　信箱　邮编：６５０２２４　［４］　孙维丽，陈征宙，邓立立，邓小鹏．岩质边坡稳定性有限元分析　［Ｊ］．东华理工学院学报，２００４，２７（１）：６５—６８．　［５］赵明阶，何光春，王多垠．边坡工程处治技术［Ｍ］．北京：人民　６２