中国岩石高边坡工程及其研究

1中国岩石高边坡工程及其研究黄润秋1概述岩石高边坡稳定性问题是我国20世纪70年代以后出现的最具特色的工程地质问题之一。这一问题的出现并呈现为强烈的中国特色，完全是由我国独特的地形地质条件和作为一个发展中国家所面临的大规模工程建设所决定的。尤其是20世纪80年代以来，我国经济的高速增长，极大地刺激了资源﹑能源的开发，交通体系的完善和城镇的都市化进程，大型工程活动数量之多、规模之大、速度之快、波及面之广，举世瞩目；毫无疑问，随之在不同领域也带来了众多的高边坡工程问题（表1）。以西南地区为例，地处青藏高原的东侧，受青藏高原近百万年来持续隆升的影响，在青藏高原与云贵高原和四川盆地之间形成了总体呈南北走向的巨大的大陆地形坡降带，构成我国大陆地形从西向东急剧骤降的特点；在此过程中，发育于青藏高原的长江（金沙江）及其主要支流（雅聋江、大渡河、岷江）以及雅鲁藏布江、澜沧江、怒江、大渡河等深切成谷，从而在这个巨大的大陆地形坡降带上形成高山峡谷的地貌特征，不仅蕴藏了丰富的水能资源，同时，也构成高陡边坡的基本地貌景观。而这个地区修建或拟建的巨型﹑大型水利水电工程，边坡高度小则百余米，大则达300～1000米,加之现代构造活动强烈,自然动力地质作用发育,因此,岩石高边坡通常处于复杂的地质环境并具有复杂的地质结构，构成我国大型水电工程建设中的一个关键工程技术难题无疑,对工程修建的可行性决策起到重要的控制作用,并在很大程度上影响着工程建设的投资及运营效益。因此，20世纪80年代以来,人们清醒的认识到必须加强复杂岩体中高陡边坡稳定性的理论研究，必须加强重大工程边坡稳定性的应用研究。可以说，这一问题的复杂程度和其所具有的挑战性在全世界范围内也是少见的。在大规模工程建设中，岩石高边坡，一方面作为工程建（构）筑物的基本环境，工程建设会在很大程度上打破原有自然边坡的平衡状态，使边坡偏离甚至远离平衡状态，控制与管理不当会带来边坡变形与失稳，形成边坡地质灾害；另一方面，它又构成工程设施的承载体，工程的荷载效应可能会影响和改变它的承载条件和承载环境，从而反过来影响岩石边坡的稳定性。因此，岩石高边坡的稳定问题不仅涉及到工程本身的安全，同时也涉及到整体环境的安全；岩石高边坡的失稳破坏不仅会直接摧毁工程建设本身，而且也会通过环境灾难对工程和人居环境带来间接的影响和灾害。因此，对岩石高边坡稳定性的研究一直是我国20世纪工程地质学领域的热点和难点科学与工程技术问题。表1不同部门岩石工程高边坡类型及特点建议高边坡定义一般高边坡高度范围边坡及边坡工程特点水电系统100m人工：100-700m自然：100-1000m边坡高度大，地质结构及环境条件复杂，工程对边坡质量要求高，常需要保证永久稳定。矿山系统100m100-500m边坡高度大，地质结构较复杂,工程对边坡质量有一定要求,但通常考虑极限设计.铁道系统50人工：50-150m自然：100-300m边坡高度一般较大，地质结构及环境条件复杂，对边坡质量要求高，但通常要求线路快速通过。公路系统30m人工：30-80m自然：30-150m边坡高度一般较小,地质结构及环境条件相对简单,对边坡质量要求较高。城建系统15m人工：15-50m自然：15-100边坡高度小,地质结构及环境条件相对简单,对边坡质量要求高。22认识与回顾20世纪，我国岩石高边坡理论与实践主要是伴随60-70年代以来西南地区水电开发、铁路建设和金川、抚顺等大型露天矿山开采的需求而发展起来的。其中尤以水电开发所遇到的高边坡问题最为突出、最为典型，对这一时期我国岩石高边坡理论和实践发展的推动作用也最大。表2列出了20世纪我国大型水电工程勘测设计与施工中所遇到的典型高边坡实例。表3则简单回顾总结了20世纪60年代以来我国岩石高边坡工程理论与实践发展的总体历程。