王艷 陳鎮(zhèn)

摘 要：文章在對巖石邊坡進行穩(wěn)定性分析的過程中以人工智能、進化計算、系統(tǒng)科學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊數(shù)學(xué)等等先進理論為基礎(chǔ)，運用了大量的方法，對巖石邊坡系統(tǒng)的不確定性和工程經(jīng)驗進行了綜合性研究，例如極限平衡法、定性和定量分析、數(shù)值分析法和其他方法等等，通過此次研究，我認為應(yīng)該降低巖石的剪應(yīng)力或者建筑防止滑動的堅固支撐，同時在采取措施防治邊坡滑動時，應(yīng)該因地制宜。

關(guān)鍵詞：極限平衡法；數(shù)值分析法；巖石邊坡穩(wěn)定性分析

邊坡是為了保持路基穩(wěn)定而建立的有一定坡度的坡面，在公路周邊我們都可以看到相似的邊坡，邊坡屬于最基本的地質(zhì)環(huán)境之一，是人類工程活動中不可缺少的，通常情況下，將邊坡分為巖石類、砂類、粘土類、碎石類等等，其中巖石類的邊坡是人工邊坡中最常見的邊坡，它的特點是：坡度大，和其他類型的邊坡相比，由于其長期受到外力的侵蝕，植被的恢復(fù)難度遠遠高于其他類型的邊坡。近幾年，我國對于巖石邊坡的穩(wěn)定性分析及防治都非常重視，巖石邊坡在我國應(yīng)用非常廣泛，例如三峽工程、西部大開發(fā)等等。具體表現(xiàn)為三峽船閘高邊坡、鏈子崖危巖體，除此之外，由于城市建設(shè)或者移民遷建用地等等都有可能形成邊坡。人們想盡辦法解決巖石邊坡問題的過程，也是巖石邊坡穩(wěn)定性分析發(fā)展的過程，近年來，隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，人們了解巖石邊坡的渠道也越來越多，分析巖石邊坡穩(wěn)定性的方法也隨之增加，并在這方面取得了不少的研究成果。本文將詳細介紹巖石邊坡的主要研究方向和研究成果，并對其特點和適用條件進行分析，希望能對未來分析巖石邊坡的穩(wěn)定性起到一定的作用。

一、邊坡穩(wěn)定性分析方法

邊坡發(fā)生破壞性失穩(wěn)屬于一種地質(zhì)災(zāi)害，每個邊坡都是由不同的巖石組成的，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，一旦邊坡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到影響，邊坡的穩(wěn)定性就會受到影響，使邊坡發(fā)生破壞性失穩(wěn)的因素有很多，不同的破壞模式就會對邊坡造成不同的破壞，也會產(chǎn)生不同的滑動面，所以對邊坡的穩(wěn)定性進行分析時，應(yīng)對不同的邊坡采取不同的分析方法和計算公式。一般情況下，我們對邊坡的穩(wěn)定性進行分析之時，都會采用定性分析和定量分析兩種方法，其中圖解法和類比法屬于定性分析，圖解法還分為實體比例投影、赤平極射投影和摩擦圓法等等。定量分析法主要分為極限平衡法、可靠度分析法和數(shù)值分析法三種，其中可靠度分析法包括隨機有限元法和蒙特卡羅法，數(shù)值分析法主要有邊界元（BEM）、有限元（FEM）和離散元（DEM）等方法。

目前我國在分析巖石邊坡穩(wěn)定性所采取的方法主要分為數(shù)值分析法和極限平衡法，其中數(shù)值分析法包括有限元、離散元、塊體元、DDA等方法，先確定邊坡的應(yīng)力場和位移場，然后再采用強度儲備法、超載法等多種方法讓邊坡處于極限狀態(tài)，這樣就可以確定邊坡的安全系數(shù)，數(shù)值分析法法是將位移協(xié)調(diào)條件和巖體本構(gòu)關(guān)系充分結(jié)合的基礎(chǔ)上，還考慮了滑移體力的平衡，從而得到的安全系數(shù)；極限平衡法在計算邊坡的安全系數(shù)時，是在確定了邊坡滑面的基礎(chǔ)上，對邊坡的抗滑力和下滑力進行分析，通過滑體的靜力平衡條件得出滑裂面上的力，關(guān)鍵塊理論和極限平衡法都是采用這種方法進行計算的。

（一）定性分析。定性分析方法首先需要調(diào)查大量的野外地質(zhì)資料，對其有充分的了解，其次還需要和類似的地質(zhì)環(huán)境和產(chǎn)生類似變形體的體質(zhì)工程進行對比。其中在對大量的野外地質(zhì)資料調(diào)查的過程中，需要對工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、地質(zhì)地貌、斜坡穩(wěn)定性、水文氣象、人工活動因素等等方面進行調(diào)查，在定性分析的發(fā)展史上，研究者對許多水庫岸坡崩塌、失穩(wěn)斜坡表部特征進行了深入的研究，同時也取得了大量的經(jīng)驗，到現(xiàn)在為止，工程實踐中，大多數(shù)的工程單位在分析和設(shè)計邊坡穩(wěn)定性時，都會采用定性分析法進行分析，這種方法需要更多的經(jīng)驗和理智的判斷，同時定性分析也說明工程單位需要掌握更多的第一性資料才可以保證定性分析法的準確性。

