巖土工程邊坡勘察難點及技術(shù)優(yōu)化

摘 要：本研究旨在提高邊坡勘察的準(zhǔn)確性、全面性和可靠性，保障工程的安全，確保可持續(xù)發(fā)展。研究采用文獻(xiàn)調(diào)研和實地勘察相結(jié)合的方法，首先，梳理了巖土工程邊坡勘察的現(xiàn)有技術(shù)與方法。其次，根據(jù)實際工程案例，發(fā)現(xiàn)在復(fù)雜地質(zhì)條件下勘察邊坡存在困難，例如地層不穩(wěn)定和水文地質(zhì)條件復(fù)雜等。最后，針對上述問題，提出采用多元化技術(shù)路徑、強(qiáng)化環(huán)境因素勘察和三維地質(zhì)建模等優(yōu)化方案。研究結(jié)果表明，優(yōu)化方案能有效克服巖土工程邊坡勘察中的技術(shù)難題。通過利用現(xiàn)代化設(shè)備和多學(xué)科交叉方法，提高勘察數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和全面性，更可靠地評估邊坡的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：巖土工程；邊坡勘察；技術(shù)難題；優(yōu)化方案

中圖分類號：U 213.1+3" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在目前的建筑、公路和水利工程中，邊坡勘察是一項很重要的工作，高水平的邊坡勘察，能有效降低施工過程中的安全風(fēng)險并提高工程質(zhì)量。在研究中，相關(guān)工作人員以龍巖市新羅區(qū)紅坊鎮(zhèn)紫金山公園10號地塊四標(biāo)段的研學(xué)路為研究對象，深入分析此項目地段巖土邊坡勘察工作存在的難題，并嘗試?yán)枚嘣夹g(shù)路徑，提高邊坡勘察的質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上，利用BIM技術(shù)對三維地質(zhì)進(jìn)行建模，以期全面提高巖土工程邊坡勘察效率，保證項目的順利實施。

1 工程背景

研究對象為龍巖市新羅區(qū)紅坊鎮(zhèn)紫金山公園10號地塊四標(biāo)段的研學(xué)路，設(shè)計路面寬度為24m，屬于次干路，采用挖方邊坡施工方案。邊坡長度約為300m，坡頂和臨近地段不存在地面建筑物，坡頂順接自然山坡，邊坡高度為15～100m，工程勘察等級為一級。

2 巖土邊坡勘察技術(shù)難題分析

2.1 高邊坡問題

高邊坡和超高邊坡出現(xiàn)滑移、崩塌的概率相對較高，并且通?；a(chǎn)生的土方量和落石量較大，對建筑物、人員和車輛安全造成威脅。高邊坡和超高邊坡劃定標(biāo)準(zhǔn)，旨在界定土質(zhì)邊坡和巖質(zhì)邊坡的高度范圍，以便在土木工程和地質(zhì)工程等領(lǐng)域中對這些邊坡進(jìn)行管理和評估。此外，通過定義高邊坡和超高邊坡的高度范圍，能為相關(guān)施工人員提供管理和評估這些邊坡的參考標(biāo)準(zhǔn)，有助于在土木工程和地質(zhì)工程中對邊坡進(jìn)行處理和設(shè)計，見表1。

結(jié)合項目邊坡實際情況，最低高度為15m，最高接近100m。項目同時有高邊坡和超高邊坡。從邊坡勘察的角度看，高邊坡擴(kuò)大了勘察范圍，增加了鉆探工作量，給邊坡穩(wěn)定性分析帶來較大挑戰(zhàn)，勘察單位承擔(dān)的風(fēng)險也更高。

2.2 長、高邊坡穩(wěn)定性評價

巖土工程邊坡勘察的核心目的是評價邊坡的穩(wěn)定性，設(shè)計科學(xué)的邊坡支護(hù)方案。根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》 （GB 50330—2013），項目邊坡中存在挖方邊坡和自然邊坡，須對其穩(wěn)定性進(jìn)行驗算。然而，邊坡穩(wěn)定性評價有多種理論計算模型，例如根據(jù)邊坡的滑面形態(tài)，計算圓弧形滑動面、平面形滑動面和折線形滑動面的穩(wěn)定性系數(shù)的方法均不相同。項目中邊坡總長度約為300m，各段的高度、邊坡形態(tài)和地質(zhì)條件不完全一致。對評價邊坡穩(wěn)定性造成一定的難度。

