邊坡穩定性影響因素及評價方法

王 浩

(黑龍江省高速公路建設局)

1 影響邊坡穩定性的因素

1.1 內部因素

(1)巖土性質和類型

巖性對邊坡的穩定及其邊坡的坡高和坡角起重要的控制作用。堅硬完整的塊狀或厚層狀巖石如花崗巖、石灰巖、礫巖等可以形成數百米的陡坡，如長江三峽峽谷。而在淤泥或淤泥質軟土地段，由于淤泥的塑性流動，幾乎難以開挖渠道，邊坡隨挖隨塌，難以成形。黃土邊坡在干旱時，可以直立陡峻，但一經水浸土的強度大減，變形急劇，滑動速度快，規模和動能巨大，破壞力強且有崩塌性。松散地層邊坡的坡度較緩。

(2)地質構造和巖體結構的影響

表現為結構面的發育程度、規模、連通性、充填程度及充填物成分和結構面的產生狀態對邊坡穩定性的影響。在評價結構面對邊坡穩定性的影響時，要特別注意結構面的產生狀態與邊坡面的相互關系。在區域構造比較復雜，褶皺比較強烈，新構造運動比較活動的地區，邊坡穩定性差。反向傾斜層狀結構的邊坡通常較穩定，但垂直層面或片理面的走向節理發育且順山坡傾斜，則亦易產生切層滑坡。

1.2 外部因素

(1)水的作用

地表水和地下水是影響邊坡穩定性的重要因素。不少滑坡的典型實例都與水的作用有關或者水是滑坡的觸發因素，處于水下的透水邊坡將承受水的浮托力的作用，而不透水的邊坡，將承受靜水壓力;充水的張開裂隙將承受裂隙水靜水壓力的作用;地下水的滲流，將對邊坡巖土體產生動水壓力。水對邊坡巖體還產生軟化或泥化作用，使巖土體的抗剪強度大為降低;地表水的沖刷，地下水的溶蝕和潛蝕也直接對邊坡產生破壞作用。不同結構類型的邊坡，有其自身特有的水動力模型。

(2)新構造運動

新構造運動往往引起邊坡形態、產生狀態及水文地質條件發生改變而導致邊坡失穩，強烈的新構造運動一地震對邊坡穩定性的影響極大，地震往往伴有大量的邊坡失穩。

(3)工程荷載

人類工程活動規模的日益擴大，它對邊坡穩定性的影響越來越顯著，不當的人類工程活動引起的邊坡失穩事故頻繁發生，使得人們不得不重視人類工程活動對邊坡穩定性的影響。對邊坡穩定性產生顯著影響的人類活動有:削坡、坡頂加載、地下開挖。

(4)氣候因素

大氣降雨是地下水的主要補給源。氣候類型不同，大氣降雨量也不同，因此，在不同的地區由于大氣降雨量不同，即使其它條件相同，邊坡的穩定性也不相同。暴雨或長期降雨以及融雪過后，往往可以到邊坡失穩增多的現象，這說明大氣降雨等對邊坡的穩定性有很大影響。

(5)風化作用

風化作用使巖土的抗剪強度減弱。裂隙增加、擴大，影響斜坡的形狀和坡度;透水性增加，使地面水易于浸入，改變地下水的動態等，沿裂隙風化時，可使巖土體脫落或沿斜坡崩塌、堆積、滑移等。

(6)地貌因素

邊坡的形態和規模等地貌因素對邊坡穩定性的影響是顯而易見的，不利形態和規模的邊坡往往在坡頂產生張應力.并引起坡頂出現張裂縫:在坡腳產生強烈的剪應力，出現剪切破壞帶，這些作用極大地降低邊坡的穩定性。邊坡面與地質構造面的不利組合會導致邊坡結構面控制型失穩。

2 邊坡穩定分析與評價

2.1 定性分析方法

(1)地質分析法(歷史成因分析法)

根據邊坡的地形地貌形態、地質條件和邊坡變形破壞的基本規律，追溯邊坡演變的全過程，預測邊坡穩定性發展的總趨勢及其破壞方式，從而對邊坡的穩定性做出評價，對已發生過滑坡的邊坡，則判斷其能否復活或轉化。

(2)工程地質類比法

工程類比方法該方法實質上就是利用已有的自然邊坡或人工邊坡的穩定性狀況及其影響因素、有關設計等方面的經驗，并把這些經驗應用到類似的所要研究邊坡的穩定性分析和設計中去的一種方法。

(3)圖解法

①用一定的曲線和偌謨圖來表征邊坡有關參數之間的定量關系，由此求出邊坡穩定性系數，或已知穩定系數及其它參數(c、r、結構面傾角、坡角、坡高)僅一個未知的情況下，求出穩定坡角或極限坡高。這是力學計算的簡化。

