【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 取各 種防護(hù)加固措施，并對(duì)各種防護(hù)加固方案進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)效益性和適用可靠性評(píng)價(jià)。 2 邊坡穩(wěn)定性的影響因素 地質(zhì)構(gòu)造 在區(qū)域構(gòu)造比較復(fù)雜，褶皺比較強(qiáng)烈，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)比較活動(dòng)的地區(qū)，邊坡穩(wěn)定性差。斷層帶巖石破碎，風(fēng)化嚴(yán)重，又是地下水最豐富和活動(dòng)的地區(qū)極易發(fā)生滑坡。巖層或結(jié)構(gòu)的產(chǎn)狀對(duì)邊坡穩(wěn)定也有很大影響，水平巖層的邊坡穩(wěn)定性較好，但存在陡傾的節(jié)理裂隙，則易形成崩塌和剝落。同向緩傾的巖質(zhì)邊坡 (結(jié)構(gòu)面傾向和邊坡坡面傾向一致，傾角小于坡角 )的穩(wěn)定性比反向傾斜的差，這種情況最易產(chǎn)生順層滑坡。結(jié)構(gòu)面或巖層傾角愈陡，穩(wěn)定性愈差 。如巖層傾角小于 10176。 ～ 15176。 的邊坡，除沿軟弱夾層可能產(chǎn)生塑性流動(dòng)外，一般是穩(wěn)定的；大于 25176。 的邊坡，通常是不穩(wěn)定的；傾角在 15176。 ～ 25176。 的邊坡，則根據(jù)層面的抗剪強(qiáng)度等因素而定。同向陡傾層狀結(jié)構(gòu)的邊坡，一般穩(wěn)定性較好，但由薄層或軟硬巖互層的巖石組成，則可能因蠕變而產(chǎn)生撓曲彎折或傾倒。反向傾斜層狀結(jié)構(gòu)的邊坡通常較穩(wěn)定，但垂直層面或片理面的走向節(jié)理發(fā)育且順山坡傾斜，則亦易產(chǎn)生切層滑坡。 地層巖性 巖性對(duì)邊坡的穩(wěn)定及其邊坡的坡高和坡角起重要的控制作用。堅(jiān)硬完整的塊狀或厚某水庫(kù)邊坡穩(wěn)定性分析與加固治理 6 層狀巖石如花崗巖、石灰?guī)r、礫巖等可以 形成數(shù)百米的陡坡，如長(zhǎng)江三峽峽谷。而在淤泥或淤泥質(zhì)軟土地段，由于淤泥的塑性流動(dòng)，幾乎難以開挖渠道，邊坡隨挖隨塌，難以成形。黃土邊坡在干旱時(shí)，可以直立陡峻，但一經(jīng)水浸土的強(qiáng)度大減，變形急劇，滑動(dòng)速度快，規(guī)模和動(dòng)能巨大，破壞力強(qiáng)且有崩塌性。松散地層邊坡的坡度較緩。 不同的巖層組成的邊坡，其變形破壞也有所不同，在黃土地區(qū)，邊坡的變形破壞形式以滑坡為主；在花崗巖、厚層石灰?guī)r、沙巖地區(qū)則以崩塌為主；在片巖、板巖、千枚巖地區(qū)則往往產(chǎn)生表層撓曲和傾倒等蠕動(dòng)變形。在碎屑巖及松散土層地區(qū)，則產(chǎn)生碎屑流或泥石流等。 匯 水域及地表、地下水文 地表水和地下水是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素。不少滑坡的典型實(shí)例都與水的作用有關(guān)或者水是滑坡的觸發(fā)因素，處于水下的透水邊坡將承受水的浮托力的作用，而不透水的邊坡，將承受靜水壓力；充水的張開裂隙將承受裂隙水靜水壓力的作用；地下水的滲流，將對(duì)邊坡巖土體產(chǎn)生動(dòng)水壓力。水對(duì)邊坡巖體還產(chǎn)生軟化或泥化作用，使巖土體的抗剪強(qiáng)度大為降低；地表水的沖刷，地下水的溶蝕和潛蝕也直接對(duì)邊坡產(chǎn)生破壞作用。 不同結(jié)構(gòu)類型的邊坡，有其自身特有的水動(dòng)力模型。 ⑴ 靜水壓力 作用于邊坡的靜水壓力主要包括兩種情況：其一是當(dāng)邊 坡被水庫(kù)淹沒時(shí)，庫(kù)水對(duì)邊坡面所產(chǎn)生的靜水壓力；其二是當(dāng)裂隙巖石邊坡的張裂隙充水時(shí)，裂隙中的水壓力。 ① 邊坡坡面上的靜水壓力：當(dāng)邊坡被水淹沒，而邊坡的表部相對(duì)不透水時(shí)，坡面上將受一定的靜水壓力，靜水壓力的方向與坡面正交。 ② 邊坡裂隙靜水壓力：有張裂隙發(fā)育的巖石邊坡以及長(zhǎng)期干旱的裂隙粘土邊坡，如果因降雨或地下水活動(dòng)使裂隙充水，則裂隙面將承受靜水壓力。 由于裂隙水活動(dòng)的不規(guī)律性，巖體中的地下水位通常不是圓滑的曲線。在相鄰裂隙的地下水位不同時(shí)，地下水位高的裂隙較地下水位低的裂隙承受較大的靜水壓力，這種靜水壓力的 差別，有時(shí)是使邊坡失穩(wěn)的原因之一。 由于地下水出口節(jié)理裂隙敞開情況不同，也影響裂隙水壓力的大小，因而影響邊坡的穩(wěn)定。 出口節(jié)理張開，地下水位低，裂隙水壓力小；出口節(jié)理閉合，透水性差，則地下水位高，裂隙水壓力大。如作用在巖塊底部滑面上的靜水壓力，有時(shí)可使覆巖塊隆脹 (靜水壓力等于上覆巖塊重 )，而使邊坡穩(wěn)定嚴(yán)重惡化。 某水庫(kù)邊坡穩(wěn)定性分析與加固治理 7 ⑵ 浮托力 處于水下的透水邊坡，承受浮托力的作用，使坡體的有效重量減輕，這對(duì)邊坡的穩(wěn)定不利。不少水庫(kù)周圍松散堆積層邊坡，在水庫(kù)蓄水時(shí)發(fā)生變形，浮托力的影響是原因之一。對(duì)處于極限穩(wěn)定狀態(tài)，依靠坡腳巖體重 量保持暫時(shí)穩(wěn)定的邊坡，坡腳被水淹沒后，浮托力對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響就更加顯著。 ⑶ 動(dòng)水壓力 動(dòng)水壓力的方向和水流方向平行，在近似計(jì)算中，多假定與地下水面或滑面平行，如果動(dòng)水壓力方向和滑體滑動(dòng)方向不一致，則應(yīng)分解為垂直和平行于滑面的兩個(gè)分量參與穩(wěn)定計(jì)算。在邊坡穩(wěn)定的實(shí)際計(jì)算中，由于滲流方向不是定值，且水力梯度不易精確確定，一般則作簡(jiǎn)化假定，以采用不同的滑體塊體密度將動(dòng)水壓力的影響計(jì)入。即在地下水位以下靜水位以上有滲流活動(dòng)的滑體，計(jì)算下滑力時(shí)，采用飽和塊體密度；計(jì)算抗滑力時(shí)，采用浮塊體密度。 地震作用 地震 對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響表現(xiàn)為累積和觸發(fā) (誘發(fā) )等兩方面效應(yīng)。 ⑴ 累積效應(yīng) 邊坡中由地震引起的附加力 S的大小，通常以邊坡變形體的重量 W與地震振動(dòng)系數(shù) k之積表示 (S=kW)。在一般邊坡穩(wěn)定性計(jì)算中，將地震附加力考慮為水平指向坡外的力。但實(shí)際上應(yīng)以垂直與水平地震力的合力的最不利方向?yàn)橛?jì)算依據(jù)?？偽灰屏康拇笮〔粌H與震動(dòng)強(qiáng)度有關(guān)，也與經(jīng)歷的震動(dòng)次數(shù)有關(guān)，頻繁的小震對(duì)斜坡的累進(jìn)性破壞起著十分重要的作用，其累積效果使影響范圍內(nèi)巖體結(jié)構(gòu)松動(dòng)，結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度降低。 ⑵ 觸發(fā) (誘發(fā) )效應(yīng) 觸發(fā)效應(yīng)可有多種表現(xiàn)形式。在強(qiáng)震區(qū)，地震觸發(fā) 的崩塌、滑坡往往與斷裂活動(dòng)相聯(lián)系。高陡的陡傾層狀邊坡，震動(dòng)可促進(jìn)陡傾結(jié)構(gòu)面 (裂縫 )的擴(kuò)展，并引起陡立巖層的晃動(dòng)。它不僅可引發(fā)裂縫中的空隙水壓力 (尤其是在暴雨期 )激增而導(dǎo)致破壞，也可因晃動(dòng)造成巖層根部巖體破碎而失穩(wěn)。 碎裂狀或碎塊狀邊坡，強(qiáng)烈的震動(dòng) (包括人工爆破 )甚至可使之整體潰散，發(fā)展為滑塌式滑坡。結(jié)構(gòu)疏松的飽和砂土受震液化或敏感粘土受震變形，也可導(dǎo)致上覆土體產(chǎn)生滑坡。海底斜坡失穩(wěn)，不少也與地震造成飽水固結(jié)土體的液化有關(guān)，這也是為什么在十分平緩的海底斜坡中 會(huì)產(chǎn)生滑坡的重要原因之一。 某水庫(kù)邊坡穩(wěn)定性分析與加固治理 8 小結(jié) 巖土邊坡的 破壞類型從形態(tài)上來(lái)看可分為巖崩和巖滑兩種。巖崩一般發(fā)生在邊坡過(guò)陡的巖坡中，這時(shí)大塊的巖體與巖坡分離而向前傾倒，或者坡頂巖體因某種原因脫落而在坡腳下堆積，它經(jīng)常產(chǎn)生于坡頂裂隙發(fā)育的地方。巖滑是指一部分巖體沿著巖體較深處某種面的滑動(dòng)。巖滑可分為平面滑動(dòng)、楔形滑動(dòng)以及旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)。不同的巖層組成的邊坡，其變形破壞也有所不同，在黃土地區(qū)，邊坡的變形破壞形式以滑坡為主；在花崗巖、厚層石灰?guī)r、沙巖地區(qū)則以崩塌為主；在片巖、板巖、千枚巖地區(qū)則往往產(chǎn)生表層撓曲和傾倒等蠕動(dòng)變形。在碎屑巖及松散土層地區(qū)，則產(chǎn)生碎屑流或泥石流等。 影響邊坡穩(wěn)定性的因素主要有內(nèi)在因素和外部因素兩方面，內(nèi)在因素包括組成邊坡的地貌特征、巖土體的性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、巖土體結(jié)構(gòu)、巖體初始應(yīng)力等。外部因素包括水的作用、地震、巖體風(fēng)化程度、工程荷載條件及人為因素。內(nèi)在因素對(duì)邊坡的穩(wěn)定性起控制作用，外部因素起誘發(fā)破壞作用。 3 邊坡穩(wěn)定性的計(jì)算分析方法 邊坡穩(wěn)定性的數(shù)值計(jì)算分析 ]5[ ]6[ 目前最常見的數(shù)值分析方法有 :差分法、有限元法、邊界元法及各種耦合方法。有限元法具有節(jié)點(diǎn)配置方式 比較任意、對(duì)于具有復(fù)雜形狀的分析域可以使邊界節(jié)點(diǎn)完全落在區(qū)域邊界上、對(duì)變系數(shù)或非線性問題的適應(yīng)性較強(qiáng)等特點(diǎn)。 當(dāng)前數(shù)值計(jì)算方法在巖土工程中已得到廣泛應(yīng)用。其中，有限元法是邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分析中被廣泛采用的一種。特別是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、固體力學(xué)非線性理論與求解技術(shù)的不斷發(fā)展，采用有限元法可迅速有效地求解巖體結(jié)構(gòu)面的應(yīng)力、變形，并可根據(jù)相應(yīng)屈服準(zhǔn)則確定巖體的破壞區(qū)域。