邊坡穩定性評價方法研究現狀與發展趨勢

李元松，王 玉，朱冬林，閆海濤，戴 哲

1.武漢工程大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢430074；2.中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢430052

長期以來，穩定性評價一直是邊坡工程的重要工作內容。邊坡失穩破壞是一種復雜的地質演變過程，賦存地質環境的差異性、邊坡內部結構的復雜性和邊坡圍巖性質的離散性，造成邊坡破壞模式千差萬別，相應適宜的邊坡穩定性評價方法迥異［1-3］。各種方法均含有其內在的基礎假定、適用范圍與邊界條件，常常導致因方法選擇不當或錯誤，造成工程事故頻發。近年來，隨著計算機技術和測試技術的進步，系統論、信息論和控制理論的發展以及人工智能的開發，逐步補充與完善現代巖土力學理論，促進了邊坡穩定性評價方法的發展。評價方法的選擇與評價結論密切相關，對邊坡工程的設計與施工至關重要。

本文在分析總結近年來邊坡穩定性評價方法最新研究成果的基礎上，從涉及到的基礎學科，對邊坡穩定性評價方法進行分類，旨在為合理選擇邊坡穩定性評價方法提供借鑒，為進一步的研究厘清方向。

1 邊坡穩定性評價方法分類

邊坡穩定性評價方法分類的目的是厘清學科門類，闡明基礎假設條件，探討變形破壞模式，篩選影響因素，分析適用范圍與條件，對邊坡工程的設計與施工恰當地選用評價方法具有現實的指導意義。傳統的邊坡穩定性評價方法分為兩大類：定性評價法與定量評價法。黃昌乾等［4］根據量化程度將邊坡穩定性評價分為定性分析法、定量分析法、非確定性分析法、物理模型法和現場監測分析法等5類；程東幸等［2］將邊坡的穩定性評價方法分為安全系數法、閾值法、相關性分析法和模擬試驗法等4類。作者認為從基本原理的學科門類、假設條件和分析技術的角度分類更能反映邊坡穩定性研究方法的發展歷程和涉及到的學科門類，更有利于方法的選擇，可將邊坡穩定性評價方法分為工程地質定性分析法、工程力學理論分析法、應用數學理論分析法、試驗模擬法和現場監測分析法等5類。

1.1 工程地質定性分析法

工程地質定性分析法是邊坡穩定性評價中起源最早，主要用于工程早期確定方案時的一種定性評價方法。包括：自然地質歷史法、工程地質類比法、圖解法、范例推理法、專家系統法和巖體質量分級法等。

1.2 工程力學理論分析法

工程力學理論分析法包括極限平衡法、塑性極限理論、數值分析法和反演分析法。

1.3 應用數學理論分析法

應用數學理論分析法包括相關性分析、可靠性分析、模糊、粗糙、可拓與集對分析、人工神經網絡法和其它非線性理論。

1.4 試驗模擬法

試驗模擬法包括地質模型試驗法、光彈性材料模型試驗法、傾斜臺面模型試驗法和離心機模型試驗法。

1.5 原位監測分析法

原位監測分析法包括邊坡表面變形測量、攝影、紅外遙感和激光掃描、合成孔徑雷達干涉測量、TDR測量技術、微震與聲發射技術與鉆孔測斜儀、多點位移計、錨桿（索）測力計和地下水壓監測儀、土壓力計等。

2 邊坡穩定性評價方法研究現狀

2.1 工程地質定性分析法

工程地質定性分析法以工程地質勘察資料為基礎，分析邊坡圍巖體的地質成因，篩選出主要影響因素，建立邊坡工程地質模型，推測其變形破壞模式，定性評判穩定性狀態及其演變趨勢。工程地質定性分析法的理論基礎是地質成因，工程地質類比、巖體結構控制和人工智能算法。對于地質條件相對簡單的巖土質邊坡，該法可直接得出可供工程設計和施工的結論；對于地質條件相對復雜的情形，該法在確定滑坡模式和變形機制方面具有明顯優勢，可為進一步定量計算邊坡穩定性奠定基礎。常用的工程地質定性分析法及其特點見表1。

表1 邊坡穩定性定性分析法及其特點Tab.1 Qualitative analysis methods of slope stability and their characteristics

