岩质高边坡稳定性研究探讨

摘　要： 概述了岩质边坡稳定性分析取得的一系列成果,具体表现为岩石力学参数取值、变形破坏类型及模式、稳定性分析方法研究历史。详细分析了岩质高边坡稳定性分析的进展,指出目前存在的主要问题和今后的研究趋势。

关键词：岩质高边坡；稳定性；影响因素
山区高速公路建设过程中会遇到较多岩质高边坡，若发生变形失稳，无疑会带来一系列工程问题，如增加工程投资、延误工期，甚至对已有的工程设施造成破坏。国内外对此以开展了很多研究，同时积累了许多工程设计和施工经验。本文对岩质高边坡稳定性研究中涉及的岩石力学参数取值，变形破坏模式及类型，研究历史及现状等问题进行了综述，最后指出了需要解决的问题和今后的研究方向。
1.岩石力学参数研究现状
　　由于岩体是地质历史的产物，它的力学特性在空间上随机变异性往往很大，尽管试验资料不少，但如何选取有代表性的数值用于设计一直是参数选取中的一项难题。
　　国内外岩土工程师从几十年的工程实践中逐渐摸索出数十种岩体力学参数取值方法，总趋势由经验、半经验、精度较差的数值计算向计算复杂、精度较高数值分析发展。
　　国外比较有代表性的方法有以下几种。
　　(1)日本方法［1］。该方法强调岩体分级对选取抗剪强度指标的重要性，把试验成果严格建立在岩体质量分级的基础上，并对各类岩体首先确定摩擦系数，求出相应的内聚力的上、下限值，然后根据经验确定抗剪强度参数计算值。
　　(2)Patton［2］结构面抗剪强度预测法。Patton用带有规则突起面的模型试验证明了带粗糙角的结构面抗剪强度，其公式为：
    (1)
式中：、分别为作用于结构面上的剪应力和正应力；为粗糙角；为结构面上的内摩擦角。
　　(3)Barton预测裂隙面抗剪强度方法。Barton［3］依据大量试验资料，提出了按结构面的粗糙度系数和岩壁的抗压强度确定结构面抗剪强度经验公式：
    (2)
式中：为有效正应力；为节理粗糙度系数；为节理岩壁的有效抗压强度；为基本摩擦角。
　　(4)不连续面剪切扩容破坏机理研究。Goodman深入研究了不连续面的剪切扩容破坏机理，研究了壁面起伏差和充填物厚度之间的关系，得出结论：有充填物的结构面强度介于无充填物结构面强度和充填物本身强度之间，并随着充填物厚度与起伏差的比值增大而缓慢下降。
　　(5)E·霍克和J·卜布莱预测抗剪强度方法。E·霍克和J·卜布莱通过大量岩体抛物线型包络线，得出岩体破坏的经验判据后，分不同情况根据应力大小选取抗剪强度参数值。
　　国内岩体力学参数选取有代表性的方法通常有以下几种。
　　(1)工程类比经验判断法。即将已有的研究设计经验应用到条件相似的新的研究和设计中去，为此，需要对已有的经验进行广泛的调查研究，全面分析工程地质因素的相似性和差异性，分析影响的主导因素的相似性和差异性。
　　(2)系数折减法。考虑试验地点地质条件的代表性、尺寸效应、时间效应和水的作用等影响，将试验综合值以不同系数加以折减。
　　(3)按加权平均值或变形一致性原则选取计算值。
　　(4)理论方法。李华晔［4］等根据600多组抗剪试验成果，用最小二乘法建立了选取、值的计算公式，并建立了优选、值随机-模糊分析法用于工程实践；成都勘测设计院改进了日本人的优定斜率法，并在二滩、溪洛渡等工程中用于、值的选取；胡小荣、谭文辉、张征等用泛克拉格方程、中心点离散法、局部平均离散法和分形理论对单轴抗压、抗拉强度、变形模量等参数进行了分析计算。邓跃红、杨太华、孙均、赵阳升、陈乃明等运用分形理论解释了岩石破碎、节理裂隙、岩石强度及变形模量、摩擦角等复杂问题。