基于有限元法的穩(wěn)定性分析可充分考慮巖體結(jié)構(gòu)面間的相互作用和材料的非均質(zhì)、各向異性和非線性等，能較好的反映巖體失穩(wěn)的機(jī)理。并可根據(jù)不同的研究對(duì)象做不同的 處理，對(duì)于難以預(yù)知可能滑動(dòng)面的巖體，可以采用增載法跟蹤計(jì)算區(qū)域內(nèi)塑性區(qū)的發(fā)展趨勢(shì)，據(jù)此確定可能的滑動(dòng)面，再進(jìn)行穩(wěn)定性復(fù)核。對(duì)預(yù)先可知滑動(dòng)面或滑動(dòng)方向的巖體，可直接利用有限元分析結(jié)果進(jìn)行穩(wěn)定性復(fù)核。 數(shù)值分析方法有兩種發(fā)展趨勢(shì)：一、是有限元的發(fā)展，從平面有限元到三維有限元，從彈性有限元到彈塑性有限元，使有限元分析結(jié)果更能反映實(shí)際邊坡；二、是大量新型數(shù)值計(jì)算方法的應(yīng)用，如邊界元法、離散元法、拉格朗日元法等，這些數(shù)值方法的應(yīng)用必將促進(jìn)地下工程和巖溶地基穩(wěn)定性分析研究的發(fā)展。 某水庫(kù)邊坡穩(wěn)定性分析與加固治理 9 邊坡穩(wěn)定性的有限元分析 ]5[ ]6[ 有限元法是根據(jù)變分原理或加權(quán)余量法，通過(guò)分區(qū)插值離散化處理，將待解域內(nèi)的連續(xù)場(chǎng)函數(shù)轉(zhuǎn)化為求解有限個(gè)離散點(diǎn)處的場(chǎng)函數(shù)的一種數(shù)值方法。在應(yīng)用有限元法對(duì)巖體進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)時(shí)，可以對(duì)不同的單元根據(jù)具體情況指定不同的力學(xué)性質(zhì)，可以對(duì)節(jié)理裂隙等軟弱夾層設(shè)置適當(dāng)?shù)娜趺鎲卧?，可以方便地處理層狀巖體，還可以方便地處理各種不規(guī)則幾何形狀的邊界條件，因此是一種較為理想的分析巖體穩(wěn)定性的方法。 有限元法的基本思路：把土坡當(dāng)成變形體，按照土的變 形特性，計(jì)算出土坡內(nèi)的應(yīng)力分布，然后再引入圓弧滑動(dòng)面的概念，驗(yàn)算滑動(dòng)土體的整體抗滑穩(wěn)定性。 有限元法的應(yīng)用步驟： ⑴ 將土坡劃分成許多單元體，用有限元法可以計(jì)算出每個(gè)單元的應(yīng)力、應(yīng)變和每個(gè)結(jié)點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)力和位移； ⑵ 土坡的應(yīng)力計(jì)算出來(lái)以后，再引入圓弧滑動(dòng)面的概念。把一個(gè)可能的圓弧滑動(dòng)面分成若干小弧段△ Li，小弧段△ Li上的應(yīng)力用弧段中點(diǎn)的應(yīng)力代表，其值可以按有限元法應(yīng)力分析的結(jié)果，根據(jù)弧段中點(diǎn)所在的單元的應(yīng)力確定，表示為σ xi σ ziσ xzi ； ⑶ 求邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。將滑動(dòng)面上所有小弧段的剪應(yīng)力和抗剪強(qiáng) 度分別求出后，累加求沿著滑動(dòng)面的總的剪切力Στ i△ li 和抗剪力Στ fi，根據(jù)總的剪切力Στ i△ li 和抗剪力Στ fi求出邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。 采用有限元方法分析邊坡的大概有以下幾種 情況 ： ⑴ 按照彈塑性理論，對(duì)邊坡進(jìn)行有限元分析，得出邊坡完整的應(yīng)力應(yīng)變變形成果，可以預(yù)測(cè)邊坡區(qū)域由彈性變?yōu)樗苄缘耐暾?