邊坡工程數據庫是工程地質定性分析法的一種高級形式，它按照一定的格式，將邊坡案例的地質環境特征、主要影響因素、破壞模式和加固處治方案等信息有機組織在一起，用于統計、查詢、信息交流，借助于多層次的數值運算與邏輯推理，實現對研究邊坡的穩定性評價。目前，發展相對成熟的方法主要有專家系統與范例推理法。

邊坡專家系統是一套智能化程序，以邊坡工程知識庫為基礎，利用智能化的推理模擬人腦的思維過程，消化吸收專家庫中的知識，通過對比判斷尋求解決問題的技術方案，同時，專家系統可建立計算模型，結合不同專家的經驗進行推理和決策，對所研究的邊坡進行穩定性評價。目前，如何有效獲取專家知識、推理規則的不完備性與結果的多解性問題未能很好地解決。

范例推理也是一種機器學習方法，其基本推理過程為［5］：①根據問題特征從范例庫中選擇一組與待評邊坡相似的實例，檢索其解決方案，提供給用戶；②根據問題的特點進行修改以形成新問題的解決方案；③經驗證后的方案作為新范例存入實例庫，以備后用。范例推理與專家系統的共同特點都是采用過往經驗和方法，經過對比和聯想獲得當前問題的求解方案，其主要區別在于：專家系統是利用專家的知識與判斷規則，而范例推理則以范例為基礎。范例具有整體綜合性，規則具有嚴密的邏輯性，范例比規則更易理解與操作，從而簡化了邊坡穩定性評價過程。但隨著邊坡范例不斷增多，將會引起多解與岐義，甚至不相容，這些問題還有待進一步研究解決。

2.2 工程力學理論分析法

2.2.1 極限平衡分析法 極限平衡法假設邊坡處于極限平衡狀態時存在滑移面，并沿滑移面將邊坡劃分成若干條塊，建立條塊之間的極限平衡方程，求解方程可得穩定性系數。極限平衡法是由彼德森提出，后來Fellenius，Taylor，Bishop，Janbu，Morgenstern-Price，Spencer和Sarma等很多學者致力于對條分法的改進。其中，中國巖土工程相關規范推薦的剩余推力法，適用于任意形狀的滑裂面，而假定條間力的合力與上一條土條底面相平行，根據力的平衡條件，逐條向下推求，直到最后一條的推力為0。目前研究的重點在于對各種經典方法的收斂性問題進行分析，并以此為基礎研究通用條分法。陳祖煜［6］、朱大勇［7］、鄭宏［8］等做出了突出貢獻。極限平衡法力學模型簡單明了，可給出定量結果，但需人為假定潛在滑移面，無法考慮邊坡體中的應力、變形狀態，對于均質土坡計算結果較好。極限平衡法需人為假定條塊之間的作用力方向和位置，對于由復雜介質和邊界組成的巖土質邊坡，其計算結果誤差較大。

2.2.2 極限分析法 與條分法不同，塑性極限分析具有嚴格的理論基礎，它將坡體視為服從塑性流動規則的理想材料，假定外力所做的功等于潛滑面上阻力所消耗的功，利用塑性極限分析原理，求得邊坡極限承載力與穩定性系數。塑性極限分析由Drucker和Prager提出，潘家錚［9］、Donald［10］和陳祖煜［11］等分別做了改進。早期的極限分析方法只能求解理想條件下邊坡穩定問題，且只能給出邊坡穩定性系數的范圍值。趙尚毅等［12］深入研究了強度折減法的計算精度、影響因素與邊坡失穩判據，提出了基于強度折減的極限分析有限元法，該法能夠保證得到真實穩定系數的下限值，因而得到業界的廣泛應用。

2.2.3 數值分析方法 隨著計算機技術的發展，各類數值方法不斷涌現：有限差分、有限單元、邊界單元、離散單元、不連續變形、無單元、快速拉格朗日、流形元等方法在邊坡穩定性分析中得到廣泛應用。

