邊坡穩定性分析

■袁尚武 ■河南省地礦局第三地質礦產調查院，河南 信陽 464000

邊坡穩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定程度，通常以滑動面上的抗滑力(FS)與滑動力(Fr)的比值，即抗滑穩定性系數(η)來表示，比值越大，邊坡穩定性越好，反之，邊坡穩定性越差。按照地層巖性分類，邊坡可以分為土質邊坡和、巖質邊坡和土、巖復合邊坡。

穩定性差的邊坡常常發生滑動或崩塌破壞，大規模的邊坡巖體、土體破壞能引起交通中斷，建筑物倒塌，江河堵塞，水庫淤填等危害，對人們的正常生活與生命財產安全帶來嚴重威脅。邊坡穩定性問題涉及到礦山工程、道橋工程、水利工程、建筑工程等諸多工程領域，對邊坡問題進行研究的目的在于，通過對邊坡穩定性的分析和評價，預測邊坡失穩的時間、規模和危害程度，以期能夠設計出適合于實際工程的合理的邊坡結構，能夠做到提前對具有破壞危險的邊坡進行人工處理，避免滑坡或崩塌等現象的發生，造成不必要的災害和損失，并使邊坡工程設計達到安全、經濟地目的。

1 邊坡穩定的影響因素

對邊坡工程穩定性有影響的因素，大致可以按照內在因素與外在因素進行分類。內在因素包括巖土體結構與巖性、水流、地質構造等;外在因素包括氣候條件、風化作用、人類活動等。

1.1 內在因素

(1)巖體結構。巖土體結構通常體現在兩個方面，即結構面與結構體。結構面是指巖石物質分異面及不連續面，具有一定方向、規模、形態和特性;結構體是指由不同形狀的各類結構面組合而成的，將巖體切割成的單元塊體。對巖體結構進行研究，也就是對結構面的特性及其之間的排列組合的研究。對于邊坡穩定性來說，結構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、水理和力學性質，如巖土硬度、透水性等，這些固有性質或其變化，都在一定程度上對邊坡的穩定性有影響。

(3)水流。影響邊坡穩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，對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，以致發生垮塌、分解、堵塞，逐漸失穩。地表水沖刷還會加重巖土的風化作用。存在于巖體裂隙中的地下水，會對巖體產生一定的靜水壓力，呈現為一種滑推或向上的浮托力，滲流的地下水，還會對整坡體施加向下的滲透力，降低邊坡穩定性。

1.2 外在因素

(1)風化作用。風化也是一種侵蝕作用，雖然巖質邊坡的強度較高，但在與大氣、水及生物的長期接觸中，其表面也會由于物理、化學變化而變得松散，抗剪強度減弱，嚴重時會使巖土體脫落或沿斜坡崩塌、滑移等。

(2)人類活動。因為采礦、修路、挖掘隧道等進行的地下開挖通常會引起地表移動、邊坡失穩;坡頂加載會增加坡體下滑力與坡體應力，使巖土體遭到破壞，強度降低;爆破產生的震動效應與地震類似，會使孔隙中水壓力增加，巖土體強度下降等。

2 邊坡穩定性分析方法

對邊坡穩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

定性分析法是通過對邊坡的尺寸和坡形、所處環境進行研究，勘察工程地質，分析影響因素、失穩機制與可能的破壞方式，來定性獲得邊坡的穩定性狀況及其可能的發展趨勢。工程實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據庫的方法，對后兩種方法加以介紹。

2.1.1 圖解法

(1)諾模圖法。影響邊坡穩定性的系數之間的關系用諾模圖來表示，以此求出的邊坡穩定安全系數作為評價邊坡穩定性的參考依據，目前主要應用于土質或強風化的邊坡穩定性研究。

(2)赤平極射投影法。基于赤平極射投影的原理，用作圖的方式反映邊坡失穩的邊界條件，得出可能產生的滑移面與坡面空間關系及穩定性，進而評價邊坡穩定性，一般應用于巖質邊坡。