表2中国水电站建设高边坡工程名称边坡位置坡高(米)岩性存在的主问题龙羊峡泄水消能区200变质砂岩及花岗岩贯穿拉裂缝和缓倾角裂隙、虎丘山稳定、虎山坡雾化等天生桥二级厂房后高边坡180-300砂页岩夹泥岩层状和裂隙岩体高边坡天生桥一级溢洪道120灰岩顺向、逆向构造坡向家坝左岸马步坎600砂、泥岩互层坡顶和深部拉裂带溪洛渡左、右岸300玄武岩层间、层内错动带锦屏左岸350-600大理岩、砂板岩深部拉裂漫湾左岸坝肩180微风化流纹岩滑面加固后继续下挖大柳树左、右岸200砂板岩松动岩体、深部拉裂隔河岩厂房190页岩上层页岩硬，下层软苗家坝左、右岸220楔体变形、深部拉裂五强溪大坝左岸170砂岩、石英岩层状结构，蠕变及顺岩层滑移李家峡左,右岸坝肩厂房及泄水建筑220片岩、变质岩混合层间挤压断层、NE的裂隙发育小浪底引水系统进出口120砂岩泥岩互层岩体软弱、断裂发育三峡左岸船闸170闪云斜长花岗岩边坡高陡，断层和节理裂隙发育小湾左、右岸700片麻岩,少量片岩强卸荷，倾倒，楔形体，蠕滑龙滩左岸进水口260页岩,砂岩,板岩蠕变体中的开挖边坡拉西瓦坝区左岸700花岗岩深部拉裂和缓倾角裂隙60~70年代，伴随我国西南地区水能资源开发序幕的揭开，在一些水电工程的前期勘探过程中，开始遇到岩石高边坡的问题，如四川的龚嘴、二滩、贵州乌江渡、。。。。。除了与一般边坡类似的特征和问题外，最为引起工程地质学家注意的是这些边坡所表现出的复杂变形破坏现象，它们都难以用通常静力学观点去认识，尤其是如何解释滑动面的形成过程，这些现象从某种程度上蕴涵了边坡的变形破坏机理及其演化过程，而阐明这一过程是认识复杂高边坡稳定性现状并预测其未来变化的重要基础与前提。这个时期，岩石力学的发展为这个问题的解决提供了理论的源泉，它帮助工程地质学家认识到了边坡岩体的“可变形性”、变形的“时效性”和岩体结构对这种变形乃至最终破坏可能起到的控制作用，从而开始了对地质灾害的形成演变进行“地质过程机制分析”的时代[1][2]。70年代中后期的金川露天矿、抚顺西露天采的开采引发的高边坡变形与失稳问题更加引起了人们对这一问题的关注[3][4][5]。这一阶段主要的研究的是在大量实际工程研究的基础上，对边坡变形破坏机理进行系统深入的机理分析和模式总结。最为突出的理论贡献是地应力对边坡变形破坏的引入和变形破坏基本地质力学模式的提出。但受这一时期理论和研究手段的限制，人们还无从对这一复杂过程进行力学量化的描述，更多的还是建立在“概念模型”基础上的定性分析。80年代，工程地质学的发展进入了定性向定量发展的新阶段，工程地质学及边坡科学研3表3岩石高边坡工程实践与研究发展历程时期工程实践主导学术思想理论基础及基本观点分析技术典型高边坡工程及灾害滑坡事件19651980199019952000西南﹑西北地区水电工程建设﹑三线铁路建设，露天矿的开发揭示了一系列具有典型时效过程的大型滑坡。地质过程机制分析方法，工程地质力学工程地质学+弹塑性力学+流变学概念(可变形性﹑结构控制非连续﹑流变介质)解析分析方法为主瓦依昂滑坡(1963)龚嘴电站边坡大渡河李子坪滑坡雅砻江霸王山滑坡雅砻江金龙山滑坡乌江黄崖边坡变形金川露天矿边坡三峡工程库区库岸稳定性评价﹑黄河上游一系列大型水电工程(龙羊峡﹑拉西瓦﹑李家峡等)坝区库区高边坡稳定性评价地质过程机制分析—定量评价工程地质学+岩石力学+现代数理统计和数值模拟理论(确定性的分析方法为主)数值+物理模拟盐池河岩崩(1980.6.3)鸡趴子滑坡(1982.7.17)撒勒山滑坡(1983.3.7)新滩滑坡(1985.6.12)中阳村滑坡(1988.1.10)溪口滑坡(1989.7.10)漫湾坝肩滑坡(1989.1.8)龙羊峡近坝库岸高边坡拉西瓦坝区高边坡李家峡库坝区高边坡金沙江向家坝﹑溪洛渡，雅砻江锦屏﹑官地，澜沧江小湾，白龙江苗家坝等大型水电工程高边坡.系统工程地质学工程地质系统集成法现代工程地质学+系统科学(强调系统性﹑强调过程的模拟再现)过程模拟天生桥二级水电站高边坡链子崖危岩体治理黄蜡石滑坡治理黄土坡滑坡(1995.6.10)鸡冠岭滑坡(1994.4.30)甘肃黄茨滑坡(1995.3)三峡工程船闸高边坡，链子崖危岩体治理，小湾、锦屏高边坡。