在為數眾多的數值計算方法中，有限元法最早應用于邊坡穩定性分析，是一種較為成熟、應用最為廣泛的數值方法。因其能考慮坡體的應力變形，理論嚴密，能模擬巖（土）-支護結構的共同作用，對復雜邊界條件與多場耦合計算具有獨特優勢。有限元法用于邊坡穩定性分析主要有兩種情形：一是先假設滑移面，基于滑面應力分析，將極限平衡與有限元計算相結合求得特定滑移面對應的邊坡穩定性系數。該方法以有限元應力分析為基礎，計算過程簡單，便于應用，缺點是不易搜索最容易出現的潛在滑移區域和破壞演變過程；二是基于強度折減的有限元法，其基本原理是將強度折減概念、極限平衡與有限元原理相結合。許多學者在這方面做了大量的工作［13-15］。

離散單元法和FLAC3D在解決離散、非連續和大變形問題方面有其獨到之處，其不足之處是缺乏嚴密的理論基礎。DDA、流形元、PFC、RFPA等數值方法也廣泛應用于邊坡穩定性分析，促進了人們對邊坡破壞失穩機制的認識。

2.2.4 邊坡巖土體力學參數反演 邊坡失穩機制復雜，巖土力學分析所需的參數很難準確給出。基于監測數據的反演分析為尋找計算分析所需的模型與參數提供了一種有效途徑。目前，通過有限元法和優化方法結合，可有效確定邊坡圍巖體彈性變形參數（E、μ），而搜索邊坡圍巖體強度參數（c、φ）反演的目標函數難以確定［16］。工程中通常在巖體節理統計和質量分級的基礎上，進行經驗類比。比如各種質量分級系統，Hoek-Brown準則［17］、破壞概率分析［18］和隨機模糊分析［19］等方法，其共同點都是對室內試驗強度指標的適當折減和加權平均。由于工程巖體復雜性和現場監測的局限性，上述分析方法只能給出巖土體強度參數的取值范圍。

近年來多位學者對反饋分析法進行了研究和改進。馮夏庭等［20］結合人工智能、系統科學、巖石力學與工程地質學等多學科交叉，提出了巖石工程安全性的智能分析評估和巖石力學參數反分析方法。朱維申等［21］結合工程現場的開挖進程開展反饋應用分析等。

2.3 應用數學理論分析法

2.3.1 相關性分析法 相關性評價方法以既有邊坡狀態為參考，在工程地質環境、主要影響因素相似的條件下，計算已知邊坡與待評邊坡的關聯度，待評邊坡的穩定狀態取與既有邊坡關聯度最大的狀態。該方法的特點是能夠求出影響因素之間的關聯度，進而分離出各因素對邊坡的影響程度。其典型代表是灰色關聯度法，該方法利用灰色關聯分析，在數據有限、信息缺失的實測數據序列中，通過數據處理，找出各因素間的關聯性，通過關聯度排序，篩選出主要影響因素。因此該法特別適用于數據有限、無原型、復雜且具有多重不確定性的邊坡工程問題的分析與評價。陳新民［22］、劉春［23］等先后應用基于經驗的邊坡穩定性灰色系統分析方法，所得結果與邊坡實際狀態相一致。

2.3.2 可靠性分析方法 可靠度理論將邊坡工程地質環境條件、巖土體力學性質等計算參數等視為隨機變量，采用恰當的分布函數描述，用可靠度指標和失效概率來評價邊坡安全度。應用方法主要有一次二階矩法、統計矩法、蒙特卡洛法和隨機有限元法。可靠性分析應用于邊坡穩定性分析有許多成功案例［24-25］。但使用可靠性分析方法需要大量的樣本以獲取隨機變量的分布類型與統計參數，而實際樣本數量有限；另外，大量的工程實踐證明，即使對于簡單的邊坡穩定性功能函數，計算邊坡失效概率也比較繁瑣，而且實際邊坡穩定性分析模型可能是非線性的或是非常復雜的。因此，可靠性理論雖然嚴密，但其推廣應用仍有待時日。

2.3.3 模糊、粗糙、可拓與集對分析 模糊數學、粗糙集、可拓學與集對分析與灰色系統理論、神經網絡理論均為現代應用數學的研究成果，分別在不同的學科領域得到廣泛應用，并取得令人矚目的成果。

