岩土工程边坡勘察难点及技术优化.pdf

中国新技术新产品2024 NO.1（下）-110-工 程 技 术在目前的建筑、公路和水利工程中，边坡勘察是一项很重要的工作，高水平的边坡勘察，能有效降低施工过程中的安全风险并提高工程质量。在研究中，相关工作人员以龙岩市新罗区红坊镇紫金山公园 10 号地块四标段的研学路为研究对象，深入分析此项目地段岩土边坡勘察工作存在的难题，并尝试利用多元化技术路径，提高边坡勘察的质量。在此基础上，利用 BIM 技术对三维地质进行建模，以期全面提高岩土工程边坡勘察效率，保证项目的顺利实施。1 工程背景研究对象为龙岩市新罗区红坊镇紫金山公园 10 号地块四标段的研学路，设计路面宽度为 24m，属于次干路，采用挖方边坡施工方案。边坡长度约为300m，坡顶和临近地段不存在地面建筑物，坡顶顺接自然山坡，边坡高度为 15100m，工程勘察等级为一级。2 岩土边坡勘察技术难题分析2.1 高边坡问题高边坡和超高边坡出现滑移、崩塌的概率相对较高，并且通常滑塌产生的土方量和落石量较大，对建筑物、人员和车辆安全造成威胁。高边坡和超高边坡划定标准，旨在界定土质边坡和岩质边坡的高度范围，以便在土木工程和地质工程等领域中对这些边坡进行管理和评估。此外，通过定义高边坡和超高边坡的高度范围，能为相关施工人员提供管理和评估这些边坡的参考标准，有助于在土木工程和地质工程中对边坡进行处理和设计，见表 1。表 1 高边坡和超高边坡划定标准（单位：m）类别土质边坡岩质边坡高边坡高度范围10151530超高边坡高度范围1530结合项目边坡实际情况，最低高度为 15m，最高接近100m。项目同时有高边坡和超高边坡。从边坡勘察的角度看，高边坡扩大了勘察范围，增加了钻探工作量，给边坡稳定性分析带来较大挑战，勘察单位承担的风险也更高。2.2 长、高边坡稳定性评价岩土工程边坡勘察的核心目的是评价边坡的稳定性，设计科学的边坡支护方案。根据 建筑边坡工程技术规范 （GB 503302013），项目边坡中存在挖方边坡和自然边坡，须对其稳定性进行验算。然而，边坡稳定性评价有多种理论计算模型，例如根据边坡的滑面形态，计算圆弧形滑动面、平面形滑动面和折线形滑动面的稳定性系数的方法均不相同。项目中边坡总长度约为 300m，各段的高度、边坡形态和地质条件不完全一致。对评价边坡稳定性造成一定的难度。2.3 边坡抗震效应勘察与评价问题当地震灾害发生时会产生强烈的地质作用，导致边坡产生加速度，进而引发破坏，其对边坡的破化力成为不可忽视的因素。因此在地质勘察中，须确认此边坡工程的抗震设防烈度，评价地震作用的危害程度，为后期制定边坡加固方案提供有力的技术支撑。从破坏机理看，通常地震会导致边坡裂隙发展，孔隙水压力增加，同时有可能强化坡体的下滑力1。边坡抗震效应勘察与评价的难点是合理确定场地类别，评估边坡地质对抗震性的影响。2.4 环境因素影响问题岩土体结构、降雨、地下水和风化作用等环境因素能影响边坡的稳定性。以降雨为例，当雨水渗透岩土层时可提高孔隙水压力，提高岩土体崩解泥化的概率。强降雨产生的冲刷、冲蚀作用可能导致边坡滑移或者崩塌。环境因素具有耦合叠加效应，其对边坡的作用机理较复杂，不利于综合性的量化评价，因此在工程实践中大多单独评价特定的环境因素。3 岩土工程边坡勘察技术优化方案3.1 边坡测量3.1.1 边坡形态测量在测量边坡形态的过程中，为保证测量结果的准确性和可重复性，需要在测量区域内建立水平控制网与垂直控制网。根据测量精度要求和实际情况，选择合适的控制点，并对其进行标志和固定。在此过程中引入平面坐标转换公式（1）。