（二）極限平衡法。由于極限平衡法在運用過程中簡單易行，所以是工程實踐中進行邊坡穩(wěn)定性分析運用得最多，同時也是最主要的計算方法。極限平衡法的種類有很多，包括：Bishop法（八W.Bishop，1995）、Janbu法（N.janbu，1954，1973）、（Morgenstern—Price，1965）、Sarrna法（Sarma，1979）、Felle—nius法（W.Fellenius，1936）、Fayor法（Tayor，1937）、Morgen—stem— Price法 、Spencer法（Spencer。1973）、平面破壞計算法、Baker—Graber臨界滑面法（Baker-Graber，1978）、楔形體法、傳遞系數(shù)法等等。極限平衡法在工程實踐中，需要考慮邊坡滑動面的形態(tài)，將巖塊作為一個剛體，同時，為了方便計算，在過程中，假定巖體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系不變，所以計算的結(jié)果是無法對邊坡的變形與應(yīng)力分布進行分析的。比如三維巖石邊坡極限平衡法，并在此基礎(chǔ)上提出了抗滑系數(shù)譜的概念，這種方式可以直接對邊坡的穩(wěn)定層進行分析，充分反應(yīng)了碎裂巖體穩(wěn)定因素的不均勻性；楊松林提出的廣義條分法是一種適應(yīng)范圍更廣的方法，這種方法不同于傳統(tǒng)的兩類條分法對條塊界面上的力的大小、方向和作用點，而是使用條塊間分界面的應(yīng)力變形本構(gòu)關(guān)系與之替換，這種方法充分考慮了條塊間分界面的應(yīng)力變形關(guān)系，更加符合巖土工程的實際情況，并且在計算安全系數(shù)時，采用了優(yōu)化搜索的方式，更加的先進，同時還得出了最危險的潛在滑動面，更加安全適用。

（三）數(shù)值分析方法。巖體本身具有以下特點：不均勻性、不連續(xù)性、各項異性等等，同時巖石邊坡工程所處的環(huán)境也是非常復(fù)雜的，這里的環(huán)境一般包括地質(zhì)環(huán)境和巖石邊坡所處的邊界條件。由于巖體本身的復(fù)雜情況和巖石邊坡所處的復(fù)雜環(huán)境導(dǎo)致巖石邊坡工程的問題也是非常復(fù)雜的，而數(shù)值分析法可以在復(fù)雜的問題下的邊坡穩(wěn)定性進行準確的分析。數(shù)值分析法一般具有以下優(yōu)點：在基于巖體的破壞準則的基礎(chǔ)上，數(shù)值分析法可以確定邊坡的拉裂區(qū)、塑性區(qū)和壓碎區(qū)，通過對邊坡起始破壞位置的確定，分析邊坡的漸進破壞過程，最終得到巖石邊坡的應(yīng)變場、應(yīng)力場和位移場，數(shù)值分析法在充分考慮地下水滲流、地震、爆破等等因素的情況下，分析邊坡工程的分布開挖、邊坡巖體和加固結(jié)構(gòu)之間的相互作用，最終確定巖石邊坡的穩(wěn)定性。數(shù)值分析法一般分為邊界元法、有限元法、塊體元法和離散元法等等，同時隨著數(shù)值分析法的發(fā)展進程，我們可以看到將上述方法結(jié)合起來的成功案例，例如將邊界元、有限元和離散元等相互結(jié)合，使他們能充分發(fā)揮各自的特性，共同協(xié)作解決巖體邊坡問題。例如任清文在實踐過程中將有限元和塊體單元法相結(jié)合，在滿足了全部平衡條件的同時，也對材料的變形給予了充分的考慮。

（四）其它方法。由于地殼是一直在運動的，所以巖體形成的環(huán)境和條件也是有所不同的，不管是在宏觀上還是在微觀上都是存在一定的差異和不連續(xù)性的，現(xiàn)在所有解決巖石邊坡工程問題的方法都是有其優(yōu)點和特性的，都是從不同的角度出發(fā)，對邊坡穩(wěn)定性的問題進行分析，解決巖石邊坡的相關(guān)問題，例如：離散元法在計算應(yīng)力和位移時，是從離散塊體的角度出發(fā)的，極限平衡法在分析邊坡的穩(wěn)定性時，是從巖體變形破壞的極限狀態(tài)來分析的。巖體的形態(tài)是十分復(fù)雜的，我們僅僅通過數(shù)學(xué)模型分析其穩(wěn)定性是無法準確的體現(xiàn)每個巖體的具體情況的，計算出的結(jié)果可能也會與實際情況有所差異，針對這種情況，也發(fā)展除了許多不確定性的方法。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法是一種模擬人腦形象思維的方法，這種方法具有并行性、非線性、強泛化性等等特性?，F(xiàn)在主要是將BP網(wǎng)絡(luò)作為地質(zhì)體的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，也有許多文獻資料對這種網(wǎng)絡(luò)進行了廣泛的應(yīng)用研究。比如盧才金在其研究中就將BP算法進行了一定的改進，并建立了相關(guān)的評判模型對巖石邊坡的穩(wěn)定性進行評判。