化 過(guò)程，為邊坡的治理、施工方法提供依據(jù)。現(xiàn)在很多程序可以進(jìn)行此類分析。 ⑵ 首先采用傳統(tǒng)的極限平衡法，找出最小安全系數(shù)的滑移面，或者已知滑移面，然后進(jìn)行有限元分析，將滑移面位置設(shè)置薄層單元或接觸單元，不斷降低 薄層單元的力學(xué)參數(shù)，直至邊坡失去平衡，邊坡的安全系數(shù)就是強(qiáng)度指標(biāo)（摩爾庫(kù)侖模型的凝聚力 C和摩擦系數(shù) tanφ ）降低的倍數(shù)。該方法需要預(yù)先定義滑移面位置，不能找出其他潛在滑移面，對(duì)已知滑移面的情況很適用，對(duì)一般邊坡并不適用。很多程序可以完成此類分析。 ⑶ 采用第一種方法分析后，然后按照傳統(tǒng)的極限平衡法，搜索滑移面，找出最小安全系數(shù)。該方法安全系數(shù)的定義與傳統(tǒng)方法相同，即為滑移面上的總抗剪強(qiáng)度（算術(shù)和）與總剪力的比值。這一方法源于傳統(tǒng)方法，該方法滑移面是人為規(guī)定的，有可能找不出其他潛在滑移面。 某水庫(kù)邊坡穩(wěn)定性分析與加固治理 10 在實(shí)際巖土工程 的數(shù)值模擬中，有限元法之所以占主導(dǎo)地位，是因?yàn)橛邢拊▽?duì)非均質(zhì)、各向異性和非線性的巖土材料具有良好的適應(yīng)性，能編制各類工程實(shí)際問題的有限元分析通用化程序，可以解決各種復(fù)雜的邊界問題。 邊坡穩(wěn)定性的離散元分析 ]5[ ]6[ 離散元法（ DEM）是由 Cundall（ 1971年）首先提出的。該方法利用中心差分法解析動(dòng)態(tài)松弛求解，為一種顯式解法，不需要求解大型矩陣，計(jì)算比較簡(jiǎn)便，其基本特征在于允許各個(gè)離散塊體發(fā)生平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、甚至 分離，彌補(bǔ)了有限元法或邊界元法的介質(zhì)連續(xù)和小變形的限制。因此，該方法特別適合塊裂介質(zhì)的大變形及破壞問題的分析。其缺點(diǎn)是計(jì)算時(shí)步需要很小，阻尼系數(shù)難以確定等。 基于非連續(xù)介質(zhì)模型的離散元方法在描述巖體這樣的具有明顯各向異性且力場(chǎng)受控于節(jié)理走向的介質(zhì)時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。其首先建立了邊坡問題的離散元模型，單元間采用面 面接觸的無(wú)張力彈塑性接觸模型；然后計(jì)算分析了臨界開挖深度 D與自然坡角α、節(jié)理傾角θ及剪切強(qiáng)度 C、φ之間的關(guān)系。該方法可以直觀地反映巖體變化的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)及速度場(chǎng)等各個(gè)參量的變化，可以模擬邊坡失穩(wěn)的全 過(guò)程。因此，采用離散元方法分析邊坡穩(wěn)定性是可行的，其計(jì)算結(jié)果對(duì)工程有一定的指導(dǎo)意義。 邊坡穩(wěn)定性的極限平衡分析 ]5[ ]6[ 以極限平衡理論為基礎(chǔ)的邊坡穩(wěn)定分析方法大體上經(jīng)歷了兩個(gè)發(fā)展階段。 20世紀(jì) 60年代以前，以滑弧法、塊體滑動(dòng)法等為代表，對(duì)滑面和塊體的形狀、力學(xué)平衡條件以及物理力學(xué)參數(shù)等方面，引入了較多的簡(jiǎn)化條件。 