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边坡稳定性的工程地质评价方法
[摘要] 经过对边坡稳定性的工程地质评价方法的介绍, 分析了工程可靠性控制及措施。
[关键词] 边坡、 可靠性、 地质评价
边坡稳定性的工程地质评价包括两方面的任务: 一方面要对与工程活动有关的天然斜坡或人工边坡的稳定性作出定性和定量的评价, 另一方面要为设计合理的人工边坡和边坡变形破坏的防治措施提供依据。边坡稳定性的工程地质评价方法可概括为地质分析法(历史成因分析法)、 力学计算法和工程地质类比法三种。
边坡稳定分析应收集下列资料: ①地形和地貌特征; ②地层岩性和岩土体结构特征: ③断层、 裂隙和软弱层的分布、 产状、 充填物质以及结构面的组合与连通率; ④边坡岩体风化、 卸荷深度; ⑤各类岩土和潜在滑动面的物理力学参数以及岩体应力; ⑥岩土体变形监测和地下水观测资料; ⑦坡脚淹没、 地表水位变幅和坡体透水与排水资料; ⑧降雨历时、 降雨强度和冻融资料; ⑨地震基本烈度和动参数; ⑩边坡施工开挖方式、 开挖程序、 爆破方法、 边坡外荷载、 坡脚采空和开挖坡的高度和坡度等。
下面主要介绍地质分析法
这种方法是根据边坡的地貌形态、 地质条件和边坡变形破坏的基本规律, 追溯边坡演变的全过程, 预测边坡稳定性发展的总趋势和边坡变形破坏方式, 对边坡的稳定性作出定性评价。对已发生过滑坡的边坡, 则判断其能否复活或转化。
(一)根据边坡的地貌形态演变预测和评价边坡的稳定性
根据边坡的表部特征, 可判断边坡的稳定性:
(1)山坡表面比较平整顺直, 坡脚没有地下水出露, 树木生长亦较茂盛, 则边坡比较稳定。
(2)山坡表面不平整, 有较多的大小台阶, 树木歪斜倾倒, 坡脚有泉水出露, 则边坡可能不稳定。
(3)山坡泉水较多, 呈点状不规则分布, 成为高地地下水排泄面时, 说明山坡可能滑动, 将地下水通道切断。
(4)当边坡表层为松散堆积层时, 可按基岩形态判断其稳定性。当基岩的层面较陡或呈凹向地下洼槽时, 易形成滑坡。
(5)河流冲刷岸的边缘易产生崩塌或滑坡。
对是否曾产生过滑坡, 可根据以下的地貌特征进行判断:
(1)在地层、 构造等条件相类似的河段上, 局部边坡剖面呈上陡、 中缓、 下陡的地貌形态, 而缓坡的高程与当地阶地又不相协调。
(2)在边坡高处的陡坡下部出现洼地、 沼泽及其它负地形, 而又不是碳酸盐类岩层, 且陡坡的后缘出现裂缝。
(3)边坡出现独特的簸箕形或圈椅形地貌, 与上下游河段平顺边坡不相协调; 在岩石外露的陡坡下, 中间有一个坡度较为平缓的核心台地(滑坡台地)。
(4)在现代河床受冲刷的凹岸, 山坡反而稍微突出河中, 有时形成急滩; 或在古河床受冲刷的凹岸, 河岸边多有大块孤石分布．这很可能是由于滑坡体下缘已被冲走而残留的大孤石:
(5)双沟同源地形。一般山坡上的沟谷多是一沟数源, 而在一些大的老滑坡体上, 两侧为冲沟环抱, 而上游同源或相距很近, 有时甚至形成环谷。青年期、 壮年期的滑坡地形, 后部台地清晰, 其中可见陷落洼地或池沼, 双沟上游的距离相距亦较远; 而老年期的滑坡地形, 表面剧烈起伏不平, 形成平缓斜坡, 一直延伸到河岸, 地形等高线呈明显的紊乱。
(6)在山坡上出现树干下部歪斜、 上部直立的”马刀树”和东倒西歪的”醉汉林”。
(7)陡峭峡谷段出现缓坡, 但必须注意区别因地层岩性变化而出现的缓坡。
必须指出, 地貌形态的成因是很复杂的, 在判断滑坡标志时, 要综合考虑, 不能仅根据一点就判定是滑坡。一些地貌形态是地质构造运动成因, 不一定是滑坡成因。
