泥巖地質高邊坡整體穩定性分析研究

孫登峰

Research 研究探討

泥巖地質高邊坡整體穩定性分析研究

孫登峰

（中鐵十六局集團第一工程有限公司，北京 101300）

從邊坡工程研究的歷史可以看出，邊坡穩定性研究的發展也是邊坡穩定性分析方法的發展。邊坡穩定性分析的新方法不斷涌現，舊方法不斷改進，并逐步從定性向定量、半定量方向發展。邊坡穩定性評價方法可分為定性分析方法和定量分析方法。此外，近年來，在上述兩種分析方法的基礎上，人們引進了一些新的學科和理論，并逐漸發展出一些邊坡穩定性分析的新方法，如可靠性分析方法、模型綜合評價方法、系統工程方法、灰色系統理論方法等，暫稱為不確定性分析方法。

泥巖地質；高邊坡；整體穩定性

1 泥巖地質高邊坡穩定性分析概述

在現實生活中，人們經常遇到邊坡工程問題，如公路、鐵路建設過程中的邊坡工程、水庫大壩的安全與穩定、高山地區雨季的滑坡、地震災害中的滑坡以及露天開采過程中的邊坡失穩等都涉及到邊坡問題。隨著社會的發展，世界各地的工程基礎設施建設正如茶場一樣進行著。隨著露天礦山開采、公路鐵路建設和大型水利工程建設規模的不斷擴大，大量的人工邊坡產生，邊坡穩定性問題日益突出。由于邊坡失穩事故頻發，據統計，近年來，我國已有至少1000人死于工程造成的滑坡災害，經濟損失巨大，僅漫灣大壩滑坡就造成了10多億元的損失，工期延誤一年多。研究邊坡穩定性的影響因素和邊坡失穩機理，對減少和解決邊坡失穩的發生具有重要意義，是人類智慧自保減災的正確選擇，是人類通過智慧實現人與自然和諧相處的追求。巖土邊坡是一種自然地質體，一般由多組斷層、節理、裂隙和軟弱帶切割而成，邊坡具有軟弱表面，使邊坡沿軟弱表面發生相對滑動和失穩。邊坡的變形和失穩基本上是邊坡自身獲得穩定狀態的自然調節過程，幫助邊坡穩定的因素是自然因素和人為因素。邊坡穩定性研究的核心問題是邊坡的穩定性，它涉及到采礦工程、道路橋梁工程、水利水電工程、建筑工程等多個領域，一直是巖體力學研究的重要課題。

2 泥巖地質高邊坡穩定性案例分析

2.1 研究背景

本項目內路塹高邊坡高度超過 50m 有 5 段，邊坡高度較高。邊坡施工應按規定分層開挖分層防護，施工開挖后遇雨時應及時覆蓋彩條布，防止雨水過度沖刷邊坡坡面。本合同段內巖質邊坡坡體主要為粉砂質泥巖、泥質粉砂巖及泥巖（表層為粉質粘土），巖石表層風化較嚴重，巖石節理、裂隙發育，破碎程度較高。泥質巖類遇水易降級（力學性能降低），開挖過程中易形成崩塌、坍塌、滑坡等災害事故應及時支護，做到開挖一級防護一級。由于本項目高邊坡缺少詳細的勘探資料，應在開挖過程中進行地質挖探，核實坡體結構、巖性，進一步確定邊坡防護類型及相關參數，若發現地質條件與設計不符或存在不良地質應及時向建設單位和設計單位反饋，調整設計、施工方案。而為了對高邊坡的開挖工作進行有效的風險控制，在開挖邊坡之前，應對邊坡穩定性進行分析。

2.2 影響邊坡穩定性的主要因素分析

影響邊坡穩定性的因素主要有坡體巖性、邊坡高度、開挖方法、坡形坡率等。對邊坡變形破壞形式和原因作出判斷后，應制定可行的開挖措施，以免因工程施工影響、惡化邊坡的穩定性。

具體分析，地層和巖性是決定邊坡工程地質特征的基本因素，也是研究邊坡穩定性的重要依據。邊坡的形成、發育和穩定性受地層和魯性控制，所以邊坡的變形和失效具有區域性。在黃土地區，邊坡的變形和失效形式主要是滑坡；在花崗巖和厚層石灰巖風化作用強烈的地區，主要形式是崩塌，但當巖體的節理和裂隙發育，巖體被結構平面切割嚴重時，邊坡變形和失效的主要形式是滑坡。邊坡的滑坡主要是剪切失效，所以巖體的抗剪強度是衡量邊坡巖體穩定性的必要條件。從巖性對力學性能的影響可以看出，堅硬密實的巖塊抗剪強度高，不易滑動，而松散破碎的巖塊抗剪強度低，容易滑動。

