巖土工程中邊坡穩定性分析及監測方法研究

李俊鵬，劉 波，鄭 正，高靜文

(河北工程大學 水利水電學院，河北 邯鄲 056038)

1 概 述

邊坡穩定性分析對減少工程施工危害有著不可替代的作用，基本上所有的工程領域都離不開邊坡的穩定性分析，比如水利、土木、礦山、交通等領域[1]。由于強度折減法有其自身的優點，目前它已成為邊坡分析的研究方法之一，但將強度折減法作為邊坡破壞準則判據的分析過程中，尚未取得共識[2]。裂隙巖體邊坡的破壞一直是巖土工程和工程地質工作者關注的焦點和長期研究的問題[3]。在露天開采和地下開采過程中，邊坡的穩定性也受到工程界的密切關注[4]。

地震波對邊坡的破壞和穩定也有一定的影響，一旦邊坡遭到破壞，將造成交通災害、堵江、水庫故障、建筑物倒塌、工廠和礦物埋藏等災難性事故，造成重大的生命財產損失[5]。特別是近年來，隨著中國基礎設施的發展，邊坡的穩定性和滑坡預測顯得尤為重要，邊坡加固及滑坡預測的保障建設對人民財產安全具有重要的意義。

2 國內外現狀

2.1 邊坡穩定性強度折減法研究現狀

近年來，隨著計算機技術的不斷發展，與傳統的極限平衡法相比，強度折減法作為邊坡穩定分析的新方法已成為一種新的發展趨勢[6]。目前，強度折減標準主要有3種，其中邊坡監測點的位移突變特征這一標準通過監測邊坡中某些點的位移隨折算系數的增大而變化。作為一種破壞準則，它可以反映邊坡的變形過程。已有文獻介紹了求解邊坡安全系數的有限元強度折減法的分析方法，分析了屈服準則計算邊坡安全系數的影響[7]。實例表明，用有限元法求解邊坡安全系數誤差較大的主要原因是屈服準則的選取。一般以邊坡體某監測點位移與折減系數曲線的突變特征作為失穩判據具，但是對于監測點的選擇以及位移方式(水平位移、豎直位移、總位移)，目前仍沒有統一的認識，同時如何從曲線上給出安全系數也沒有明確的方法[8]。林航[9]分析了監測點位置和位移方式的合理性之后建議選擇坡頂作為監測點。對于塑性區貫通作是否能作為破壞依據，趙尚義[10]認為，塑性區從坡腳到坡頂貫通并不一定意味著破壞，還要看是否產生很大的且無限發展的塑性變形和位移。邊坡變形破壞過程中應力應變狀態是十分復雜的，但巖石破壞歸根結底是由能量驅動的狀態不穩定。

2.2 裂隙巖體斷裂力學和損傷力學研究現狀

在巖石斷裂的研究中，越來越多的學者將現有的線彈性斷裂力學理論應用于巖石斷裂力學。Poston[11]首次用Griffith能量準則對裂紋擴展方向與原主裂紋在脆性剪切斷裂過程中的關系進行了分析，其趨勢類似于巖體。Lajtai[12]認為，當裂紋被壓縮的剪切應力作用的同時，不僅拉應力會集中，壓應力也會集中，并產生一個正常的剪切裂紋垂直于受力方向，考慮到裂紋尖端的非均勻應力場，通過應力梯度模型建立了一種新的壓剪斷裂強度理論。周曉平[13]用Dugale-Barenblatt模型揭示了多節理滲透力學機制。它主要受兩個因素的影響，分別是外部荷載和節點間的相互作用。

2.3 地下采空區對邊坡穩定性影響研究現狀

我國能源主要來自于地下，對煤、鐵等礦物的大量開采會產生大面積的地下采空區。地下采空區會留下巨大的隱患，尤其是對于一些在礦區建設的工程。在中國有許多露天礦，大量的露天礦由于開采不符合操作規范或違法開采會形成塌陷區，這會對開采區乃至整個礦區的邊坡穩定性造成嚴重的影響，甚至會危害礦山生產的正常秩序[14]。

2.4 邊坡動力響應研究現狀

爆破和地震是邊坡產生動力學問題的兩個主要來源，也是在巖土和地震工程中比較關注的問題。雖然擬靜力法、滑動體分析法等的研究還未深入、應用尚不廣泛，但其多用于邊坡抗震穩定性分析[15]。由于地震的動特性常引起邊坡的沖擊反應，已有文獻表明，地震動特性一般包括3個方面，即地震動強度、地震持續時間和地震頻譜特征[16]。它對邊坡動力響應的影響是一個非常重要的問題。