(二)根据地层岩性、 地质构造等地质条件分析边坡变形破坏的形式根据地层岩特特征能够定性地评价边坡的稳定性和可能的变形破坏形式。根据边坡的地质结构特征, 应用图解分析法(例如赤平投影方法)综合分析坡体中起控制作用的结构面或软弱带的空间组合特征, 即可大致确定边坡可能的变形破坏形式。
(三)根据边坡变形体的外形和内部变形迹象判断边坡的演变阶段具有下列标志时, 能够认为滑坡处于稳定阶段:
(1)山坡滑坡地貌已不明显, 原滑坡平台宽大且已被夷平, 土体密实, 无不均匀沉陷现象。
(2)滑坡后壁较高, 长满树木, 壁面稳定, 找不到擦痕; 前缘的斜坡较缓, 土体密实, 无松散坍塌现象, 滑坡舌迎河部分多出露含大孤石的密实土层。
(3)河水当前已远离滑坡台地, 在有些台地外且已有漫滩阶地。
(4)滑坡两侧的自然沟谷切割很深, 已达基岩。
(5)滑坡台地的坡脚有清晰的泉水出露。
具有下列标志时, 滑坡可能处于复活阶段:
(1)边坡产生新的裂缝。各种类型的滑坡, 裂缝开裂的形状及部位是不同的。如堆积层滑坡主要裂缝在平面上是向上弯的弧形裂缝, 出现的部位离边坡顶较远处．有时竟达数十米到数百米。而岩层滑坡裂缝多出现在构造软弱线上, 常与断层面或大节理面一致, 裂缝长而贯通。当滑坡带主要裂缝首先出现在山坡中部, 而且张开很宽, 错距增大, 在滑坡前缘也出现滑动面后, 从主要裂缝向上又发生一弧形裂缝, 愈向上裂缝愈小, 长度愈短, 则显示是牵引式滑坡; 如最上面的一圈裂缝首先出现, 发展最快, 长度最长, 则显示是推动式滑坡。如从滑壁到滑坡前缘都出现连贯成不规则马蹄形的裂缝带, 则说明滑坡正在活动。
(2)虽有滑坡平台, 但面积不大, 有向下缓倾的现象, 坡面未夷平; 或者山坡表面有不均匀陷落的局部平台, 参差不齐。
(3)滑坡地表潮湿, 地下水泉发育, 口有新生冲沟。
(4)滑坡前缘土体松散, 有小坍塌, 并处于当前河流冲刷条件下。
(5)在平硐勘探中, 发现岩体中有明显的滑动面, 并见有擦痕。在排除断层或岩石断裂所产生的擦痕的情况下．此现象可作为滑坡是否重新复活的一个根据。
(四)根据周期性规律判定促进边坡演变的主导因素促进边坡变形破坏的各种因素, 在地质历史进程中都有其周期性变化规律。例如河流由侵蚀变为淤积、 再侵蚀、 再淤积的规律, 地震的周期性出现, 气象、 水文的季节性和多年性变化等。因此, 边坡的演变和发展也会具有周期性变化规律, 在某一个时期必然是由某一主导因素所制约的, 这样, 追溯边坡演变的周期性规律, 将有助于判明不同时期促进边坡演变的主导因素。
(五)边坡稳定性的区域性特点
在地质、 地貌及气候条件相似地区, 边坡变形破坏的演变规律也会具有相似性, 因而还必须研究边坡破坏的区域性规律。这对评价区域稳定性有重要的理论和实践意义。
除地质分析法外,下面简要介绍其它几种计算边坡的稳定性的方法
(一)极限平衡理论法计算边坡的稳定性
(1)土质边坡
以极限平衡理论为基础计算土坡的稳定性, 如瑞典条分法、 毕肖普法、 泰勒摩擦圆法等。这些方法假定边坡破坏时的滑面形态为圆弧形(圆柱面形), 经过试算或根据经验找出最危险滑动圆弧的中心。边坡的稳定系数K定义为: 沿圆弧形滑面的抗滑力和滑动力对滑弧圆心的力矩之比。
根据试验和野外调查资料, 均质土坡的滑面多呈圆弧形或接近于圆弧形．故用瑞典条分法等来计算均质土坡的稳定, 比较接近实际, 但由于计算时作了一些简化假定: 如把滑体作为均质刚体考虑, 认为滑体本身小变形, 滑面简化为圆弧形, 立体问题简化为平面问题等; 而且影响边坡稳定的因素很复杂, 很多计算参数是随机变量。因此, 计算出的稳定系数实际上仍属于定性或半定量指标的范畴, 必须根据边坡的工程地质条件作出综合的分析。对于非均质上坡, 滑面的形状则决定于土的性状和结构。