對于地質構造和地應力對邊坡穩定性的影響，地質結構主要是指斜坡地質的區域結構、褶皺形態、巖層的發生、斷層和聯合裂隙的發育、區域新構造運動等特征。它對巖體邊坡的穩定性，特別是對巖體邊坡的穩定性有重要影響。在區域結構復雜的地區，邊坡穩定性較差。例如，在我國西南的橫斷山脈地區和金沙江地區的深切割峽谷中，經常出現超大型的滑坡體和滑坡群。在金沙江下游地區，滑坡、崩塌、泥石流、新舊礦床隨處可見。邊坡變形和失效的形式和規模將直接受巖層的褶皺和姿態控制。斷層和斷裂帶對邊坡變形和失效的影響比較明顯。有些斷層或節理裂隙是滑坡的滑動面或界面?？傊刭|結構是影響邊坡穩定性的重要因素。為了評價邊坡穩定性，首先應分析和研究該地區的地質結構背景和新構造運動特征，作為定性評價和定量計算的依據。

2.3 邊坡穩定性的計算分析

邊坡穩定性是鐵路、公路路塹邊坡、隧道洞口邊坡、水庫庫岸邊坡、河道邊坡、拱壩壩肩邊坡和露天礦邊坡等工程建設中常見的問題，關系到邊坡的穩定性。邊坡的不穩定性至少影響到工程的施工進度和質量，最壞的情況下造成人身事故和國民經濟的嚴重損失。因此，無論是哪種類型的土力工程，保證邊坡穩定，防止邊坡失穩都是必須考慮的關鍵問題。因此，邊坡穩定性分析與計算是邊坡研究的核心問題，以確定經濟合理的邊坡組成或分析既有邊坡的穩定性，為制定邊坡加固措施提供可靠的依據。

在分析巖質邊坡穩定性時，應將巖質邊坡分為平面滑坡和空間滑坡。一般而言，位于滑坡表面的滑坡體是一個空間塊體，因此，在大多數情況下，應根據空間滑坡進行分析。然而，對于單個平面或兩個以上平面，只要這些平面的走向大致平行，而且滑體兩側沒有受到約束或約束，就可以用平面滑動(包括圓形滑動)來分析，否則就可以用空間滑動(楔形滑動)來分析。目前，巖質邊坡穩定性分析主要采用極限平衡法、球極平面投影法和有限元分析法。近年來，應力應變分析方法和可靠性分析方法得到了一定程度的發展。然而，極限平衡法在國內外仍得到廣泛的應用。極限平衡法把邊坡穩定問題看作剛體平衡問題，因此有以下基本假設，滑動面可以簡化為圓弧面、平面或折疊面。在穩定性分析中，對于單滑面簡單滑坡，上述基本假設可以完全確定穩定性分析中的未知數。但在復雜狀態下，即用結構面將滑坡體劃分為具有復雜幾何特性的巖塊，因此不能僅用剛體極限平衡法的基本假設來確定大量的未知數。因此，有必要在基本假設之外增加一些額外的假設，其中一些假設作用在兩個塊體之間的界面上的力的方向，其中一些假設作用在界面上的力的分布，還有關于力的位置的假設等等。由于不同的分析觀點和補充假設的方法不同，剛體極限平衡法導出了各種解。雖然這些方法有不同的名稱和不同的補充假設，但它們之間沒有實質性的差異?？偟膩碚f，數值模擬結果表明，自然邊坡的應力場顯示出明顯的山谷應力場受引力場控制。由于邊坡的巖土類型和結構特點。一方面基巖巖性相對堅硬，巖體結構相對完整，另一方面第四紀沉積物和沉積物脆弱、松散、破碎，兩者之間出現異常應力變化區，但正常應力值在相對均勻的地點發生變化。坡體內部最大主應力方向與重力方向接近，坡面附近最大主應力方向產生明顯的偏轉，逐漸向外轉移，使坡體內部應力水平由內向外逐漸降低，坡面位置接近零，局部位置甚至出現拉應力。

從邊坡穩定性的角度來看，所進口的突出位置隧道在蓄水后容易發生變形和破壞。位于隧道上部緩傾斜部位的冰水沉積物出現明顯的拉應力，最大拉應力可達500kPa 以上。顯然，由中等密實礫質土構成的冰水沉積物將很難承受如此大的拉應力。水軟化作用對前坡巖土體的影響和地下水運動引起的孔隙水壓力的影響，將導致邊坡巖土體產生剪切破壞。此外，從蓄水后岸坡變形的角度來看，位于隧道進口區的冰水沉積物發生了明顯的變形，同時也逐漸形成了連續的剪切應變增量集中的貫通帶。這標志著岸坡體內部潛在不穩定滑動面的形成。