2.变形破坏模式及类型研究现状
　　边坡的变形破坏机制和地质力学模式是其内部作用过程和本质的体现，也是反映影响边坡稳定性状态的各种地质因素的综合体现。张倬元等认为边坡破坏是指边坡岩土体中已经形成贯通性破坏面时的变动。边坡变形、破坏和破坏后的继续运动，分别代表了边坡变形破坏的三个不同演化阶段。
　　80年代，国际工程地质协会(IAEG)滑坡委员会建议采用瓦恩斯(Wanes.D，1978)的滑坡分类方案作为国际标准，将边坡按运动方式划分为崩落(塌)(falls)、倾倒(toppies)、滑动(落)(slides)、侧向扩离(lateral spreads)和流动(flows)等5种基本类型。
　　孙玉科、谷德振［5］等人将边坡破坏模式概括为5类：倾倒变形破坏、水平剪切变形破坏、顺层高速滑动破坏、追踪平推滑移破坏、张裂顺层追踪破坏。孙广忠将边坡破坏类型概括为圆弧滑动、沿层面滑动、块体滑动、追踪节理面破坏、倾倒变形、溃曲破坏、崩塌和水平滑动8类，并讨论了各种破坏类型的特点。
　　王恭先于2003年提出按边坡变形破坏性质和机制分为坍塌、滑坡、崩塌、错落、倾倒五种类型。按变形范围和规模分为三类：(1)坡面变形——边坡整体上是稳定的，只表面1~2m有风化剥落、冲沟，或差异风化造成局部落石等。(2)边坡变形——变形局限于边坡范围以内，变形深度一般2~6m，最大不超过10m，多为边坡内一级或数级的坍塌、滑坡等，有局部变形，也有整体变形。(3)坡体变形——变形范围超出边坡开挖范围，深度常大于10m，多为滑坡、错落、倾倒和大型坍塌，规模大、治理费用高，设计上应尽量避免。
3.研究历史及现状
　　人们对边坡稳定性的关注和研究最早是从滑坡现象开始的［6］，边坡稳定性分析经历了很长的历史过程。早期对边坡稳定性的研究主要从两个方面进行：一是借用土力学中极限平衡的概念，由静力平衡条件计算边坡极限状态下的稳定性；二是从边坡所处的水文地质条件、稳定性影响因素和失稳破坏现象上进行对比分析。
　　20世纪50年代，前苏联地质工作者采用“地质历史分析法”对边坡稳定性进行研究。该方法是各类边坡稳定性评价方法的基础。我国学者结合露天矿边坡稳定性研究，在陈宗基教授的指导下，进行了比较系统的岩体力学性质的试验研究，包括大型现场试验及室内岩块试验，常规力学试验及流变力学试验，岩块力学试验及结构面力学试验，动力学试验及静力学试验等[50]。
　　20世纪70年代，边坡稳定性问题的研究工作步入了地质分析和岩石力学分析相结合的时代。这期间，王兰生、张倬元等提出了斜坡变形的6种主要模式，即蠕滑-拉裂、滑移-压致拉裂、滑移-拉裂、弯曲-拉裂、塑流-拉裂和滑移-弯曲，以及斜坡失稳的3种基

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本破坏方式，即崩落(塌)、滑落(坡)、(侧向)扩离。国外的R．E．Goodman也非常重视岩体结构特性的研究，出版了《非连续岩体地质工程方法》一书。