X=X0+LcosY=Y0+Lsin（1）式中：X 与 Y 为边坡上某点的平面坐标；X0和 Y0为参考点岩土工程边坡勘察难点及技术优化魏雁宾（甘肃省建设设计咨询集团有限公司，甘肃 兰州 730000）摘 要：本研究旨在提高边坡勘察的准确性、全面性和可靠性，保障工程的安全，确保可持续发展。研究采用文献调研和实地勘察相结合的方法，首先，梳理了岩土工程边坡勘察的现有技术与方法。其次，根据实际工程案例，发现在复杂地质条件下勘察边坡存在困难，例如地层不稳定和水文地质条件复杂等。最后，针对上述问题，提出采用多元化技术路径、强化环境因素勘察和三维地质建模等优化方案。研究结果表明，优化方案能有效克服岩土工程边坡勘察中的技术难题。通过利用现代化设备和多学科交叉方法，提高勘察数据的准确性和全面性，更可靠地评估边坡的稳定性。关键词：岩土工程；边坡勘察；技术难题；优化方案中图分类号：U213.1+3文献标志码：A中国新技术新产品2024 NO.1（下）-111-工 程 技 术的平面坐标；L 为边坡上的距离；常量 为边坡上某点与参考点的方位角。在事先设置好的控制点上，使用全站仪或激光扫描仪对边坡进行测量。全站仪可以同时测量角度和距离，通过多次测量可以获取边坡各点的三维坐标数据。需要注意的是，在实际勘测中三维坐标数据不可避免地会出现误差，因此要引入误差补偿公式对三维坐标数据进行修正，如公式（2）所示。Xc=X+XYc=Y+YZc=Z+Z （2）式中：Xc、Yc和 Zc为经过误差补偿后的边坡上某点的坐标；X、Y 和 Z 为误差修正量。在此基础上，研究人员引入坐标转换公式，将三维坐标转变为系统可读取的数据，如公式（3）所示。=atan2（Z，sqrt（x2+y2）=atan2（Y，X）（3）式中：、分别为边坡上某点的纬度和经度。根据工程需求，相关工作人员需要定期对边坡进行形态监测，可以通过使用全站仪等仪器对关键点进行定位测量。通过与前期测量数据进行对比，可以判断边坡是否存在变形和位移。通常根据边坡的稳定性要求和工程进展情况确定形态监测的频率，旨在及时掌握边坡的变化情况，采取相应的措施保障工程安全。3.1.2 边坡变形与位移监测首先，根据边坡的具体情况和监测要求，在边坡上选择一定数量的变形监测点，并进行标志和固定。通常对边坡上容易受变形影响的关键部位进行监测，例如顶部、坡脚和裂缝位置等。安装变形监测点的目的是为测量和监测边坡的变形和位移情况2。其次，根据测量方案，选择合适的测量仪器对变形监测点进行测量。常用的测量仪器包括全站仪、水平仪和倾角仪等。可以根据具体情况选择测量方法，常见的方法有重复测量法、三角测量法和远程测量法等，见表 2。表 2 边坡变形与位移监测记录表监测点 时间坐标位置（x，y）裂缝位置坐标变化（x，y）位移大小监测方法顶部t1（x1，y1）GPS坡脚t1（x2，y2）GPSAt1（x3，y3）（x3，y3）（x3，y3）d3测绘仪Bt1（x4，y4）（x4，y4）（x4，y4）d4GPSCt1（x5，y5）（x5，y5）（x5，y5）d5GPSNt1（xN，yN）（xN，yN）（xN，yN）dN其他方法At2（x3，y3）（x3，y3）（x3，y3）d3GPSBt2（x4，y4）（x4，y4）（x4，y4）d4测绘仪Ct2（x5，y5）（x5，y5）（x5，y5）d5GPSNt2（xN，yN）（xN，yN）（xN，yN）dNGPS其中，监测点包括顶部、坡脚以及其他关键位置（如 A、B、C 等），坐标位置为各监测点在平面坐标系中的坐标，裂缝位置为相应监测点上的裂缝位置，坐标变化为相应监测点在两次监测间的坐标变化（x 为水平方向的变化，y 为垂直方向的变化），位移为相应监测点的位移。对变形监测点进行测量，获取变形数据，包括坐标变化和位移等。将测量得到的变形数据导入计算机，对数据进行处理和分析。最后，根据测量数据和分析结果，编制边坡变形监测报告。