邊坡穩(wěn)定性分析與治理發(fā)展現(xiàn)狀

王 磊

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 1.理學(xué)院；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)土木工程結(jié)構(gòu)與力學(xué)重點實驗室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

邊坡失穩(wěn)是一種常見的地質(zhì)災(zāi)害，它是指山體斜坡上的部分巖土在自重作用下，沿著一定的薄弱面(帶)產(chǎn)生剪切位移而整體向斜坡下方移動的現(xiàn)象[1]。邊坡穩(wěn)定性的治理對保障人民財產(chǎn)安全具有重要意義，所以它是工程地質(zhì)學(xué)中一直被關(guān)注的研究領(lǐng)域。本文將從邊坡失穩(wěn)的成因、影響因素、治理方法以及實施難點等方面進(jìn)行論述，指出實施過程中存在的難點，并對未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行展望，為邊坡穩(wěn)定性治理提供參考。

1 邊坡失穩(wěn)的影響因素

邊坡失穩(wěn)是一個十分復(fù)雜的地質(zhì)災(zāi)害過程，受多種因素影響。這些因素主要包括巖土類型，地形地貌和地質(zhì)構(gòu)造以及水文特征等內(nèi)部因素；還包括降雨、地震、人類活動等外部因素。這些控制因素對于邊坡的穩(wěn)定有非常重要的影響[2-3]。

1.1 巖土類型

巖土體是產(chǎn)生滑坡的物質(zhì)基礎(chǔ)。一般來說，各類巖土都有可能構(gòu)成滑坡體，其中由于風(fēng)化作用或者水的作用造成的疏松劣化和抗剪強度降低的土體，如粘土、泥巖、頁巖以及板巖等等，都是容易發(fā)生滑坡的土體[4]。

1.2 地形地貌和地質(zhì)構(gòu)造

地形地貌主要指的是斜坡的傾角和高度等幾何特征。斜坡越陡峭，斜坡上巖體的沿坡面的重力分量越大，滑坡發(fā)生的驅(qū)動力就越大。當(dāng)土質(zhì)邊坡高度大于20m小于100m或巖質(zhì)邊坡高度大于30m小于100m的邊坡稱為高邊坡[5]，高邊坡的穩(wěn)定性分析和防護加固工程設(shè)計應(yīng)進(jìn)行專門的設(shè)計計算。

地質(zhì)構(gòu)造主要是指巖體中可能引起滑坡的薄弱層與斜坡面的平行或傾角較小時，就可能發(fā)生滑坡。這些薄弱層包括節(jié)理、裂隙、分層、斷層發(fā)育的斜坡等[6]。

1.3 水文特征

降雨和河流等地表水的作用，很容易沖刷和浸泡斜坡，形成薄弱層。從滑坡發(fā)生的統(tǒng)計數(shù)據(jù)中可以看出，大多數(shù)滑坡發(fā)生在雨季期間[7]。地下水位會在內(nèi)部產(chǎn)生測向水壓力和上浮力，并降低滑動破壞面的摩擦力，增加邊坡失穩(wěn)的可能性。

1.4 地震力

當(dāng)受到地震作用時，巖坡由于慣性力的作用，導(dǎo)致靜態(tài)條件下穩(wěn)定的巖坡在動力荷載作用下發(fā)生失穩(wěn)。地震荷載作用下，水平加速度沿滑動破壞面的分量將增加驅(qū)動力[8]。

1.5 人類活動

天然斜坡受到人類活動的干擾，往往會誘發(fā)邊坡失穩(wěn)。主要的人類活動包括公路鐵路建設(shè)，在斜坡上建造建筑物及其他土木工程構(gòu)筑物。其中，公路鐵路建設(shè)需要開辟山體，很多情況下，斜坡都是以非計劃的方式進(jìn)行切割，以致產(chǎn)生了沒有支撐的陡峭斜坡[9]；在斜坡上建造建筑物及其他土木工程構(gòu)筑物，會增加斜坡的附加荷載，比如大壩和在斜坡上建造的工業(yè)和居住區(qū)，這種附加荷載將直接增加邊坡的重量，導(dǎo)致邊坡破壞的可能性增加。

