浅析边坡工程灾害防治

浅析边坡工程灾害防治摘要：近10多年，由于许露天矿山开发以及高速公路,铁路及大型建筑等项目越来越多，经常造成许多地质灾害，尤其是边坡工程灾害更是频频发生,造成了许多重大安全事故。本文将从边坡灾害类型，边坡稳定性分析，提出一些针对性防灾措施，为边坡治理工作提供借鉴。关键词：边坡工程；防治措施；滑坡；锚索0引言我国是一个多山的国家，山区面积占陆地国土面积的85%以上，全国约70%的人口生计依赖山区的资源。在山区进行公路、铁路、大坝、水库、矿山等基本建设，必然会涉及到大量的边坡工程问题。随着新一轮经济建设规模的扩大和发展，以滑坡为主要形式的边坡工程灾害问题也会越来越突出。统计资料表明:我国每年发生滑坡等地质灾害超过万次，由于各种地质灾害造成的直接经济损失达30一50亿元。[1]大量边坡工程灾害问题，往往导致工程建设成本的增加和工期的延后，有的甚至在工程运行期间还潜在危害，给各项建设事业带来严重的影响，甚至常常威胁人的生命安全。故为了有效地控制边坡工程灾害，减少由此带来的经济损失，对边坡工程灾害的发生机制，类型和防治技术进行深入的研究，具有重要的学术研究价值和现实意义。1边坡破坏的主要类型边坡的破坏类型从形态上可分为崩塌和滑坡。产生崩塌破坏的一般是岩质边坡，是指块状岩体与岩坡分离，向前翻滚而下。其特点是，在崩塌过程中，岩体中无明显滑移面。崩塌一般发生在既高又陡的岩坡前缘地段，这时大块的岩体与岩坡分离而向前倾倒，如图1-1(a)所示；或者，坡顶岩体由于某种原因脱落翻滚而在坡脚下堆积，如图1-1(b)和(c)所示。崩塌经常发生在坡顶裂隙发育的地方。其起因是由于风化等原因减弱了节理面的黏聚力，或是由于雨水进入裂隙产生水压力所致，或者也可能是由于气温变化、冻融松动岩石的结果，或者是由于植物根系生长造成膨胀压力，以及地震、雷击等原因而引起。自然界的巨型山崩，总是与强烈地震或特大暴雨相伴生。(a)倾倒破坏；(b)软硬互成坡体的局部崩塌和坠落；(c)崩塌破坏；1一砂岩；2一页岩所谓滑坡是指岩土体在重力作用下，沿坡内软弱面产生的整体滑动。与崩塌相比，滑坡通常以深层破坏形式出现，其滑动面往往深入坡体内部，甚至延伸到坡脚以下，其滑动速度虽比崩塌缓慢，但不同的滑坡其滑速可以相差很大，这主要取决于滑动面本身的物理力学性质。当滑动面通过塑性较强的岩土体时，其滑速一般比较缓慢；相反，当滑动面通过脆性岩石，如果滑面本身具有一定的抗剪强度，在构成滑面之前可承受较高的下滑力，那么一旦形成滑面即将下滑时，抗剪强度急剧下降，滑动往往是突发而迅速的。滑坡的滑动形式可分为平面滑动、楔形滑动以及旋转滑动。平面滑动是一部分岩土体在重力作用下沿着某一软弱面(基岩面、断层、裂隙)的滑动，如图1—2(a)所示。滑面的倾角必须大于滑面的内摩擦角，否则无论坡角和坡高的大小如何，边坡都不会滑动。平面滑动不仅要求滑体克服滑面底部的阻力，而且还要克服滑面两侧的阻力。在软岩(例如页岩)中，如果滑面倾角远大于内摩擦角，则岩石本身的破坏即可解除侧边约束，从而产生平面滑动。而在硬岩中，如果结构面横切到坡顶，解除了两侧约束时，才可能发生平面滑动。当两个软弱面相交，切割岩体形成四面体时，就可能出现楔形滑动(图1-2b)。如果两个结构面的交线因开挖而处于出露状态，不需要地形上或结构上的解除约束即可能产生滑动。法国Malpasset坝的崩溃(1656年)就是岩基楔形滑动的结果。旋转滑动的滑面通常呈弧形，如图1—2(c)，这种滑动一般产生于非成层的均质岩土体中。图1—2滑坡类型(a)平面破坏；(b)楔形破坏；(c)旋转滑动边坡实际的破坏形式是很复杂的，除上述两种主要破坏形式外，还有介于崩塌与滑坡之间的滑塌，以及倾倒、剥落、流动等破坏方式；有时也可能出现以某种破坏方式为主，兼有其他若干破坏形式的综合破坏。2边坡稳定的影响因素2.1．结构面在边坡破坏中的作用许多边坡在陡坡角和几百米高的条件下是稳定的，而许多平缓边坡仅高几十米就破坏了。