在报告中会对边坡的变形情况进行描述，包括变形点位和变形程度等参数，并基于上述数据对变形趋势进行预测，提出相应的监测建议，并采取安全措施。3.2 精确评价与量化评价3.2.1 边坡稳定性量化评价边坡稳定性是制定支护方案的核心参考指标，须对其进行量化评价。本项目采用公路工程中广泛运用的简化Bishop计算方法，综合对比各种滑动面模型，选择符合项目边坡特点的整体圆孤滑动破坏模式，计算过程如公式（4）、公式（5）所示。FsWclmWiiiiiiii?tg?cos/sin （4）mFiiii?cossintg （5）式中：Wi为条块质量（kN），水上采用天然容重，水下采用饱和容重；i为条块底面与水平向夹角（）；ci、i分别为条块滑面的黏聚力（kPa）与内摩擦角（）；li为条块滑面斜长（m），边坡稳定性量化计算结果见表 3。3.2.2 地震效应精确评价3.2.2.1 确认抗震设防烈度边坡工程、公路主体结构等都在地震的影响范围内，用抗震设防烈度指导工程构筑物的抗震设计。中国地震动参数区划图 （GB 183062015）中明确规定了国内各省份和各地区的抗震设防烈度参数。福建省对应表 C.13，其中规定龙岩市抗震设防烈度为6度，对应的地震加速度值为0.05g3。根据构筑物的类别、用途和影响人群等，将抗震设计标准划分为甲、乙、丙和丁 4 类。本边坡工程的施工场地属于丙类，相关根据为抗震设防烈度分类标准（GB 502232015）。3.2.2.2 地震效应评价地震通过场地将动能传递至边坡，进而导致破坏，因此场地的刚性程度和覆土厚度是影响震害严重性的重要因素，而岩土层剪切波速是表征场地刚性的量化指标。地质勘察人员根据勘察数据、地区经验以及承载力特征值，量化各岩土层的剪切波速，见表 4。边坡挖方施工削弱了场地的覆盖层厚度，经检测，覆盖层厚度在 011.10m。综合剪切波速和覆盖层厚度两项因素，根据公路桥梁抗震设计规范（JTG 2231-012020）确定此区域场地类别为 类，根据最不利原则，最终将场地类别确认为类4。不同场地的类别可影响产地系数 Cs 和特征周期 Tg，为精确评价地震效应创表 3 边坡稳定性量化计算结果示例计算剖面总的下滑力（kN）总的抗滑力（kN）土体部分下滑力（kN）土体部分抗滑力（kN）稳定性系数Fs稳定状态4-4，（天然状态）11851.9014006.6911851.9014006.691.178基本稳定4-4，（饱和状态）14199.8714482.1314199.8714482.131.018欠稳定8-8，（天然状态）4385.734074.144385.734074.140.926不稳定8-8，（饱和状态）4281.903543.594281.903543.590.825不稳定中国新技术新产品2024 NO.1（下）-112-工 程 技 术造条件，须通过量化指标确定场地类别。此项目特征周期取值为 0.40s。3.3 环境因素勘察3.3.1 边坡岩土体结构勘察3.3.1.1 岩土结构调查结果勘察人员通过查阅现有地质资料，配合钻探取样的分析结果，掌握了边坡工程坡体的岩土结构特征。项目边坡上覆素填土、坡积含角砾粉质黏土和粉砂质泥岩残积黏性土，下覆砂土状强风化粉砂质泥岩夹砂岩、砂土状强风化辉绿岩和碎块状强风化粉砂质泥岩夹砂岩等。3.3.1.2 岩土结构对边坡稳定性的危害分析岩土结构特征分析。此项目边坡岩土结构特征如下：1）岩土种类较丰富，性质变化较大。2）岩体断层、破碎情况突出，容易蓄积水分。3）岩芯大多呈现破碎状态，甚至部分岩芯已转化为砂土状。4）部分地段出现可熔岩和软弱夹层。危害分析。边坡破坏的主要形式为局部或整体滑移、岩体崩塌，当岩土体密实性好、岩体破碎程度低和断层裂隙发育少时，其刚度和承载力较强，也不易吸收水分。