模糊數學的典型應用就是模糊綜合評價，其目標是對邊坡穩定性分級，利用層次分析法［26］等方法確定影響因素的權重，通過構造隸屬函數，建立模糊評價矩陣并按隸屬度最大原則判斷邊坡穩定性。實踐證明［26-27］，模糊綜合評判為多層次、多因素影響的邊坡穩定性快速評價提供了行之有效的方法，但因分析中權重的取值帶有經驗性和主觀性等問題，該方法主要應用于工程建設初期對邊坡的整體穩定性做出定性評價。

粗糙集是一種處理不確定和不完整知識的數學工具，其核心思想是利用知識庫，將不精確或不確定的信息用集合近似描述。粗糙集與模糊集的主要區別在于，模糊集在確定隸屬函數時，具有一定的主觀先驗性，而粗糙集的邊界近似是通過數據計算所得，具有客觀性。因此兩者在處理不確定性信息方面具有很強的互補性。于懷昌等［28］將粗糙集理論用于邊坡穩定性影響因素敏感性分析，喬建剛等［29］將粗糙集理論用于邊坡穩定性評價中因素權重確定，都取得滿意的效果。

可拓學理論最初由蔡文等于1983年創立，可解決多種參數混合但是未相容的矛盾系統問題。可拓學理論的基礎是物元，物元具有共軛性、發散性、相關性和可擴性等基本特性。這些特性可通過事物內外、平行變通、組合和分解等多種方式提供拓展的可能性，從而構成物元的可拓性。邊坡安全可拓評價有兩部分組成：描述層可拓評價和目標層可拓評價，前者是后者的前提和基礎。談小龍等［30］和黃奇等［31］將可拓方法分別用于水電站高陡巖質邊坡與公路土石邊坡安全綜合評價，其結果與工程實際情況高度吻合。

集對分析的核心概念是集對和聯系度。集對分析將研究邊坡視為一個確定或不確定系統，進行同異反分析，將系統的不確定性用聯系度描述，從而將邊坡穩定性的不確定性轉化成定量分析。即據待評邊坡的實測數據與同異反判斷標準進行比較，計算出待評邊坡實測值與邊坡穩定性等級的聯系度，進而定量評價邊坡的穩定性。集對分析法與灰色關聯度分析類似，因其重視信息處理的相對性和模糊性，且評價原理和結果直觀、準確，能提高信息的利用率，從而保證評價結果的可信性［32］。

2.3.4 人工神經網絡法 人工神經網絡是一種模仿動物神經網絡行為特征，進行分布式并行信息處理的算法數學模型，其特點是并行處理、分布式儲存、容錯性、自學習、自組織、自適應和優化計算等。神經網絡將各種影響因素作為輸入變量，將邊坡安全系數作為輸出變量，建立它們之間的非線性映射模型，然后用模型評價邊坡的安全性［33］。用于巖土工程中的神經網絡模型主要有Hofield模型、BP模型及自組織映射模型等。神經網絡方法解決問題依賴于神經網絡結構的確定（目前還無有效的方法），而訓練樣本數、收斂速度難以控制等都可能影響模擬效果；難以用訓練好的神經網絡輸入輸出映射關系解釋實際意義的預測判據與規則［34］。

2.3.5 其它不確定性分析方法 目前，除了以上介紹常用的不確定性分析方法外，分形理論、系統工程分析法、多源信息融合理論、非線性能量耗散理論，突變、分叉與混沌理論、損傷斷裂力學與漸進破壞理論等也不同程度應用于邊坡穩定性分析中，為邊坡穩定性分析及預測提供了新的途徑。

2.4 試驗模擬法

物理模型試驗是一種出現較早、直觀形象、理論成熟的邊坡穩定性分析方法，它主要包括地質力學模型試驗、光彈性材料模擬試驗、傾斜臺面的模型試驗和離心機模型試驗等。研究人員很早開始利用各種模型試驗方法探索邊坡失穩破壞機制［35-37］。

其中，離心模型試驗可調整離心力與重力等效，保證模型與原型應力相等、變形相似、破壞機制相同，可再現原型的工程特性，同一模型可以完成彈性、彈塑性以至破壞失穩各個階段的模擬，充分展示邊坡破壞機制與變形演變過程，且可全程測量應力和變形，還可求得超載安全系數等，是一種理論嚴格、結果可直接用于工程設計的方法［38］。但是，離心機模擬試驗與其它模擬方法相比，要求模型材料具有彈性模量、容重多樣，模型與原型材料的本構關系完全相似，對模型尺寸、精度、測量方法和技術要求嚴格，費用較高等，在某種程度上限制了其發展［39］。