2.1.2 工程數據庫

比較常用的是工程類比法，做法是參照已經研究過的或已有經驗的邊坡的穩定性狀況及影響因素，將所研究的邊坡或擬設計的人工邊坡與之進行類比，結合有關經驗，根據類比的相似性與差異性來評價邊坡的穩定。該方法比較適用于中小型工程中，若是復雜的大型工程，要結合其它方法進行評價。

2.2 定量分析

定量分析法的核心是基于力學分析、數學模型和計算方法的選取，求解出穩定安全系數與結構體內的應力應變關系，從而分析出邊坡穩定性。可以分為確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典的確定性分析方法，把可能滑動的巖、土體看作是剛體，不考慮巖、土體的應力應變關系，通過分析可能滑動面，并把滑動面上的應力簡化為均勻分布，根據平衡條件建立整個邊坡平衡方程，進而計算出邊坡的穩定性系數。

這種方法模型簡單，計算簡便，可對邊坡穩定性剛進行定量評價，對于均勻土質邊坡計算效果比較好，因此得到廣泛應用。但是由于在建模時過于簡化，該方法不能考慮坡體中的應力應變狀態，只能給出可能的危險滑動范圍，會不可避免地產生計算結果與實際結果不吻合的現象。

(2)數值分析法。數值分析法可以根據巖體的破壞準則，分析邊坡的漸進破壞過程與其實破壞位置，可得到邊坡的應力場、應變場和位移場等，具有諸多優點。隨著其發展，產生出了多種數值分析方法，包括有限元法、邊界元法、離散元法與混合法等，其中，有限元法已經成為使用最廣泛的數值分析法。

有限元法是首先將連續系統分為有限個分區或單元，對每個分區或單元進行分析，提出相應的近似解，再將所有單元按照一定方法進行組合，就能得到一個與原有系統近似的系統。再基于等價于微分方程的積分原理，組建節點平衡方程組，并利用虛功與最小勢能的原理進行求解。這樣可以做到在考慮邊坡中應力應變的基礎上，避免了極限平衡法中的過于簡化，能較為準確地計算出邊坡的穩定安全系數。

2.2.2 不確定性分析法

(1)灰色系統評價法。灰色系統評價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學模型，基于灰色關聯度分析原理，根據影響邊坡穩定性的不確定性因素之間發展狀態的相似或相異度，確定邊坡穩定性各影響因素的影響程度，進而利用多因素疊加分析評估邊坡的穩定性。該方法多用于對滑坡發生時間的預測方面。但由于其內在的力學理論不明確，缺乏精確的定量分析，所以應于其他方法結合使用。

(2)模糊綜合評價法。模糊評價法是基于最大隸屬度原則，構造隸屬函數，分析同級或不同級因素對邊坡穩定性的影響，應用模糊模式識別和模糊聚類分析方法，對影響邊坡穩定的因素進行分析，最后對邊坡穩定性進行總的評價。

(3)可靠度分析法。在邊坡穩定研究中，可靠度分析法是應用最廣泛的不確定性法。方法是基于對邊坡巖體性質、荷載、工程地質條件、計算模型等不確定量，結合邊坡工程的具體情況，依據工程可靠性分析方法求解邊坡巖體的破壞概率即可靠度，來描述邊坡工程系統的質量。

3 發展前景

對于邊坡穩定性的研究分析方法，一直處于不斷發展完善中。例如，針對傳統極限平衡分析法的缺點，研究學者通過引入參數、三維分析等方法，使其在計算模型、滑動面確定、邊坡類型等方面都得到了完善;通過將數值分析方法與計算機技術進一步結合，將有限元分析法從平面有限元擴展到了三維有限元，并引入了更多的新型數值計算方法。也就是說，邊坡穩定性研究的發展抓喲表現在傳統方法的完善和新方法的興起兩個方面。此外，邊坡高等本構模型的應用，交叉學科的使用，與現場檢測手段的結合以及新的理論的應用，都將使邊坡穩定性的研究發展更加明朗。

［1］孫玉科，李建國.巖質邊坡穩定性的工程地質研究［J］.地質科學，1965(4):330—352.

［2］常曉林，陸述遠.重力壩巖基失穩準則及穩定審查方法研究閉.武漢水利電力學院學報1991，24