(2)岩质边坡
岩质边坡稳定性计算必须密切结合岩体的工程地质条件分析。岩质边坡稳定计算的准确性, 在很大程度上决定于地质边界条件的正确分析和计算参数的正确选取。脱离地质分析的岩质边坡稳定计算, 即使采用的力学理论很精确, 也是徒劳的。为此, 首先要弄清边坡滑体的边界条件, 以便确定滑体的体型。边坡滑体的边界条件是指边坡变形破坏时的滑动面(或可能滑动面)、 切剖面和临空面的产状、 形状及受力条件。这些面在边坡变形破坏时构成了边界, 受边坡岩体的地质构造、 岩体结构、 边坡形态及地貌、 地下水、 地表水等因素控制。滑动面能够由层面、 节理、 裂隙、 断层等有一定延展性的面组成, 大部分是较缓的软弱面。切割面是指边坡岩体与其周围岩体分割开来的面, 一般都为高角度的节理面和构造破裂面。
岩质边坡在地质条件复杂的情况下, 往往有多组不同产状的结构面, 因而滑动岩体的边界条件是很复杂的。
以上的计算方法只用于分析岩质边坡滑动破坏最简单的情况, 在理论上亦存在一定问题, 但比较简便, 在初步评价岩坡稳定时, 仍被广泛采用。在考虑各种设计方案时, 需要切取不同剖面进行繁复的分析计算, 能够编制程序用计算机计算。
(二)图解法
边坡稳定分析的图解法, 按其性质可分为两种。一种是用一定的曲线和诺模图来表征边坡有关参数之间的定量关系, 由此求出边坡的稳定系数。这是力学计算法的简化。另一种是利用图解求边坡变形破坏的边界条件．分析软弱结构面的组合关系, 分析滑体的形态、 滑动方向, 评价边坡的稳定程度, 为力学计算创造条件。
(三)有限单元法分析边坡的稳定性
用有限单元法分析边坡岩体的应力分布、 位移和塑性区分布来评价边坡的稳定性, 已是边坡稳定性工程地质评价中广泛采用的一种方法。这个方法的基本原理和步骤是: 将一个连续的边坡岩体, 经过离散化, 变换成离散的单元组合体, 利用网格剖分, 将边坡(一般采用二维)剖面体系在形式上划分为有限个单元体, 假定各单元均为均匀、 连续、 各向同性的完全弹性体(或非线性弹性体、 弹塑性体、 粘弹塑性体), 保持自己的介质特征, 有自己的物理力学参数; 各单元由节点相互连接, 边坡岩体的内力和外力由节点来传递。单元所受的力, 按静力等效原则移置到节点, 成为节点力。当按位移法求解时, 取各节点的位移作为未知数, 按照一定的函数关系, 求出各节点位移后, 即可进一步求得单元的应变与应力。有限单元法实质上是一种”化整为零”的计算方法。单元的形状一般都采用简单的三角形, 以便于适应边坡坡面复杂的边界形状。网格的大小、 单元的划分布置, 则取决于模拟边坡各种特定工程地质问题的要求和精度, 一般可参照边坡中层面、 断层面、 节理面等各种结构面的特征和岩性进行划分。在应力变化比较剧烈的部位, 单元要划分得密一些;
有限单元法的优点在于部分地考虑了边坡岩体的非均质不连续介质的特性, 考虑了岩体弹性和塑性, 因而能够避免将坡体视为刚性块体过于简化计算边界条件的缺点, 能够较接近实际地从应力应变分析边坡的变形破坏机制, 并能够直接得出边坡的位移量和坡体的应力分布。
有限单元法分析边坡稳定性的可靠性仍取决于对边坡的工程地质条件的研究, 特别是正确地定出边坡的岩体结构、 边界条件和选择岩体及结构面物理力学性质参数。
(四)工程地质类比法
