岩质边坡稳定性的几点思考
作者：为梦自思
随着社会不断的进步与发展，人类活动的空间也不断扩展，同时在社会建设过程中的各种工程活动也不断增加，由此而引发的各类地质灾害频发，并呈逐年上升趋势。在各类地质灾害中，滑坡由于其特有的分布范围广、发生频率高且危害大等特点，日益成为制约人类社会发展进步的主要地质灾害。
我国是一个地质灾害发生频繁的国家，特别是近年来，各种大型水利工程和铁路、公路等大规模工程项目的开发建设，挖填方等土方工程日益增大，施工强度急剧攀升，随之而来的是地质灾害特别是滑坡灾害问题的不断加剧，给国家和人民财产造成了巨大的损失，地质灾害已成为制约我国经济发展及社会可持续发展的一个重大问题。据统计，我国每年因滑坡、崩塌和泥石流等边坡地质灾害造成的损失近300亿元，并且这种损失正随着我国大规模工程建设和资源开发的进展呈愈演愈烈之势。
另外，随着我国西部大开发战略的实施，各类基础设施工程项目大量开展，但是由于我国西部是多山的地区，在大型工程建设当中，普遍存在着大量的高陡岩质边坡，而这些边坡的稳定与否直接关系到整个工程的安全性能，甚至在很大程度上影响着工程的进度、效益甚至工程的成败。因此，岩质边坡稳定性问题也越来越多的得到众多专家学者的重视。
边坡是在复杂的地质作用下形成和发展的。边坡从开始形成起，在重力、水及人为因素的作用下，其形态和内部结构在不断地变化，其应力状态也随之调整改变。当调整后的应力高于岩体的强度时，将导致边坡变形破坏。边坡的破坏形式主要为崩塌和滑坡。
崩塌是在重力作用下，块状岩体突然脱离母岩，并翻滚坠落于坡下的现象。岩质边坡的崩塌常常发生在坡度大于60 的陡坡或陡崖处。引起崩塌的原因很多，如岩土类型、地形地貌、地质构造等。其中，各种构造面，如节理、裂隙面、岩层界面、断层等，对坡体的切割、分离，为崩塌的形成提供脱离母岩的边界条件。坡体中裂隙越发育，越易产生崩塌，与坡体延伸方向近于平行的陡倾构造面，最有利于崩塌的形成。另外，还有地震，融雪，降雨，地表水的冲刷、浸泡，冻胀，昼夜温差变化，不合理的人类活动等都能够诱发崩塌。
滑坡是在重力作用下，岩体沿着软弱面（软弱带）整体下滑的现象。软弱面有节理、断层、层面、软弱夹层、裂隙等。产生滑坡的条件有很多，一是地质条件和地貌条件。主要与岩土类型、地质构造、地形地貌、水文地质条件等有关。二是内外应力和人为作用的影响。在现今地壳运动的地区和人类工程活动的频繁地区是滑坡多发区，外界因素和作用可以使产生滑坡的基本条件发生变化，从而诱发滑坡，主要诱发因素有：地震；降雨和融雪；人类活动，如开挖坡脚、坡体堆载、爆破、水库蓄（泄）水、矿山开采等都可诱发滑坡。此外，还有海啸、风暴潮、冻融等许多作用也可诱发滑坡。
不同结构类型的岩体中发生滑坡类型是不一样的，也就是说，岩体结构类型在很大程度上决定了边坡的破坏模式。在工程中，最常见到的破坏类型有：平面滑动、圆弧滑动、楔体破坏等。
（1）平面滑动是在重力作用下，滑动体沿着走向大致平行于坡面的滑面滑移。滑面可由节理、断层、层面、软弱夹层、裂隙等组成。这种滑动常常发生于
坡面的倾角大于滑面的倾角的地方。
（2）圆弧滑动是滑体沿着接近于弧形滑面滑移。在岩体中，若块体的尺寸与边坡相比极小，且这些块体不是相互咬合的，大型岩体的破坏就常常以圆弧滑动的形式出现[7]。
（3）楔体破坏是一种常见的失稳模式，在工程建设与应用当中经常发生。楔形体常常由两结构面、坡面、顶面组成的四面体。另外，还有一种含有张裂缝面的楔形体在工程中经常遇到，岩块被张裂缝切割，遇到降雨情况，所产生的静水压力对岩块稳定很不利。
