【文章內(nèi)容簡介】 取各 種防護加固措施，并對各種防護加固方案進行了經(jīng)濟效益性和適用可靠性評價。 2 邊坡穩(wěn)定性的影響因素 地質(zhì)構(gòu)造 在區(qū)域構(gòu)造比較復雜，褶皺比較強烈，新構(gòu)造運動比較活動的地區(qū)，邊坡穩(wěn)定性差。斷層帶巖石破碎，風化嚴重，又是地下水最豐富和活動的地區(qū)極易發(fā)生滑坡。巖層或結(jié)構(gòu)的產(chǎn)狀對邊坡穩(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。堅硬完整的塊狀或厚某水庫邊坡穩(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，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，可以直立陡峻，但一經(jīng)水浸土的強度大減，變形急劇，滑動速度快，規(guī)模和動能巨大，破壞力強且有崩塌性。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，將對邊坡巖土體產(chǎn)生動水壓力。水對邊坡巖體還產(chǎn)生軟化或泥化作用，使巖土體的抗剪強度大為降低；地表水的沖刷，地下水的溶蝕和潛蝕也直接對邊坡產(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：其一是當邊 坡被水庫淹沒時，庫水對邊坡面所產(chǎn)生的靜水壓力；其二是當裂隙巖石邊坡的張裂隙充水時，裂隙中的水壓力。 ① 邊坡坡面上的靜水壓力：當邊坡被水淹沒，而邊坡的表部相對不透水時，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期干旱的裂隙粘土邊坡，如果因降雨或地下水活動使裂隙充水，則裂隙面將承受靜水壓力。 由于裂隙水活動的不規(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，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?。怀隹诠?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)定嚴重惡化。 某水庫邊坡穩(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，這對邊坡的穩(wěn)定不利。不少水庫周圍松散堆積層邊坡，在水庫蓄水時發(fā)生變形，浮托力的影響是原因之一。對處于極限穩(wěn)定狀態(tài)，依靠坡腳巖體重 量保持暫時穩(wěn)定的邊坡，坡腳被水淹沒后，浮托力對邊坡穩(wěn)定的影響就更加顯著。 ⑶ 動水壓力 動水壓力的方向和水流方向平行，在近似計算中，多假定與地下水面或滑面平行，如果動水壓力方向和滑體滑動方向不一致，則應分解為垂直和平行于滑面的兩個分量參與穩(wěn)定計算。在邊坡穩(wěn)定的實際計算中，由于滲流方向不是定值，且水力梯度不易精確確定，一般則作簡化假定，以采用不同的滑體塊體密度將動水壓力的影響計入。即在地下水位以下靜水位以上有滲流活動的滑體，計算下滑力時，采用飽和塊體密度；計算抗滑力時，采用浮塊體密度。 地震作用 地震 對邊坡穩(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。 ⑴ 累積效應 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與地震振動系數(shù) k之積表示 (S=kW)。在一般邊坡穩(wěn)定性計算中，將地震附加力考慮為水平指向坡外的力。但實際上應以垂直與水平地震力的合力的最不利方向為計算依據(jù)?？偽灰屏康拇笮〔粌H與震動強度有關(guān)，也與經(jīng)歷的震動次數(shù)有關(guān)，頻繁的小震對斜坡的累進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，結(jié)構(gòu)面強度降低。 ⑵ 觸發(fā) (誘發(fā) )效應 觸發(fā)效應可有多種表現(xiàn)形式。在強震區(qū)，地震觸發(fā) 的崩塌、滑坡往往與斷裂活動相聯(lián)系。高陡的陡傾層狀邊坡，震動可促進陡傾結(jié)構(gòu)面 (裂縫 )的擴展，并引起陡立巖層的晃動。它不僅可引發(fā)裂縫中的空隙水壓力 (尤其是在暴雨期 )激增而導致破壞，也可因晃動造成巖層根部巖體破碎而失穩(wěn)。 碎裂狀或碎塊狀邊坡，強烈的震動 (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 會產(chǎn)生滑坡的重要原因之一。 某水庫邊坡穩(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)上來看可分為巖崩和巖滑兩種。巖崩一般發(fā)生在邊坡過陡的巖坡中，這時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。巖滑可分為平面滑動、楔形滑動以及旋轉(zhuǎn)滑動。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)、巖體初始應力等。外部因素包括水的作用、地震、巖體風化程度、工程荷載條件及人為因素。內(nèi)在因素對邊坡的穩(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)定性的計算分析方法 邊坡穩(wěn)定性的數(shù)值計算分析 ]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)點配置方式 比較任意、對于具有復雜形狀的分析域可以使邊界節(jié)點完全落在區(qū)域邊界上、對變系數(shù)或非線性問題的適應性較強等特點。 當前數(shù)值計算方法在巖土工程中已得到廣泛應用。其中，有限元法是邊坡穩(wěn)定性評價分析中被廣泛采用的一種。特別是隨著計算機技術(shù)、固體力學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)面的應力、變形，并可根據(jù)相應屈服準則確定巖體的破壞區(qū)域?；谟邢拊ǖ姆€(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)的機理。并可根據(jù)不同的研究對象做不同的 處理，對于難以預知可能滑動面的巖體，可以采用增載法跟蹤計算區(qū)域內(nèi)塑性區(qū)的發(fā)展趨勢，據(jù)此確定可能的滑動面，再進行穩(wěn)定性復核。對預先可知滑動面或滑動方向的巖體，可直接利用有限元分析結(jié)果進行穩(wěn)定性復核。 