2 邊坡穩(wěn)定性分析和治理措施

2.1 穩(wěn)定性分析

目前，邊坡穩(wěn)定性分析的方法較多，基本上可以分為定性分析法、定量分析法和不確定性分析法。其中定性分析法包括自然歷史分析法，工程地質(zhì)類比法和圖解法等。定量分析法包括極限平衡法和數(shù)值分析法等。不確定性分析法包括可靠度分析方法、模糊綜合評價法和灰色系統(tǒng)評價法等。

2.1.1 定性分析法

定性分析法主要是利用現(xiàn)有的工程地質(zhì)條件，通過綜合分析快速對邊坡破壞的可能性和破壞方式進(jìn)行定性評估，給出初步的穩(wěn)定性判斷結(jié)果。其中需要考慮的地質(zhì)條件主要包括地形地貌條件、水文條件、新構(gòu)造運動、氣候及人類活動等。定性分析法常用的方法主要是指類比法、圖解法以及自然歷史分析法等[10]。

一般情況下，定性分析法可以應(yīng)用于大范圍和簡單情況下的邊坡穩(wěn)定性研究[11]。特別是在多坡路段的道路工程中，需要進(jìn)行大量的坡面調(diào)查，這些方法是非常有用的。這些方法也為邊坡穩(wěn)定的初步設(shè)計提供了建議。但是對于復(fù)雜的情況，涉及到可變坡度的幾何和地質(zhì)條件，這些方法不能應(yīng)用。

2.1.2 極限平衡法

在邊坡穩(wěn)定性分析中，極限平衡法是應(yīng)用最廣泛的方法之一。極限平衡法[12]是通過有滑動趨勢的邊坡巖體的各種驅(qū)動力和抗力之間的平衡條件來分析其穩(wěn)定性的。隨著研究的不斷深入，目前常用的極限平衡分析方法有多種，最典型的有瑞典條分法、Bishop條分法、Janbu法、Sarma法、Spencer法和不平衡推力法等。

極限平衡方法的應(yīng)用很簡單，并且容易從現(xiàn)場收集到分析所需的數(shù)據(jù)。但是極限平衡法的局限是所作的假設(shè)過于簡單化，無法考慮邊坡以及支護結(jié)構(gòu)的位移和變形協(xié)調(diào)關(guān)系，使計算結(jié)果存在誤差[13]。

2.1.3 數(shù)值方法

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值方法由于考慮了土的非線性應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，而得到了極大發(fā)展。數(shù)值方法的優(yōu)點是能算出邊坡內(nèi)部的應(yīng)力場和位移分布，更好的考慮了邊坡幾何形狀的復(fù)雜性、地質(zhì)構(gòu)造的非均質(zhì)性、沿破壞面剪切強度的變化、水資源分布不均勻，附加荷載和地震荷載分布不均勻等特點[14]。一般而言，數(shù)值方法包括連續(xù)、非連續(xù)和混合方法[15-16]。

連續(xù)介質(zhì)模型方法可以應(yīng)用于巖體相對均勻的邊坡，可以認(rèn)為整個邊坡是連續(xù)的巖體。在穩(wěn)定性分析中，可以通過控制多個參數(shù)來模擬邊坡的變形和破壞，例如，本構(gòu)模型、載荷、抗剪強度、地下水等。連續(xù)介質(zhì)模擬方法的主要局限性在于將巖體定義為連續(xù)體，需要對其進(jìn)行簡化。因此，這種簡化對最終結(jié)果有很大影響[17]。非連續(xù)介質(zhì)模型適用于含不連續(xù)面的非連續(xù)巖體，其破壞機制受已有不連續(xù)面的控制[18]。建模需輸入的數(shù)據(jù)包括邊坡的幾何形狀、不連續(xù)面特性、不連續(xù)面的抗剪強度和剛度、巖土應(yīng)力和地下水?dāng)?shù)據(jù)。混合建模方法是綜合利用了連續(xù)和非連續(xù)兩種方法。巖體的強度是巖石節(jié)理的強度和節(jié)理之間完整巖石的強度的綜合作用。在混合建模方法中，可以考慮復(fù)雜的坡度和不連續(xù)的幾何形狀[19]。