滑坡、崩塌对工程产生的危害很大。如在水利工程方面，我国许多滑坡、崩塌发生在水电工程附近。它们毁坏水渠管道，破坏大坝、水电站、变电站以及其他设施。崩塌、滑坡体落入水库中常造成水库淤积，有时甚至激起库水翻越大坝冲向下游造成伤亡和损失。有些滑坡、崩塌还可以造成水库报废。总之，滑坡、崩塌常常破坏山区水利水电工程，使其不能正常运营，造成经济损失。在铁路方面，铁路是遭受崩塌、滑坡危害最频繁，最严重的一项工程。尤其是宝成线、陇海线的宝天段及成昆线，几乎年年遭受滑坡、崩塌的袭击。据不完全统计，我国铁路沿线的大中型滑坡点有一千处，崩塌点为数更多，致使铁路部门每年花费大量资金整治它们。滑坡、崩塌对铁路的危害主要表现是：破坏线路、中断行车、危害站场、砸坏站房；毁坏铁路桥梁及其他设施，错断隧道、摧毁明硐，造成车翻人亡的行车事故。在公路上面，山区公路也是遭受滑坡、崩塌危害最频繁的一项工程。主要危害是：掩埋公路、砸坏路基及公路桥、中断交通，造成行车事故、引起人身伤亡。在河运及海洋工程方面，对河运的危害主要表现是，堵江断流、中断航运交通；形成江中险滩、威胁过往船只；激起涌浪，推翻船只，引起人身伤亡。对海洋工程的危害，最常见的是海底地基发生滑坡，引起海上钻井平台的下沉、滑移和倾倒事故，造成严重经济损失。
而影响岩质边坡稳定的因素有多种，归纳起来，主要有以下几个方面：
（1）地形地貌
从地形地貌条件看，边坡变形和破坏主要发育于深山峡谷地区，陡峭的岸坡最易发生边坡变形破坏。地貌条件决定了边坡形态，对边坡稳定性有直接的影响。
（2）地质构造
在工程中，会经常遇到许多高度很低的边坡在坡度平缓的情况下出现了滑动，而许多高边坡在倾角很陡的情况下却依然是稳定的。引起这种差异的原因是因为岩体的稳定性跟岩体中的不连续面有着密切的关系。岩体中常常分布有节理、断层、层面、剪切带、软弱夹层等结构面，因为结构面是具有极低或没有抗拉强度的不连续面，由于结构面的存在，降低了岩体的整体强度，改变了岩体的力学性能，岩体中的结构面是岩质边坡稳定的重要控制因素。
（3）构造应力
由地质构造行迹看，地壳曾经受过巨大的地质构造运动的作用，经过漫长的地质年代，现在的地壳岩体中仍然存在着地造应力。地壳岩体中地质构造应力分布是不均匀的，如果在某些岩体中，地质构造应力较大，将会对边坡稳定性的分析产生重要的影响。
（4）水的作用
水也是边坡稳定中不可忽视的一个因素。大多数岩体边坡的滑动都跟水的作用有关。水充填在张裂隙及各种结构面里使岩块承受静水压力作用，静水压力在边坡稳定分析计算中占有很重要的位置。岩块由于受地下水作用的影响，降低岩
体的抗剪强度，地下水位升高以后，后缘拉裂缝中静水压力增大，增加了岩块的滑动力，加快岩体的变形，不利于岩块的稳定。
（5）工程爆破
在边坡开挖时常常需要借助工程爆破，工程爆破也是影响岩质边坡稳定的一个重要因素，边坡岩体在爆破动力的瞬时冲击作用下，爆破源附近的岩体瞬时被剧烈的压缩，由于爆破冲击波向四周传播，致使岩体介质产生变形。
（6）地震作用
地震作用在边坡稳定分析中同样不可忽视，特别是近几年，国家发生多次大大小小的地震，因地震造成大量边坡产生滑坡，给国家带来了严重的损失。地震应力是作用于边坡岩体的一个巨大的动应力，在时间和空间上的分布均是不均匀的，地震使边坡表面常常产生拉应力，降低岩块的安全系数，不利于岩块的稳定。
除了上述几种因素以外，还有温度、风化、在坡面修建建筑物及加重等因素。通常情况下，影响边坡稳定并不是单一因素导致的，对边坡稳定分析时，应按照实际情况，给予综合考虑。一般有以下几种方法：
（1）自然历史分析法
自然历史分析法是一种定性的地质分析法，主要是针对影响边坡稳定的各种因素，进行综合分析。如分析研究斜坡形成的地质历史及边坡的地形地貌、地质构造、岩体组合及水文气象条件等自然地质环境，通过分析这些地质条件，了解边坡变形的基本规律，预测边坡变形发展的趋势和变形破坏方式，从而对边坡的演变阶段和稳定状况做出定性评价。
自然历史分析法是基础的地质工作、最初步的定性分析方法，是一切分析评价的基础。