工程地质类比法的实质是把已有的自然边坡或人工边坡的研究设计经验, 应用到条件相似的新边坡的研究和人工边坡的研究设计中去。为此, 需要对已有边坡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, 分析影响边坡变形发展的主导因素的相似性和差异性。另外, 还应考虑工程的类别、 等级以及对边坡的特征要求等。工程地质类比法虽然是一种经验方法, 但在边坡设计中, 特别是中小型工程的设计中, 是很通用的一种方法
地质分析法是经过边坡形成的地质历史及所处的自然地质环境的研究, 根据边坡的地质地貌条件、 变形破坏形迹以及影响边坡稳定的各种因素, 对边坡的演变发展趋势和稳定性作出评价和预测。力学计算方法很多, 上述的(二)、 (三)、 (四)种方法均属于力学计算方法。能够根据边坡的不同边界条件和变形破坏的类型采用不同的计算和评价方法．如极限平衡理论法中的圆弧面法(瑞典法、 毕肖昔法)、 萨尔玛法、 平面及折线形滑动面计算法、 二维和三维有限单元法、 离散元法、 图表计算法、 图解分析法(以赤平投影为基础)等。工程地质类比法是根据边坡的工程地质因素分析及已有工程设计的经验选择边坡的稳定坡角。
地质分析法是当前判断边坡的重要方法, 是边坡工程的最基本的分析方法。地质分析法最突出的特点是其不确定性, 对地质现象的判断因人而异, 工程的安全度完全由人为控制。地质条件多变性, 信息的随机性、 模糊性和不完善性在对边坡的评价中都由人控制, 每一个工程问题, 都需要岩土工程师综合判断。
实际工作中, 对地质勘察工作要求非常细致, 每一个遗漏的地方都有可能使工程的安全性出问题, 在地质报告中对不利的地质条件描述很多, 而对其有利的方面却很少涉及,使设计人员在设计时,过于保守,有些工程地质工作做的较少,地质问题没有查尽,为日后工程留下隐患.工程质量难于控制.
影响边坡稳定的因素十分复杂, 用力学计算法、 评价边坡稳定性都是在对自然条件作某些简化的前提下进行的。虽然是定量的计算结果, 亦只能作为全面评价边坡稳定性的参考。
大型重要的工程边坡还经过模型试验法研究在特定边坡岩体结构和开挖、 处理条件下边坡岩体的变形与破坏机制、 变形的大致部位和危害程度。采用的试验方法有块体结构模型试验、 离心模型试验和底面摩擦试验等。但前两种耗资大、 试验复杂, 仅适用于大型重要工程。
由于影响因素的复杂性和不确定性, 一般表征这些影响因素的指标, 如裂隙间距、 长度、 摩擦角凝聚力、 地下水埋深等都是随机变量。为此, 从20世纪70年代起在国外发展了边坡稳定的随机性分析, 如蒙特卡罗(Monte Carlo)法, 应用统计试验方法, 确定随机变量的分布及密度函数, 并对已知分布的随机变量抽样, 最后求出边坡的破坏概率。这对克服以极限平衡理论法为基础的力学计算法的不足有很大的实用意义, 也是可靠度理论在边坡工程中的最初应用．
为提高工程的可靠性, 边坡稳定性分析多采用多种分析方法, 相互验证, 综合研究。首先根据边坡工程地质勘察资料及实测的边坡岩体结构面自然特征, 进行结构面网络模拟, 确定边坡变形破坏的类型和边界条件; 其次, 用极限平衡理法, 作为最基本、 最简单的方法进行计算, 一般可用来作为设计的依据; 重要的工程边坡则采用二维或三维有限元法、 离散元法等; 最后, 根据工程实际需要还可进行模型试验和原位监测资料的反分析, 验证其稳定性, 并用来检验边坡加固治理措施的作用和效果。

参考文献
[1]顾宝和 毛尚之 李镜培 岩土工程设计安全度。中国计划出版社
[2]曾肇京 等 水利水电工程专业案例 黄河水利出版社