2.1.4 不確定性分析方法

不確定性分析法包括可靠度分析方法、模糊綜合評價法和灰色系統(tǒng)評價法等。這類分析方法，主要考慮了邊坡計算的不確定因素，利用各種交叉學(xué)科的優(yōu)勢來評價邊坡的綜合穩(wěn)定指標(biāo)。

概率方法基于極限平衡法理論，并系統(tǒng)地考慮了不確定性參數(shù)的作用，并以概率值定義邊坡的穩(wěn)定性條件[20]。對于概率方法，對不確定性參數(shù)采用合適的取值，是決定該方法適用性和可信度的首要問題。這種方法需要收集分布在斜坡上的詳細(xì)參數(shù)數(shù)據(jù)，這是該方法的一個主要限制。

模糊綜合評價法是考慮到不同類型的邊坡，影響其穩(wěn)定性的因素各不相同，且這些因素對邊坡穩(wěn)定性的影響程度也是不同的。因此對每一個因素賦予不同的權(quán)值，區(qū)分各因素在總的評判中的地位和作用。再根據(jù)隸屬函數(shù)，對邊坡進(jìn)行綜合評判，確定其穩(wěn)定狀況。但其缺點是在實際操作過程中，權(quán)值的分配帶有一定的經(jīng)驗性和主觀性[21]。

灰色系統(tǒng)理論[22]主要是利用灰色關(guān)聯(lián)度分析原理，將影響邊穩(wěn)定性的確定和不確定因素，建立灰色量數(shù)學(xué)模型，從而確定邊坡各影響要素的比重大小，繼而分析邊坡的穩(wěn)定性。該法直觀簡便，可操作性強。

2.2 治理措施

目前常用的治理措施包括以下兩個方面。

(1)錨固措施

錨桿錨固，該錨固方法使邊坡巖土形成一個復(fù)合整體，增加邊坡的穩(wěn)定性，并改善和提高滑動面的抗滑性能[23]。錨桿錨固技術(shù)不僅工程造價低，工期短，并能有較好的穩(wěn)定性和耐久性。

抗滑樁錨固，抗滑樁通過樁身將上部承受的坡體推力傳給樁下部的側(cè)向土體，依靠樁下部的側(cè)向阻力來承擔(dān)邊坡的下推力，而使邊坡保持穩(wěn)定或平衡。抗滑樁被廣泛應(yīng)用于土質(zhì)邊坡的加固治理中[24]。抗滑樁可以根據(jù)滑坡體的實際規(guī)模，設(shè)置單排、雙排或三排。

重力式擋土墻是以墻身自重來平衡邊坡滑移產(chǎn)生的向下和向外的作用力，從而維持土體的穩(wěn)定，目前重力擋土墻是是最常用的一種擋土墻形式。重力式擋土墻首先需要有較大的自重，因此其多用漿砌片(塊)石砌筑，也可直接用混凝土澆筑。此外，其施工簡單、取材容易、適應(yīng)性強，因而應(yīng)用更加廣泛。

最后還有噴射混凝土加鋼筋網(wǎng)片支護，這種方式往往與錨桿錨固方法相結(jié)合，共同提高邊坡的穩(wěn)定性[25]。

(2)排水措施

一方面，考慮大氣降水等的影響，需做好地表排水處理。通過修筑地表排水溝渠，攔截大氣降水在坡面形成的面流水體，引導(dǎo)其向坡體外排泄，防治地表水沿滑坡體裂隙滲入到滑移帶，降低滑坡的抗滑力。另一方面，控制好地下水對邊坡穩(wěn)定性起到關(guān)鍵作用，地下水控制要遵循疏水和堵水結(jié)合方法[26]，在施工和使用過程中要加強監(jiān)測，降低地下水對邊坡穩(wěn)定的隱患，保證邊坡的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論與展望