2.5 原位監測分析法

因地質條件復雜和影響因素眾多，邊坡穩定性分析離不開原位監測進行控制和驗證。目前，國內外常用的監測儀器和方法有：①邊坡表面變形測量，包括：經緯儀、水準儀、光電測距儀、全站儀、GPS監測、攝影、紅外遙感和激光掃描；②合成孔徑雷達干涉測量；③時間域反射（time domain reflectometry，TDR）測試技術；④坡體內部的鉆孔傾斜儀、多點位移計，錨桿（索）測力計和地下水壓計、土壓力計等；⑤微震與聲發射監測技術。其中，方法①～方法②主要監測邊坡表面變形，方法③～方法⑤主要監測邊坡體內部的應力和變形。TDR技術通過監測埋入邊坡體監測鉆孔內同軸電纜的變形狀態，獲取坡體地表以下的變形信息，具有定位準確和全孔連續觀測等優點［40］。近年來微震與聲發射技術能及時發現巖體內部破裂區域、強度及其演變過程，具有實時在線監測等功能，從而在邊坡穩定性評價方面得到了廣泛的應用［41-42］。

原位監測通過各種傳感器捕捉邊坡體內外變形、應力以及能量耗散等信息，借助上述不同的分析模型，評估邊坡的穩定性狀態，預測其變形發展趨勢。常用的預報模型包括統計歸納法、時序分析法、灰色理論、神經網絡、Green-Ampt模型、突變理論和混沌理論等非線性預測模型。目前，預測預報的“瓶頸”仍然是判據的確定［43-44］。

3 存在的問題與發展趨勢

3.1 邊坡穩定性評價存在的問題

1）對邊坡工程地質模型認識不足，對基礎工程地質工作不夠重視。很多人熱衷于應用數學、工程力學、不確定性理論或人工智能理論的研究，力求給出量化結論的評價方法，而輕視工程地質勘察、地質模型的概化和變形破壞機制的理解等影響邊坡穩定的內在因素。在邊坡穩定性分析中，最關鍵的是查明邊坡災害形成的地質環境條件。對邊坡工程地質模型認識不清，將會導致力學、數學模型概化出現較大偏差，進而導致計算結果偏差，甚或錯誤。

2）對影響邊坡穩定性的因素研究不足。邊坡穩定的影響因素是多方面的，如邊坡圍巖性質、地質構造、地表降雨、地下水和人工開挖等。在工程實踐中，往往因未弄清邊坡變形失穩的主要因素，對穩定性狀態做出誤斷，導致治理方案針對性不強，造成工程的巨大浪費，或出現防治工程的失效。

3）評價方法不完善。如定量評價中總體安全系數與可靠性分析法中的可靠度指標或失效概率之間的對應關系難以統一；現有的定量評價法，無論極限平衡法和塑性極限分析法，還是有限元強度折減法，起決定作用的參數是c、φ值，而對于邊坡工程而言，如何獲取能反映邊坡巖土體真實特性的c、φ值，目前尚缺少有效的方法。現有的應用數學方法考慮因素過于單一，不能真實反映邊坡巖體的內在特性，又或者過于復雜而不便應用。尋求既能綜合概述邊坡巖土體變形、演化以致破壞的主要特性，又能包含參數簡單、便于獲取的評價方法，仍然是邊坡穩定性研究人員面臨的困境。

3.2 邊坡穩定性評價發展趨勢

1）邊坡失穩機制與變形破壞模式仍然是邊坡穩定性評價方法研究的根本問題。邊坡巖土體既非傳統意義上的連續介質，也不完全是分布均勻的散狀顆粒；單純的工程地質方法與連續介質力學方法均很難模擬邊坡的變形破壞演變過程。邊坡失穩的發展是一個漸變的過程，引起滑坡漸進性破壞的原因十分復雜，包括應力應變場的不均勻分布、巖土材料的應變軟化、巖土介質的空間變異性以及軟弱夾層、裂隙結構的存在。因此，針對邊坡的工程地質環境特征和地質演變的歷史階段，研究如何分區、分階段選擇不同的變形模式與力學參數，建立對應的邊坡穩定性判斷準則，進行邊坡穩定性評價，仍然是巖土工程研究的核心課題。