　　1986年，在举行国际地质会议期间，国际工程地质协会(IAEG)成立，同时成立了“滑坡及其他块体运动委员会”，这是国际上第一个专门研究滑坡及其防治的国际组织。1981～1986年，国家地质矿产部将“中国西南、西北崩滑灾害与斜坡稳定性研究”列为专题进行重点攻关；1986～1990年，三峡工程将库岸稳定性列为专题进行研究。并利用数量化理论、模糊数学方法、概率论与数理统计等，探索边坡稳定性的预测预报方法。1986年，国际化标准组织(ISO/TC98)颁布了一个标准文件《结构可靠性总原则》(ISO2394)，这有力推进了可靠性在工程领域的发展，也为后期可靠性理论在岩质高边坡工程中的发展做了铺垫。
　　20世纪90年代以来，一系列重大工程的建设或论证遇到了前所未有的高边坡稳定性问题，非线性科学理论、非连续介质理论、可靠性分析理论、层次分析法以及计算机技术的发展，为边坡稳定性问题的研究提供了新的途径和方法，多学科、多专业的交叉渗透研究已成为边坡研究的发展方向。这一阶段，边坡稳定性研究科学步入了定性与定量相结合、概念模型与仿真模拟相结合、监测与反馈分析相结合的新阶段，从理论到工程实践都得以极大的发展。
4.岩质高边坡稳定性研究存在的问题
　　目前，岩质高边坡稳定性研究主要存在以下几个方面的问题［7］。
　　一、关于岩质高边坡工程的防护设计缺乏现成的、统一的标准
　　目前，岩质边坡的设计、防护治理，以三峡库区一、二期水库岸坡防治工程设计为例，基本都是借鉴或直接采用了国内各行业部门的标准和规范，但是由于各行业规范在编制过程中考虑问题的侧重点各不相同，造成整个水库岸坡设计采用的标准也不相同，由此造成整个库区水库岸坡防治工程的安全可靠度不明确。
　　二、设计参数盲目性较大
　　公路建设作为带状工程，边坡一般较长，参与勘察、设计的单位较多，边坡沿线各种岩石组成也比较复杂，对于这些岩石参数的取值，以及水库蓄水边坡岩石受水侵蚀、水位升降过程中岩石物理力学性质发生变化后，如何选取设计参数等问题，现阶段没有统一的标准，各单位进行参数取值时较为盲目，缺乏科学性。
　　三、稳定分析方法及评价准则不统一
　　目前对岩质高边坡稳定分析普遍采用刚性极限平衡法、楔形体法，但是，在分析过程中很少考虑到水因素的影响，尤其是岩体开裂时的水扬力和裂隙后缘水压力的计算，在特定的环境中如何采用与之相应的岩体参数，在不同的地质环境下采用不同的方法计算时如何采用相应的安全标准，尚无统一的观点，导致计算结果相差较远，评价结果有失科学性。
　　四、防治措施可行性研究不够，存在安全隐患
　　在进行支挡方案研究时，如何考虑支挡结构与被支挡体协调受力，在深厚松散体内刚性支挡结构的受力机理如何分析，在受水涨落影响时锚拉支挡结构中锚杆体受力机理、耐久性等研究均不够。对以上问题若不深入研究、科学论证，均会给治理工程带来较大的安全隐患。
　　五、运营期间，边坡稳定性跟踪监测不完善
　　岩质高边坡设计是否合理，稳定性评价是否科学，施工过程是否严格按照规范进行，防护措施是否能完全满足需要，施工完成后公路及水库是否可以安全、正常运营，这些问题都存在不确定因素。所以，施工结束后对边坡稳定性进行跟踪观测是非常必要的，这既可以对边坡稳定性分析计算进行验证，又可以及时掌握库岸边坡的稳定状况，保证公路和水库的安全运营、调度。
参考文献：
[1] 胡卸文，黄润秋，徐志文．西南某电站坝区岩体强度参数选取的工程地质研究．水文地质工程地质，1996，23(1)
[2] 徐志英．岩石力学．北京：水利电力出版社，1986
[3] 李华晔，黄志全，刘汉东，等．岩基抗剪参数随机-模糊法和小浪底、值计算．岩石力学与工程学报，1997",##隔###

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