數(shù)值分析方法有兩種發(fā)展趨勢：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)果更能反映實際邊坡；二、是大量新型數(shù)值計算方法的應用，如邊界元法、離散元法、拉格朗日元法等，這些數(shù)值方法的應用必將促進地下工程和巖溶地基穩(wěn)定性分析研究的發(fā)展。 某水庫邊坡穩(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，通過分區(qū)插值離散化處理，將待解域內(nèi)的連續(xù)場函數(shù)轉(zhuǎn)化為求解有限個離散點處的場函數(shù)的一種數(shù)值方法。在應用有限元法對巖體進行穩(wěn)定性評價時，可以對不同的單元根據(jù)具體情況指定不同的力學性質(zhì)，可以對節(jié)理裂隙等軟弱夾層設置適當?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：把土坡當成變形體，按照土的變 形特性，計算出土坡內(nèi)的應力分布，然后再引入圓弧滑動面的概念，驗算滑動土體的整體抗滑穩(wěn)定性。 有限元法的應用步驟： ⑴ 將土坡劃分成許多單元體，用有限元法可以計算出每個單元的應力、應變和每個結(jié)點的結(jié)點力和位移； ⑵ 土坡的應力計算出來以后，再引入圓弧滑動面的概念。把一個可能的圓弧滑動面分成若干小弧段△ Li，小弧段△ Li上的應力用弧段中點的應力代表，其值可以按有限元法應力分析的結(jié)果，根據(jù)弧段中點所在的單元的應力確定，表示為σ xi σ ziσ xzi ； ⑶ 求邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。將滑動面上所有小弧段的剪應力和抗剪強 度分別求出后，累加求沿著滑動面的總的剪切力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，對邊坡進行有限元分析，得出邊坡完整的應力應變變形成果，可以預測邊坡區(qū)域由彈性變?yōu)樗苄缘耐暾?化 過程，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，然后進行有限元分析，將滑移面位置設置薄層單元或接觸單元，不斷降低 薄層單元的力學參數(shù)，直至邊坡失去平衡，邊坡的安全系數(shù)就是強度指標（摩爾庫侖模型的凝聚力 C和摩擦系數(shù) tanφ ）降低的倍數(shù)。該方法需要預先定義滑移面位置，不能找出其他潛在滑移面，對已知滑移面的情況很適用，對一般邊坡并不適用。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。 某水庫邊坡穩(wěn)定性分析與加固治理 10 在實際巖土工程 的數(shù)值模擬中，有限元法之所以占主導地位，是因為有限元法對非均質(zhì)、各向異性和非線性的巖土材料具有良好的適應性，能編制各類工程實際問題的有限元分析通用化程序，可以解決各種復雜的邊界問題。 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態(tài)松弛求解，為一種顯式解法，不需要求解大型矩陣，計算比較簡便，其基本特征在于允許各個離散塊體發(fā)生平動、轉(zhuǎn)動、甚至 分離，彌補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。其缺點是計算時步需要很小，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受控于節(jié)理走向的介質(zhì)時具有獨特的優(yōu)勢。其首先建立了邊坡問題的離散元模型，單元間采用面 面接觸的無張力彈塑性接觸模型；然后計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力場、位移場及速度場等各個參量的變化，可以模擬邊坡失穩(wěn)的全 過程。因此，采用離散元方法分析邊坡穩(wěn)定性是可行的，其計算結(jié)果對工程有一定的指導意義。 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的邊坡穩(wěn)定分析方法大體上經(jīng)歷了兩個發(fā)展階段。 20世紀 60年代以前，以滑弧法、塊體滑動法等為代表，對滑面和塊體的形狀、力學平衡條件以及物理力學參數(shù)等方面，引入了較多的簡化條件。 20世紀 60年代以來，隨著計算機技術(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際。但各種方法都是以剖面為對象的平面分析法。 極限平衡法在工程中應用最為廣泛，這個方法以摩爾 — 庫侖抗剪強度理論為基礎，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)。這個方法，沒有象傳統(tǒng)的彈、塑性力學那樣引入應力－應變關(guān)系來求解本質(zhì)上為靜不定的問題，而是直接對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，應用力學分析的方法，對可能發(fā)生的滑動面，在各種荷載作用下進行理論計算和抗滑強度的力學分析。通過反復計算和分析比較，對可能的滑動面給出穩(wěn)定性系數(shù)。該方法的關(guān)鍵在于對滑體的范圍和滑面的某水庫邊坡穩(wěn)定性分析與加固治理 11 形態(tài)進行分析，正確地選用滑面計算參數(shù)，正確地分析滑體的各種荷載。基于該原理的方法很多，如條分法、圓弧法、 Bishop法、 Janbu法、不平衡傳遞系數(shù)法等。 邊坡滑動穩(wěn)定性的 Sarma 法 ]5[ ]6[ Sarma是一種邊坡 滑動穩(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，其后得到廣泛應用。它的基本思想是：斜坡巖土體除非是沿一個理想的平面圓弧而滑動，才可能作為一個完整剛體運動，否則，巖土體必先破壞成多塊相對滑動的塊體才可能發(fā)生整體滑動。因此它不但要求底滑面上作用力平衡，同時相鄰滑塊之間的相對滑動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，計算時同時考慮滑體底面和側(cè)面的抗剪強度參數(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，它可以用來評價各種類型滑坡的穩(wěn)定性，如平面滑動、楔體滑動、圓弧滑動和非圓弧滑動等各種復雜剖面巖土斜坡，且它無需條塊邊界垂直即無須垂直條分滑體，從而可以對各種特殊的邊坡破壞結(jié)構(gòu)進行穩(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。 邊坡滑動穩(wěn)定性的條分法 ]7[ 邊坡分析中首先應對自然狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定程度進行分