2）多種分析方法聯合并用仍然是巖土工程現階段通用做法。由于構成邊坡地質環境的復雜性與人們認識的局限性，基于工程經驗的范例推理和剛體極限平衡以及連續變形體理論，只能反映問題的某一側面。利用統一原理、單一判據與簡化模型的方法具有一定的局限性。將兩種或多種方法融合起來，取長補短，相互佐證是未來發展的一種趨勢。

3）多學科的交叉協作。巖土工程是在地質工程、結構工程基礎之上發展起來的一門新興的應用性邊緣學科。邊坡穩定性分析在應用基礎學科（如固體力學、地質力學、斷裂力學、計算力學）中的理論、技術和方法的同時，也需引進、吸收新興的信息技術、計算機技術、智能控制理論等多學科的理論、技術與方法。不僅要沿用傳統的正向思維，根據試驗建立模型，在特定條件下求解，也要進行逆向思維，如位移反演，先以實測的位移值為依據經非線性反常分析求出初始地應力與巖土體計算參數，再反過來應用于工程穩定性分析；重視非線性理論的研究與應用，可靠性理論、神經網絡、模糊理論、粗糙集、灰色關聯度理論等應用數學的最新成果必將為邊坡穩定性評價的“瓶頸”突破開辟新的途徑；綜合采用理論分析、數值模擬、物理模擬和現場測試等多種分析手段，在引用、借鑒其他學科成果時，更應關注巖土材料、結構和邊坡工程的特殊屬性。

4）邊坡監測與多源信息融合的應用研究。邊坡穩定性評價仍離不開現場監測，監測數據既是邊坡穩定性研究的基礎，同時也是治理效果的驗證與評價依據。將傳統的監測方法與3S技術、TDR技術、聲發射技術、數字攝影和無人機技術相結合，從邊坡表面變形監測到坡體內部空間非接觸、全遙控、高精度和實時的綜合監測技術開發與應用是未來邊坡監測的發展趨勢［45-46］。

5）基于BIM與數據庫技術的集成智能評價系統的開發與研制。隨著智能時代的到來，以BIM為核心理念的三維數字化設計技術和三維協同理念的出現，給邊坡工程設計效率和質量提供了新的驅動力［47-49］。建立典型邊坡工程案例數據庫，根據特定邊坡的地質環境特征，采用定性方法（如案例推理法）對邊坡穩定性進行初步評估；以BIM為平臺建立三維地質模型，將邊坡的勘察、試驗數據賦予3D模型，根據特定邊坡的變形破壞模式、主要影響因素，針對性地選擇一種或多種適宜的評價方法（如極限平衡法或數值分析法）進行精細化分析；最后根據監測數據驗證與預測邊坡穩定性，評估不穩定邊坡加固效果。開發與研制集傳統的定性、定量和不確定性評價方法為一體的綜合智能評價系統，為邊坡工程的勘察、設計、施工以及后期的運營管理提供全面準確信息，將成為邊坡穩定性研究未來的發展方向。

4 結 論

邊坡巖（土）體是由地質作用形成，受多因素影響、隨時空變異的復雜系統，該系統具有數據有限、無原型、隨機可變性和模糊不確定性等特點，而且隨著大數據和信息化技術的發展，社會對工程建設要求的不斷提高，各種復雜工程邊坡相繼出現，傳統的定性分析或定量計算都難以真正解決邊坡穩定評價問題。將定性方法、定量方法與不確定性方法有機結合，充分利用相關學科（現代應用數學、現代應用力學、計算機技術、物聯網技術，信息技術、BIM與數據庫技術等）的發展成果，建立工程地質、巖土體參數和典型邊坡工程案例數據庫，開發融人工智能、大數據分析、深度學習于一體，具有監控量測、室內外試驗數據分析、工程地質模型建立、破壞模式和參數識別等功能的綜合集成智能分析評價系統是未來邊坡穩定性評價方法的發展趨勢。