②利用圖解求邊坡變形破壞的邊界條件，分析軟弱結構面的組合關系，分析滑體的形態、滑動方向，評價邊坡的穩定程度，為力學計算創造條件。常用的為赤平極射投影分析法及實體比例投影法。

(4)邊坡穩定專家系統

工程地質領域最早研制出的專家系統是用于地質勘察的專家系統Propecter，由斯坦福大學于70年代中期完成的。另外，MIT在80年代中期研制的測井資料咨詢的專家系統也得到成功地應用。在國內，許多單位正在進行研制，并取得了很多的成果。專家系統使得一般工程技術人員在解決工程地質問題時能象有經驗的專家給出比較正確的判斷并做出結論，因此，專家系統的應用為工程地質的發展提供了一條新思路。

2.2 定量評價方法

(1)極限平衡法

極限平衡法在工程中應用最為廣泛，極限平衡法是通過潛在滑體的受力分析，引入摩爾一庫侖強度準則，根據滑體的力(力矩)平衡，建立邊坡安全系數表達式進行定量評價，這種方法由于安全系數的直觀性，至今仍被工程界廣泛應用，目前我國邊坡工程研究中根據工程實際0i入臨界滑移理論進行露天邊坡的評價也屬于此法。這種方法的關鍵在于正確判斷臨界破壞面的位置和選定計算參數，這些都需要依靠經驗確定。

目前，剛體極限平衡方法已經從二維發展到目前的三維。有關邊坡穩定三維極限平衡方法，已有眾多文獻介紹研究成果。下面就幾種常用的方法做介紹。

(2)數值分析方法

主要是利用某種方法求出邊坡的應力分布和變形情況，研究巖體中應力和應變的變化過程，求得各點上的局部穩定系數，由此判斷邊坡的穩定性。主要有以下幾種:

①有限單元法(FEM)

該方法是目前應用最廣泛的數值分析方法。其解題步驟已經系統化，并形成了很多通用的計算機程序。其優點是部分地考慮了邊坡巖體的非均質、不連續介質特征，考慮了巖體的應力應變特征，因而可以避免將坡體視為剛體、過于簡化邊界條件的缺點，能夠接近實際地從應力應變分析邊坡的變形破壞機制，對了解邊坡的應力分布及應變位移變化很有利。其不足之處是:數據準備工作量大，原始數據易出錯，不能保證整個區域內某些物理量的連續性;對解決無限性問題、應力集中問題等其精度比較差。

②邊界單元法(BEM)

該方法只需對已知區的邊界極限離散化，因此具有輸入數據少的特點。由于對邊界極限離散，離散化的誤差僅來源于邊界，區域內的有關物理量是用精確的解析公式計算的，故邊界元法的計算精度較高，在處理無限域方面有明顯的優勢。其不足之處為:一般邊界元法得到的線性方程組的關系矩陣是不對稱矩陣，不便應用有限元中成熟的對稀疏對稱矩陣的系列解法。另外，邊界元法在處理材料的非線性和嚴重不均勻的邊坡問題方面，遠不如有限元法。

③離散元法(DEM)

是由Cundall(1971)首先提出的。該方法利用中心差分法解析動態松弛求解，為一種顯式解法，不需要求解大型矩陣，計算比較簡便，其基本特征在于允許各個離散塊體發生平動、轉動、甚至分離，彌補了有限元法或邊界元法的介質連續和小變形的限制。因此，該方法特別適合塊裂介質的大變形及破壞問題的分析。其缺點是計算時步需要很小，阻尼系數難以確定等。

離散單元法可以直觀地反映巖體變化的應力場、位移場及速度場等各個參量的變化，可以模擬邊坡失穩的全過程。

④塊體理論(BT)

是由Goodman和Shi(1985)提出的，該方法利用拓撲學和群論評價三維不連續巖體穩定性。其建立在構造地質和簡單的力學平衡計算的基礎上。利用塊體理論能夠分析節理系統和其它巖體不連續系統，找出沿規定臨空面巖體的臨界塊體。塊體理論為三維分析方法，隨著關鍵塊體類型的確定，能找出具有潛在危險的關鍵塊體在臨空面的位置及其分布。塊體理論不提供大變形下的解答，能較好地應用于選擇邊坡開挖的方向和形狀。

3 結束語

邊坡穩定性影響因素比較復雜，且在實際工作中有時難以明確判斷，應加強對邊坡失穩因素的勘察，分析并找到主導原因。同時，應根據不同的實際情況選擇合理的邊坡穩定評價方法，為合理的工程措施提供依據及理論指導。

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