这种差异是因为边坡的稳定性是随组成的边坡岩体中结构面(诸如断层、节理、层面等)的倾角而变化的。如果这些结构面是直立的或水平的，就不会发生单纯的滑动，此时的边坡破坏将包括完整性岩块的破坏以及沿着某些结构面的滑动。另一方面，如果岩体所含的结构面倾向于坡面，倾角又在30。-70。之间，就会发生简单的滑动。因此，边坡变形与破坏的首要原因，在于坡体中存在各种形式的结构面。岩体的结构特征对边坡应力场的影响主要表现为由于岩土体的不均一性和不连续性，使沿结构面周边出现应力集中和应力阻滞现象。因此，它构成了边坡变形与破坏的控制性条件，从而形成不同类型的变形与破坏机制。2．2边坡外形改变对边坡稳定性的影响河流、水库及湖海的冲刷及淘刷，使岸坡外形发生变化。当侵蚀切露坡体底部的软弱结构面，使坡体处于临空状态，或侵蚀切露坡体下伏软弱层的顶面时，使坡体失去平衡，最后导致破坏。人工削坡时未考虑岩体结构特点，切露了控制斜坡稳定的主要软弱结构面，形成或扩大了临空面，使坡体失去支撑，会导致斜坡的变形与破坏。施工顺序不当，坡顶开挖进度慢而坡脚开挖速度快，加陡斜坡或形成倒坡。坡角增加时，坡顶及坡面张力带范围扩大，坡脚应力集中带的最大剪应力也随之增大。坡顶、坡脚应力集中增大，会导致斜坡的变形与破坏。2.3．岩土体力学性质的改变对边坡稳定性的影响风化作用使坡体强度减小，坡体稳定性大大降低，加剧了斜坡的变形与破坏。坡体岩土风化越深，斜坡稳定性越差，稳定坡角越小。边坡的变形与破坏大都发生在雨期或雨后，还有部分发生在水库蓄水和渠道放水之后，有的则发生在施工排水不当的情况下。这些都表明水对斜坡稳定性的影响是显著的。当斜坡岩土体亲水性较强或有易溶矿物成分时，如含易溶盐类的黏土质页岩、钙质页岩、凝灰质页岩、泥灰岩或断层角砾岩等，浸水易软化、泥化或崩解，导致边坡变形与破坏。因此，水的浸润作用对斜坡的危害性大而普遍。2.4．各种外力直接作用对边坡稳定性的影响区域构造应力的变化、地震、爆破、地下静水压力和动水压力，以及施工荷载等，都使斜坡直接受力，对斜坡稳定的影响直接而迅速。边坡处于一定历史条件下的地应力环境中，特别是在新构造运动强烈的地区，往往存在较大的水平构造残余应力。因而这些地区边坡岩体的临空面附近常常形成应力集中，主要表现为加剧应力差异分布。这在坡脚、坡面及坡顶张力带表现得最明显。研究表明，水平构造残余应力愈大，其影响愈大，二者成正比关系。与自重应力状态下相比，边坡变形与破坏的范围增大，程度加剧。由于雨水渗入，河水水位上涨或水库蓄水等原因，地下水位抬高，使斜坡不透水的结构面上受到静水压力作用，它垂直于结构面而作用在坡体上，削弱了该面上所受滑体重量产生的法向应力，从而降低了抗滑阻力。坡体内有动水压力存在，会增加沿渗流方向的推滑力，当水库水位迅速回落时尤甚。地震引起坡体振动，等于坡体承受一种附加荷载。它使坡体受到反复振动冲击，使坡体软弱面咬合松动，抗剪强度降低或完全失去结构强度，斜坡稳定性下降甚至失稳。地震对斜坡破坏的影响程度，取决于地震强度大小，并与斜坡的岩性、层理、断裂的分布和密度以及坡面的方位和岩土体的含水性有关。由上述可见，应根据岩土体的结构特点、水文地质条件、地形地貌特征，并结合区域地质发育史，分析各种营力因素的作用性质及其变化过程，来论证边坡的稳定性。[2]3.边坡稳定性分析的研究现状滑坡是最重要的一类边坡工程问题，也是研究最多的边坡工程灾害。边坡稳定性分析和评价是滑坡研究的核心。国内外许多学者都研究过这个课题。从己有的文献资料看，边坡稳定性分析方法可以分为以下四类:①条分法，包括垂直条分法和斜条分法。②极限分析法，包括各种近似解法。③滑移线法，实际上是极限分析法的一种严密解法。④数值方法。包括有限单元法，离散单元法，有限差分法等。目前，工程实践中应用得最广的还是各种条分法。条分法的特点是将滑坡体当成刚体，在假设的滑面上采用摩尔一库仑破坏准则，只考虑静力平衡条件，通过分析处于极限平衡状态的滑坡体的力的平衡来求得问题的解。由于大多数情况下，问题是超静定的。