但此项目的岩土体具有裂隙、破碎、断层、可熔岩、软弱夹层和砂化岩芯等一系列不利因素5。导致其在局部地段存在顺层滑移的风险。另外，这类岩体结构容易吸收降雨和地表水，进一步增加孔隙水压力，岩体破碎崩塌的风险也相对更高。由此可知，此项目边坡的岩土结构对边坡稳定性威胁较大。3.3.2 水文地质影响分析3.3.2.1 降雨、地表水以及地下水勘察结果降雨情况。龙岩市的气候类型属于亚热带海洋性季风气候，根据已有资料，新罗区平均年降水量在 1031mm1369mm。具有明显的季节性特点，雨季为每年的 4 月 8 月。由此可见，此地区雨量充沛，对维持高边坡的稳定性有不利影响。地表水勘察。从现场地势看，边坡地势较高，不易形成积水。施工区域上游未见来水，但边坡坡面形成了较好的排水路径，降雨容易通过坡面向底部汇集。边坡的汇水面积约为 4.5 万，潜在危害较大。地下水勘察。边坡场地的地下水主要来自基岩风化裂隙中存在的水分，经过勘探，测得地下水的埋深为 16.80m50.70m，年度变化幅度为3m5m。施工区域地下水水源补给方式基本明确，但边界条件较复杂，综合判断场地水文地质条件复杂程度为中等类别。3.3.2.2 危害分析3.3.2.2.1 地下水危害分析地下水对边坡工程的危害可按照 工程建设水文地质勘察标准（CECS 241：2008）中第七部分进行评价，其中提出了地下水流动渗透力、管涌临界水力梯度、基坑下承压水突涌稳定系数和无承压水基坑底稳定系数的计算方法6。例如，计算地下水流动时的渗透力 J 如公式（6）、公式（7）所示，不发生管涌的判断条件如公式（8）所示。J=wI （6）I=h/L （7）Icr/JK（8）式中：w为地下水的重度（kN/m3）；L 为水流的路径长度（m）；I 为水力梯度；h 为水头差（m）；Icr为临界水力梯度；K 为抗管涌安全系数（K=1.52.0）。3.3.2.2.2 降雨和地表水危害分析降雨和地表水对边坡的影响机理比较相似，都是水体渗透至岩土裂隙中，改变岩体内部压力，冲蚀可熔岩、砂土以及泥土等，进而增加坡体滑移和崩塌的风险。从作用机理看，提高边坡含水率改变了岩土的黏聚力和内摩擦角。目前，处理降雨和地表水的主要措施为设置排水沟，避免地表径流冲刷边坡坡面。4 结语长边坡和高边坡具有覆盖范围大、地质结构复杂和潜在影响因素多等特点，当勘察这类边坡时，应格外重视边坡稳定性量化评价，同时考虑常规环境因素和地震对边坡稳定性的不良影响。在勘察技术层面应该采用多元化方法，从不同角度获取勘察数据，如地质钻探、收集已有地质资料和掌握地方气象数据等。应该对边坡稳定性这一关键因素进行量化评价，借助数据指导支护工作。在环境有干扰因素的勘察中须强化岩土结构、水文地质条件和人为活动的影响分析。参考文献1 周群.宜昌前坪科研基地边坡勘察及稳定性分析研究 D.宜昌：三峡大学，2018.2 任天勇.山区公路高边坡勘察设计关键问题探讨 J.四川水泥，2022（2）：118-119.3 张金平.公路挖方边坡勘察土石比例划分研究 J.西部探矿工程，2021，33（9）：15-18.4 严国敏.永安市西区水厂一期工程边坡勘察及稳定性控制措施分析 J.居业，2022（9）：187-189.5 李彬朝，林华国.边坡工程勘察勘探点布置探讨 J.中国勘察设计，2020（6）：97-100.6 黄植翔.基于边坡支护工程设计常见的岩土工程勘察问题分析 J.城市建设理论研究（电子版），2019（14）：90.表 4 岩土层剪切波速经验值及岩土类型示例岩土层名称素填土坡积含角砾粉质黏土粉砂质泥岩残积黏性土砂土状强风化辉绿岩中风化炭质粉砂岩中风化钙质粉砂岩岩土类型软弱土中硬土中硬土中硬土软质岩石软质岩石波速值（m/s）120260270400700700