2.4 智能算法的設計

由于邊坡組成材料的復雜性和多樣性，難以用確定性分析方法進行準確的綜合評價，傳統的極限平衡法和數值分析法以安全系數作為評價邊坡穩定性的確定性評價標準，以客觀、準確地評價邊坡的穩定性,在邊坡安全系數大于1、邊坡穩定性小于1的情況下，有必要對邊坡穩定性進行研究。近年來，人們嘗試運用數學理論，逐漸形成了一些新的穩定性分析方法，并取得了很大進展，如模型與綜合評價方法的快速發展、灰色系統理論評價方法、人工神經網絡分析方法、模型與綜合評價方法等。大量工程實踐表明，邊坡穩定性影響因素與邊坡穩定性之間的界限實際上是非常不確定的，具有相當大的模量。模糊綜合評判通常找出影響邊坡穩定性的主要因素，對其進行分類和分類，然后根據專家評判方法或層級分析法確定其權重值，最后選擇適當的隸屬函數，根據最大隸屬度原則確定邊坡的穩定等級。該方法的優點是在大型邊坡的整體穩定性評價中比傳統方法具有明顯的優勢，但在具體操作中適當的隸屬函數選擇以及權重分配往往具有很強的主觀隨機性。

本文提出了一種基于近景攝影測量技術的邊坡穩定性智能監測系統。系統主要由近景攝影測量模塊、靜態穩定性分析模塊、動態預測模塊和數據管理模塊四部分組成。在第一個模塊中，控制點均勻布置在斜坡上，測量其三維坐標，拍攝斜坡照片，然后對照片和野外數據進行室內處理，得到許多真實的三維坐標，再利用這些三維坐標建立地表剖面、 DEM、 TIN 等地質模型。第二個模塊在第一個模塊生成的表面剖面上建立極限平衡模型，得到邊坡的安全系數。在第三個模塊中，通過計算監測點在一段時間內的三維坐標，得到監測點的位移，作為動態預測模型的輸入參數，對監測點的未來值進行預測，得出監測點的運動規律。根據這些規律，可以推導出邊坡的運動或趨勢，從而對滑坡災害進行預測和評價。第四個模塊對整個系統的文本數據、圖片、模型和結果進行存儲和管理，通過提供一個有效的后端數據庫實現一些自動化操作。該系統有兩項創新: 一是采用近景攝影測量技術，基于非接觸多基線攝影測量方法，能自動分解大量三維坐標。與傳統的人工測量方法相比，該方法具有適應測量條件差、減少野外工作量等優點，更重要的是提供了更多的表面信息; 另一個優點是系統中的邊坡穩定性靜態分析與動態預測有機地聯系在一起，而現有的系統大多只考慮邊坡當前的穩定性，因此系統的結果更加可靠和可預測。該監測系統采用了圖像處理、可視化技術、數據管理和建模等計算機技術，具有較高的集成度和自動化程度，能夠為工程人員提供可靠的決策支持。我國地質災害十分脆弱，滑坡災害造成的人員傷亡和經濟損失巨大，因此滑坡災害的評估和預測對經濟發展具有重要作用。滑坡具有多樣性、復雜性和多因素性等特點，需要采用新的方法特別是非接觸方法進行處理。經過兩年多的研究和實驗，我們的研究小組已經將該系統集成在一個露天礦上，并取得了成功。該系統除了具有前面提到的兩個創新之外，還具有以下優點: 一是充分利用可視化技術，使界面更加美觀直觀，操作更加方便，了解不同模型的結果以及使用三維數字產品更加方便; 二是與遙感、航拍等現有的非接觸式監測技術相比，具有更高的精度和經濟效益; 三是具有良好的可擴展性和移植性，可用于橋梁、道路、隧道、大壩的健康監測或穩定性監測等其他工程領域。

3 結束語

綜上所述，邊坡穩定性分析與評價一直是邊坡工程的重要核心內容之一。它也是目前邊坡工程的一個研究熱點。邊坡穩定性分析的一般步驟是: 實際邊坡-力學模型-數學模型-計算方法-結論。其核心內容是力學模型、數學模型和計算方法的研究，即邊坡穩定性分析方法的研究。不同的邊坡工程往往存在于不同的工程地質環境中，不同的邊坡穩定性分析方法各有特點。因此，如何根據具體的邊坡工程地質條件選擇合適的邊坡穩定性分析方法值得思考。

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