系统工程地质或工程地质系统集成法，基于变形理论的设计系统工程地质学（含非线性科学）变形过程控制理论(强调系统的非线性过程演化及过程控制)过程模拟与过程控制三峡船闸高边坡链子崖危岩体治理，李家峡水电站高边坡小湾高边坡锦屏水电站高边坡究进入了蓬勃发展的新时期。一方面，随着计算机技术的迅速发展和现代力学、现代数值分析理论的进步，模拟技术开始广泛地应用于地质灾害分析，尤其是机制分析；针对介质的特点，先后出现了线弹性模拟、弹塑性模拟和考虑时间效应的粘-弹-塑性模拟[6]，后期还出现了准大变形和运动过程的离散单元模拟，乃至全过程模拟等。基于相似理论的物理模拟技术也得到了相应的发展。借助于方法的更新和手段的进步，人们对地质灾害的认识不再仅仅停留于“概念模型”阶段，而是通过模拟，把“概念模型”上升为“理论模型”，进一步从内部作用过程(机制)上揭示边坡地质灾害的发育及滑动面的形成过程，以及这一过程所反映的边坡稳定性状况和蕴涵的今后的变化信息，从而为复杂边坡的稳定性评价及预测提供了重要的理论方法和工具。这一阶段的发展促使“地质过程机制分析”的学术思想体系上升到了“地质过程机制分析-定量评价”的新阶段[7]。另一方面，学科之间的相互渗透使许多与现代科学有关的一系列理论方法,如系统论方法、信息论方法、模糊数学、灰色理论、数量化理论及现代概率统计等被引入边坡科学研究,从而大大促进了理论的更新和应用研究及决策水平的提高。但所有这些方法，在描述方法上仍未脱离传统的线性领域范畴。90年代，尤其是三峡工程建设和西部开发的实施，工程建设的需求极大地推动了我国20世纪岩石高边坡工程理论与实践的发展。这一阶段有以下三个方面标志性的成就。一是4从80年代末期开始，系统科学的思想被引入复杂地质过程和高边坡稳定性研究，人们从系统与系统之间、系统内部各子系统之间的信息传递上认识到了复杂高边坡地质体的稳定性及其控制机制和可能的控制途径，从而开始了从认识地质体向适应乃至改造地质体、从认识边坡变形破坏行为向控制灾害发生的过渡，诞生了“系统工程地质学”和“工程地质系统集成”和“互馈作用”等学术思想[8][9][10]。另一标志是90年代初，非线性科学被引入到了边坡灾害的研究。人们不仅通过一般系统科学认识到了复杂灾害系统的物理构成，而且借助于非线性科学，认识到了系统形成与演变的非线形特性，从而跨越了从线性系统到非线形系统的历史性转变。它认为地质灾害是由一系列非平衡不稳定事件产生空间、时间、功能和结构上的自组织行为，从而导致开放系统远离平衡态的结果，籍此相继建立了一些初步描述边坡行为的动力学方程，提出了一些基于突变理论、分形理论及非线性动力学理论的预测模型[11~12]。与此同时，伴随长江三峡工程船闸高边坡、链子崖岩体高边坡等相继进入治理施工阶段，从而在很大程度上推动了我国岩石高边坡的稳定性控制和监测技术的方法和技术进步，其标志性成果是大吨位岩石锚固工程的开展[13，14]，我国先后在天生桥水电站二级厂房后高边坡、黄河小浪底进水口高边坡、长江三峡船闸高边坡、链子崖危岩体高边坡等应用大吨位岩石锚固对边坡实施了成功的加固处理。3岩石高边坡变破坏机理研究岩石高边坡变形破坏机理，是岩石高边坡稳定性评价的重要理论基础，同时，也是高边坡变形与稳定性控制的重要依据。因此，变形破坏机理研究在岩石高边坡工程中一开始就受到高度重视。20世纪60~70年代以来，通过西南地区水电建设的前期勘测工作和诸如金川露天矿等大型露天矿工程实践，这一方面最为重要的理论贡献就是岩石边坡变形破坏基本地质力学模型的建立和以此为依据的边坡机制分类体系的建立[1][2][3][9][15]。除了以上文献所描述的这方面的成果外，还有以下一些特殊的岩石高边坡变形破坏机理被揭露。（1）滑移-拉裂-剪断三段式机理所谓边坡变形-破坏的滑移-拉裂-剪断三段式模式是指边坡的变形破坏具有分三段发育的特征，即下部沿近水平或缓倾坡外（内）结