（2）极限平衡分析法
极限平衡分析方法是边坡稳定分析中的一种经典求解方法。此法只需要一些简单的参数，就可以计算边坡的安全系数，用安全系数来评价边坡的稳定性。由于此法概念清晰，思路简单，易于掌握，在实际工程中应用较多。但是，极限平衡分析方法在求解问题时有一定的局限性，往往需要引入一些假定，把原来的超静定问题变成静定问题。边坡稳定分析的极限平衡法可分为二维极限平衡分析法和三维极限平衡分析法[13]。二维极限平衡分析方法在工程中应用较多，但是岩质边坡稳定问题大多数是属于三维问题，三维边坡稳定分析更能真实的反映边坡的实际形态。
极限平衡分析方法有很多，主要包括：毕肖普法，简布法，不平衡推力法，Sarma法等
（3）工程类比法
工程类比法是一种经验方法，在工程设计中应用较多，是工程设计的重要依据。这种方法在边坡稳定分析中应用较广泛，设计人员常常会参照已有边坡稳定分析的设计经验，应用到类似边坡的稳定分析设计当中。类比要遵循相似的原则，地质条件和形态完全不同的边坡不能对比。我国在水电，交通，矿山等建设中，积累了大量的边坡工程实践经验，为新的边坡的稳定分析提供了大量的参考资料。
（4）数值分析方法
由于计算机技术的快速发展，数值分析方法在边坡稳定分析中得到了广泛的应用。常用的数值分析方法有：
①有限元法
有限元法在岩质边坡稳定分析中应用的较早、较广泛，可以用来求解弹性、
弹塑性、粘塑性等问题。有限元法的优点是考虑了边坡岩土体的非均质性和不连续性，还可以考虑地下水的渗流影响及蠕变特征等。可以给出岩土体的应力、应变大小分布，因此，可以近似地从应力应变角度去分析边坡的变形破坏机理，从而避免了极限平衡法中将滑体视为刚体而过于简化的缺点。
②边界元法
边界元法是1970年代发展起来的一种数值分析方法。该法将单元布置在边界，所以可以将问题的维数降低一维，数据的准备工作量小，求解的方程组少，计算效率高。边界元法很适合求解岩石力学中经常遇到的无限域和半无限域问题。
③离散单元法
离散单元法是假定岩体含有大量的结构面，岩体须被完全切割。以牛顿第二定律为基础，模拟各岩块在自重和外力作用下的失稳破坏动态过程。
④不连续变形分析（DDA）法
不连续变形分析法由石根华与Goodman提出的，该法允许块体自身有变形和位移。即可求解静力学问题，也可进行动力学分析。DDA兼有有限元和离散元的优点，特别适合于模拟结构岩体的不连续大变形力学行为。
⑤数值流形元法
在DDA的基础上，石根华于1995年提出了一种求解边值问题的数值分析新方法——数值流形法（NMM）。该方法是将有限元方法、非连续变形分析方法和解析方法统一在内的一种全新的数值计算方法。
⑥块体理论
块体理论是石根华提出的，后来在R. E. Goodman的帮助下，又做了进一步的完善。块体理论是一种岩体稳定分析方法，在国内外得到了广泛的应用，并得到岩石力学界普遍赞誉和推崇。块体理论分析完全是三维问题，核心是找出临空面上的关键块体。已知结构面和临空面的产状以及结构面的力学参数和工程作用力之后，就可以对岩块进行稳定分析，可以分析在地震作用，地下水及锚固力等多种工况下的块体稳定问题。块体理论的精髓在于几何拓扑学方法在岩体稳定性分析中的应用。块体理论提出了“有限性定理”和“可动性定理”，并给出了严格的数学证明。块体理论的分析方法有两种，一是矢量分析法，二是全空间赤平投影法，这两种方法各有自己的特色，都有严格的数学基础，但所得结果是一致的。
⑦快速拉格朗日差分（FLAC）法
FLAC数值分析方法是在20世纪80年代提出的。该方法与有限元法相比，能更好地考虑岩土体的不连续和大变形特性，求解速度较快。
由于岩石属于天然材料，因此在岩质边坡稳定分析应用中，可以将上述方法结合使用，以适应岩体的非均质、不连续性、无限等特征。从而更好的为生产实践服务。