对于划分了n个条块的问题，由摩尔一库仑破坏准则和静力平衡条件只能建立n4个方程，而问题的未知数却有6n一2个，为了使问题静定可解，需引入2n一2个假设[3]。根据不同的简化假设，条分法包括瑞典圆弧法，简化Bishop法，Morgstem-price法，Lowe一Karfiath法，简化Janbu法，Janbu通用条分法，Spencer法，不平衡推力传递系数法以及用于岩质边坡分析的剩余推力法和Sarma法。各种条分法由于引入了各种人为假定，同时不能考虑岩土体内部的应力应变关系和岩土材料的非线性，在理论上缺乏严密性。因此，许多学者致力于发展边坡稳定分析的极限分析方法。极限分析法利用变分原理建立极值定理，求解边坡稳定问题。极限分析法一般将坡体材料看成摩尔-库仑材料，采用遵从相关流动法则的摩尔一库仑破坏准则。也有学者研究了考虑材料非线性行为的极限分析法。在我国，潘家铮(1980)在极值定理的基础上，提出了边坡稳定性问题的最大值和最小值原理，奠定了极限平衡法的理论基础。他指出，滑坡发生时，其内力会自动调整，以发挥最大的抗滑能力，同时，真实的滑裂面是提供最小的抗滑能力的那个。陈祖煌(1998)131]对该原理进行了理论上的证明。孙君实(1984)在最大值和最小值原理的基础上，应用模糊数学理论，对解的合理性问题提出了模糊约束条件，并对潘家铮的论点作了证明，发展了极限分析法。Donald和陈祖煌(Donald和Chen，1997)开发一个基于对土条斜分条的极限分析方法。该法假定滑动土体在滑面和倾斜界面上均达到了极限平衡，用虚功原理来求解安全系数。条分法和极限分析法的主要区别是后者假定土体的每一个单元都达到了极限平衡状态，通过求解一组微分方程的边值问题来求解边坡的安全系数。而前者只假定土体沿滑裂面达到了极限平衡，为了使问题静定可解，引入了不同的条间力假设。同时，条分法和极限分析法(包括滑移线法)也是有联系的，它们都是以刚塑性模型为基础，考虑刚塑性体一部分或全部都在荷载作用下处于极限平衡状态。沈珠江(2000)将它们统一称为极限平衡理论。条分法不要求滑体内每一点的应力状态都处于极限平衡状态。因此，所获得的解应小于或等于使边坡发生破坏的真实荷载，在塑性力学领域，属于下限解。滑移线法是假定土体处处达到了极限平衡条件，因此，得到的是一个上限解。一般的，极限分析法的近似解法属于下限解和上限解之间解法。塑性极限分析法考虑了坡体是完全塑性的应力一应变关系。和传统的条分法一样，极限分析法也无法考虑实际的应力历史和加载时的应力条件，无法分析边坡稳定性随着坡体变形和应力发展而渐进破坏的过程。同时，由于极限分析法寻求的是一种理论上“完美”的解析形式的闭合解，对于具有复杂岩土体结构和边界条件的边坡问题，采用解析解的方法往往是不可能的。随着计算机技术的发展，数值分析方法在边坡稳定分析领域取得了巨大的进展。数值方法可以模拟边坡加载、卸载的全过程，可通过严格的应力、应变分析求解边坡的极限荷载。数值分析方法按照模型材料的假定条件可以大致分为两类。一类是基于连续介质的分析方法。包括有限元法，边界元法，快速拉格朗日差分法(FLAC法)等。这些方法具有强大的处理复杂几何边界和材料非线性的能力。同时可以模拟有限条数的岩体结构面。这是目前理论体系比较严格也比较成熟的一类方法。另一类是基于非连续介质的分析方法。包括离散元法，界面元法，DDA方法，流形元法等。这些方法具有强大的处理非连续介质和大变形的能力，不仅能够比较真实地模拟边坡应力应变和变形发展、破坏的全过程，而且还可以动画的形式提供边坡破坏以后塌落、崩解过程。[4]4.边坡灾害的防治方法中国在20世纪五60年代，治理滑坡常采用地表排水、削方减载、填土反压、抗滑挡墙等措施。到七八十年代，开始使用抗滑桩并普遍重视支挡的作用，因为抗滑桩具有布置灵活、施工简单、对滑坡扰动小等优点，受到工程师和施工单位的欢迎，应用普遍，逐步形成抗滑桩为主，结合削方减载，地表排水的滑坡综合治理技术，