邊坡穩(wěn)定性分析是模糊的、隨機的，所以面對這個不確定問題，傳統(tǒng)的方法并沒有考慮到巖石表面破的不確定性，而一味的采取定值的方法，分析過程中所給的安全系數(shù)并沒有真實的反映出邊坡的實際情況，可靠度和安全度都不高。一般來說，對于這類不確定性問題，也應(yīng)該采取模糊的數(shù)學(xué)方法，比如劉瑞玲的Fuzzy綜合評判模型，就是在充分考慮了工程的實際情況之后所研究出來的一種數(shù)學(xué)方法。

目前，要想解決復(fù)雜的巖石邊坡工程，就應(yīng)該將人工智能、進化計算、系統(tǒng)科學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊教學(xué)等等新興的學(xué)科理論相結(jié)合，對巖石邊坡工程系統(tǒng)的不確定性和工程經(jīng)驗進行研究，建立出一套智能力學(xué)分析方法。在邊坡智能化的研究方向上，李章名等人開發(fā)的專家系統(tǒng)是非常有用的，它被應(yīng)用于露天礦邊坡的穩(wěn)定性分析；馮夏庭在仔細分析了影響邊坡穩(wěn)定性的因素之后，提出了綜合集成理論和方法，專門應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性的分析。

二、巖石邊坡滑動的防治

要想防治巖石邊坡的滑動，需要在基于工程地質(zhì)勘測的基礎(chǔ)上，深入研究造成邊坡滑動的原因，并對此采取積極有效的措施。

（一）降低巖石剪應(yīng)力或建筑防止滑動的堅固支撐。整平斜坡的坡角、修筑擋土墻和打防滑樁是這種方法的具體應(yīng)用，其中整平斜坡的坡角可以將有滑動危險的巖體的重量降低。對于具有較小高度的邊坡，可以通過削緩坡面的方式，將坡面與水平面的夾角縮小，使之小于原有的角度；具有較大高度的邊坡，通過對坡面進行分割，使之形成臺階狀，這樣坡面滑動的可能性就會減少。修筑擋土墻的方式就是為了防止邊坡產(chǎn)生滑動而在滑動體的前方修筑擋土墻，同時為了避免滑動體和擋土墻發(fā)生同時滑動的現(xiàn)象，在修建擋土墻時一方面需要在穩(wěn)定的地層上修建，另一方面還應(yīng)該在擋土墻的背后設(shè)置排水設(shè)施以保證滑動體內(nèi)部滲入的水能及時排出。打防滑樁，防滑樁可以通過現(xiàn)場灌注的方式，也可以直接打入，是為了防止巖體的滑動，而直接在滑動體內(nèi)打樁，這樣的方式可以直接穩(wěn)定地層。

（二）改變巖石的物理性質(zhì)。地下水和地表水的相互作用會使巖石的性質(zhì)發(fā)生改變，因此需要通過修筑排水溝的方式對地下水和地表水進行及時的排出，從而降低水電作用。具體方法包括修筑地表截水溝、修筑排水溝、修排水巷道、用電化學(xué)法、水泥膠結(jié)法和凍結(jié)法等等。其中修筑排水溝的方式是指為了減少巖石的含水量，而修建明溝或者是暗溝來排出地下水；修筑截水溝的方式是運用截水溝來對地表水流進行攔截，因此修筑的截水溝必須具有良好的防滲透性能；修排水巷道就是利用地下的排水巷道對滑動體中的地下水進行及時的排出；這三種方式是加固邊坡的常用方式，而其他的方式在實際的工程工程中還運用得較少。

（三）消除或消弱滑坡形成作用。消除或消弱滑坡形成作用的措施中，常用的是保護坡角免受地表水流的沖刷及修導(dǎo)流堤、防護堤等。

三、結(jié)語

目前在對巖石邊坡穩(wěn)定性進行分析的方法有兩種，分別是定量分析和定性分析，在對天然的穩(wěn)定邊坡進行觀察的同時，對影響巖石邊坡穩(wěn)定性的各種因素進行分析，采用工程地質(zhì)對比法來確定相似條件下的巖石的穩(wěn)定邊坡。我們在采取措施防治邊坡滑動時，需要因地制宜，在確定使用某種措施時，要防止這種措施的實施不會產(chǎn)生其他不利的因素，避免發(fā)生其他的不良后果。

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作者簡介：王艷，重慶三峽學(xué)院。