3.1 地質(zhì)勘察存在的問題及其展望

地質(zhì)勘察質(zhì)量是邊坡穩(wěn)定性分析的最重要的基礎(chǔ)。但是，目前地質(zhì)勘察中仍存在許多問題，導(dǎo)致勘察數(shù)據(jù)的誤差，給工程質(zhì)量控制帶來了較大影響。目前存在的主要問題有：操作未能嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范，例如提鉆次數(shù)少，地層分層不嚴(yán)謹(jǐn)，以及對于需要加密勘察的特殊地層未能按規(guī)范進(jìn)行加密等，從而導(dǎo)致地質(zhì)勘查的不明確[27]；勘察人員專業(yè)素養(yǎng)低，崗位責(zé)任感不足，因為在巖土工程項目管理中沒能進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜藛T培訓(xùn)和認(rèn)證工作，所以人員的專業(yè)素養(yǎng)參差不齊，崗位責(zé)任感不足；最后還有傳統(tǒng)地質(zhì)探測方法和設(shè)備本身的系統(tǒng)誤差，導(dǎo)致獲取的實驗數(shù)據(jù)存在變異性和離散性。

因此，為了保證地質(zhì)勘查的精確性，首先，建立健全土工試驗質(zhì)量控制和監(jiān)管制度，確保質(zhì)量管理的每一個階段都符合規(guī)范要求；其次，加強試驗人員的培訓(xùn)，提高土工試驗人員的專業(yè)技能和專業(yè)綜合素質(zhì)，培養(yǎng)土工試驗人員深入、系統(tǒng)的學(xué)習(xí)專業(yè)知識，了解土工試驗的基本任務(wù)和先進(jìn)的專業(yè)技術(shù)進(jìn)行精確的操作，從而獲得真實、準(zhǔn)確的試驗數(shù)據(jù)；最后，發(fā)展先進(jìn)的地質(zhì)探測方法，提高試驗精度的同時簡化操作步驟。

3.2 理論計算存在的問題及其展望

邊坡穩(wěn)定性的分析方法直接關(guān)系到計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。現(xiàn)有的各種分析方法都具有一定的優(yōu)勢和局限性，極限平衡法盡管簡單實用，但是對邊坡的簡化較多，因此精度有限。數(shù)值分析方法，借助計算機的優(yōu)勢，更好的考慮了邊坡內(nèi)部的變形協(xié)調(diào)條件、非均質(zhì)性和復(fù)雜性，但是該方法也需要更加詳細(xì)的數(shù)據(jù)，較高的計算機內(nèi)存和系統(tǒng)的計算能力[28]。不確定分析方法能考慮影響邊坡穩(wěn)定性因素的隨機性和不確定性，但是目前該方法仍處于初步發(fā)展階段[29]，系統(tǒng)性和可靠性都需要進(jìn)一步的完善和提高。

因此，對于邊坡穩(wěn)定性分析，首先，需要多種方法結(jié)合使用，既要發(fā)揮每種方法的優(yōu)勢，又要相互彌補各自的缺點，兼顧計算結(jié)果的精確性與工程應(yīng)用的經(jīng)濟性；其次，要不斷發(fā)展數(shù)值分析方法，加強數(shù)值分析算法的改進(jìn)，提高數(shù)值分析的效率，另外，不斷探索先進(jìn)的探測手段，使能夠方便地獲得準(zhǔn)確詳實的邊坡數(shù)據(jù)；最后，應(yīng)鼓勵學(xué)科交叉創(chuàng)新，重視不確定性分析方法的發(fā)展。

3.3 監(jiān)控手段的發(fā)展

由于地質(zhì)狀況的復(fù)雜性，時間的變化性，地震降雨等隨機因素的影響，需要建立相應(yīng)的監(jiān)測系統(tǒng)，對邊坡進(jìn)行滑移監(jiān)測和地質(zhì)變化的監(jiān)測等，實時監(jiān)控邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)，并制定相應(yīng)的滑坡預(yù)警預(yù)案，從而保證邊坡形成過程中和形成后的穩(wěn)定性。