2.5 邊坡監測系統在國內外研究和應用現狀

近年來，邊坡監測得到了迅速的發展，它是邊坡穩定性研究中的一項重要工作。邊坡穩定監測已成為世界邊坡領域中發展最快的分支之一。邊坡穩定性監測是指對巖質邊坡使用檢測儀器或裝置來研究其運動規律，目的是為滑坡預測和邊坡穩定性分析提供基礎數據[17]。根據這些觀測到的基礎數據，更全面地對邊坡穩定性進行分析，進一步掌握滑坡體的規模、形式和發展趨勢，以采取相應的處理措施。國外一些發達國家較早將邊坡檢測應用于露天礦。邊坡監測工作包括對坡面巖體運動的監測、鉆孔巖體運動監測、地震動監測、大面積巖體運動觀測等[18]。

3 邊坡穩定性分析方法

邊坡穩定性分析方法有很多，其中比較典型和常用的方法是瑞典圓弧法和極限平衡法。

3.1 瑞典圓弧法

瑞典圓弧滑動面分裂法假定滑動面上方的土壤被劃分成n個垂直的土棒，并分析了作用在每個土層上的力和力矩平衡，忽略了土條間相互作用力的影響，得到了其土體穩定的安全系數[21]。當坡度、滑坡面取決于土壤時，黏土為圓柱形或碗狀，砂土則為近似平面。邊坡穩定安全系數K為抗滑力矩與滑動力矩之比[22]。這種方法是條分法中最簡單的方法，并被廣泛應用。

3.2 極限平衡法

極限平衡法是基于滑動體分塊的力學平衡原理[23](即靜態平衡原理)對滑坡的各種失效模式以及邊坡的應力狀態和抗滑力和滑動力之間的關系評價邊坡穩定性的計算方法。

極限平衡準則是邊坡穩定性分析中應用最為廣泛的方法之一。該方法是基于摩爾-庫侖強度理論，通過對土體受到破壞時土的靜力平衡進行分析，使得問題到解決。傳統的彈塑性力學是引入一些簡化假設，使問題變得靜定和可解，習慣將應力應變關系引入來解決非靜態和不確定問題，這種處理方法的嚴密性雖然受到了破壞，但其對計算精度和穩定性的影響不大。

4 邊坡監測方法

邊坡監測方法主要包括邊坡穩定監測系統、邊坡雷達監測、聲發射檢測系統。這些方法目前廣泛應用于水利、土木和交通等領域。

4.1 邊坡穩定監測系統

邊坡穩定性監測系統的設計形式很多，本文以滕振芳[19]設計的邊坡穩定性監測系統為例。它由4部分組成，分別為數據自動檢測系統、數據采集系統、數據傳輸系統和監測服務中心。見圖1。

數據自動檢測系統是指在各種動態信息采集設備在礦山現場的布置；數據采集系統指的是監測儀器的控制、數據采集儀、數據存儲和數據與PC機通信、嵌入式計算機等；數據傳輸系統是指互聯網絡對數據信息的傳輸；監測服務中心是數據處理系統、數據查詢和控制指令的終端設備，包括計算機信息和計算機軟件等。

4.2 邊坡雷達監測

雷達技術同樣也在邊坡穩定性監測中開始應用。邊坡穩定雷達是一種用于巖土工程中邊坡穩定性監測的裝置[20]。該裝置的監測系統首先對近毫米精度的不同邊坡區連續反復掃描，然后將掃描數據通過專用軟件處理并與之前掃描的結果比較，以確定邊坡位移的程度，接下來將位移的變化量以圖形的形式輸出到顯示器，當預警系統位移超過預設的閾值時觸發警報(圖2)。

圖2 邊坡雷達工作過程

圖3 聲音發射檢測系統圖

4.3 聲發射檢測系統

該系統由波導管與傳感器鏈接，并將一個壓電換能機安裝在波導管內從而進行聲發射檢測(圖3)。這一系統[24]最初是開發用于檢測邊坡活動變形產生細粒土的形成。波導桿埋于地面以下用來傳送超高頻電磁波，通過它脈沖信號能以極小的損耗被傳送到傳感器。波導管通常鉆孔安裝，理想情況下可以到達坡面以下任何剪切面或潛在剪切面以及可能會對邊坡穩定造成破壞的地層。波導管和鉆孔之間的間隙用礫石或粗砂回填，因此砂礫石成為波發出的源頭，這使得系統感受到土壤的移動更為靈敏。因為細土壤產生的聲發射水平很低，導致聲學材料的聲學傳遞性能較差，從而引入壓電換能機增強檢測信號。

5 結 語

在巖土工程中，為防止邊坡變形破壞，可以增大邊坡穩定角，采取如下加固措施[25]：①直接加固，如錨索、鋼絲繩錨索、護坡、擋土墻；②間接加固，邊坡上的道路和地下水，地面排水和地面覆蓋物，以防止滲漏、減坡和卸荷；③特殊加固，如基坑爆破、壓力注漿。

在工程實踐中，邊坡穩定性分析方法的選擇需要具體分析。在邊坡穩定性分析理論中，應繼續加強力學機理、數學模型、計算方法和智能評價體系的研究[26]，以便在實際邊坡工程中高效、準確、經濟地服務。對于算法中不能滿足合理條件的方法，在計算塊之間的內力結果時，必須檢查每一個合理的條件。