20世紀(jì) 60年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和普及，發(fā)展了 MorgensternPrice法（ 1965年 ） 、 Spencer法（ 1967年 ）、 Janbu法（ 1973年 ）、 Sarma法（ 1979年 ）等等方法，力圖使滑面的形狀以及力和力矩的分析更接近實(shí)際。但各種方法都是以剖面為對(duì)象的平面分析法。 極限平衡法在工程中應(yīng)用最為廣泛，這個(gè)方法以摩爾 — 庫(kù)侖抗剪強(qiáng)度理論為基礎(chǔ)，將滑坡體劃分為若干條塊，建立作用在這些條塊上的力的平衡方程式，求解安全系數(shù)。這個(gè)方法，沒有象傳統(tǒng)的彈、塑性力學(xué)那樣引入應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系來(lái)求解本質(zhì)上為靜不定的問題，而是直接對(duì)某些多余未知量作假定，使得方程式的數(shù)量和未知數(shù)的數(shù)量相等，因而使問題變得靜定可解。根 據(jù)邊坡破壞的邊界條件，應(yīng)用力學(xué)分析的方法，對(duì)可能發(fā)生的滑動(dòng)面，在各種荷載作用下進(jìn)行理論計(jì)算和抗滑強(qiáng)度的力學(xué)分析。通過(guò)反復(fù)計(jì)算和分析比較，對(duì)可能的滑動(dòng)面給出穩(wěn)定性系數(shù)。該方法的關(guān)鍵在于對(duì)滑體的范圍和滑面的某水庫(kù)邊坡穩(wěn)定性分析與加固治理 11 形態(tài)進(jìn)行分析，正確地選用滑面計(jì)算參數(shù)，正確地分析滑體的各種荷載?；谠撛淼姆椒ê芏?，如條分法、圓弧法、 Bishop法、 Janbu法、不平衡傳遞系數(shù)法等。 邊坡滑動(dòng)穩(wěn)定性的 Sarma 法 ]5[ ]6[ Sarma是一種邊坡 滑動(dòng)穩(wěn)定性分析方法 .該方法是 Sarma博士 1979年在其論文“ Stability analysis of embankments and slopes”中提出的，其后得到廣泛應(yīng)用。它的基本思想是：斜坡巖土體除非是沿一個(gè)理想的平面圓弧而滑動(dòng)，才可能作為一個(gè)完整剛體運(yùn)動(dòng)，否則，巖土體必先破壞成多塊相對(duì)滑動(dòng)的塊體才可能發(fā)生整體滑動(dòng)。因此它不但要求底滑面上作用力平衡，同時(shí)相鄰滑塊之間的相對(duì)滑動(dòng)面上也要作用力平衡。 Sarma 法是一種既滿足力的平衡又滿足力矩平衡的分析方法，計(jì)算時(shí)同時(shí)考慮滑體底面和側(cè)面的抗剪強(qiáng)度參數(shù) ，而且各滑塊可具有不同的 c、Φ值；滑塊的兩側(cè)可以任意傾斜（可以不用垂直條分），并不僅限于豎直邊界，因而能分析具有各種滑坡結(jié)構(gòu)特征的穩(wěn)定性，它可以用來(lái)評(píng)價(jià)各種類型滑坡的穩(wěn)定性，如平面滑動(dòng)、楔體滑動(dòng)、圓弧滑動(dòng)和非圓弧滑動(dòng)等各種復(fù)雜剖面巖土斜坡，且它無(wú)需條塊邊界垂直即無(wú)須垂直條分滑體，從而可以對(duì)各種特殊的邊坡破壞結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定極限平衡分析法采用垂直條分法，這個(gè)方法不能很好地考慮條塊側(cè)面的力的特性，特別是巖質(zhì)邊坡的斷層節(jié)理特征。 邊坡滑動(dòng)穩(wěn)定性的條分法 ]7[ 邊坡分析中首先應(yīng)對(duì)自然狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定程度進(jìn)行分