2.3 邊坡抗震效應(yīng)勘察與評價問題

當(dāng)?shù)卣馂?zāi)害發(fā)生時會產(chǎn)生強(qiáng)烈的地質(zhì)作用，導(dǎo)致邊坡產(chǎn)生加速度，進(jìn)而引發(fā)破壞，其對邊坡的破化力成為不可忽視的因素。因此在地質(zhì)勘察中，須確認(rèn)此邊坡工程的抗震設(shè)防烈度，評價地震作用的危害程度，為后期制定邊坡加固方案提供有力的技術(shù)支撐。從破壞機(jī)理看，通常地震會導(dǎo)致邊坡裂隙發(fā)展，孔隙水壓力增加，同時有可能強(qiáng)化坡體的下滑力[1]。邊坡抗震效應(yīng)勘察與評價的難點是合理確定場地類別，評估邊坡地質(zhì)對抗震性的影響。

2.4 環(huán)境因素影響問題

巖土體結(jié)構(gòu)、降雨、地下水和風(fēng)化作用等環(huán)境因素能影響邊坡的穩(wěn)定性。以降雨為例，當(dāng)雨水滲透巖土層時可提高孔隙水壓力，提高巖土體崩解泥化的概率。強(qiáng)降雨產(chǎn)生的沖刷、沖蝕作用可能導(dǎo)致邊坡滑移或者崩塌。環(huán)境因素具有耦合疊加效應(yīng)，其對邊坡的作用機(jī)理較復(fù)雜，不利于綜合性的量化評價，因此在工程實踐中大多單獨評價特定的環(huán)境因素。

3 巖土工程邊坡勘察技術(shù)優(yōu)化方案

3.1 邊坡測量

3.1.1 邊坡形態(tài)測量

在測量邊坡形態(tài)的過程中，為保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，需要在測量區(qū)域內(nèi)建立水平控制網(wǎng)與垂直控制網(wǎng)。根據(jù)測量精度要求和實際情況，選擇合適的控制點，并對其進(jìn)行標(biāo)志和固定。在此過程中引入平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式（1）。

X=X0+L·cosα

Y=Y0+L·sinα （1）

式中：X與Y為邊坡上某點的平面坐標(biāo)；X0和Y0為參考點的平面坐標(biāo)；L為邊坡上的距離；常量α為邊坡上某點與參考點的方位角。

在事先設(shè)置好的控制點上，使用全站儀或激光掃描儀對邊坡進(jìn)行測量。全站儀可以同時測量角度和距離，通過多次測量可以獲取邊坡各點的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。需要注意的是，在實際勘測中三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)不可避免地會出現(xiàn)誤差，因此要引入誤差補(bǔ)償公式對三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，如公式（2）所示。

Xc=X+?X

Yc=Y+?Y

Zc=Z+?Z （2）

式中：Xc、Yc和Zc為經(jīng)過誤差補(bǔ)償后的邊坡上某點的坐標(biāo)；?X、?Y和?Z為誤差修正量。在此基礎(chǔ)上，研究人員引入坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式，將三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)可讀取的數(shù)據(jù)，如公式（3）所示。

φ=atan2（Z，sqrt（x2+y2））

λ=atan2（Y，X） （3）

式中：φ、λ分別為邊坡上某點的緯度和經(jīng)度。根據(jù)工程需求，相關(guān)工作人員需要定期對邊坡進(jìn)行形態(tài)監(jiān)測，可以通過使用全站儀等儀器對關(guān)鍵點進(jìn)行定位測量。通過與前期測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，可以判斷邊坡是否存在變形和位移。通常根據(jù)邊坡的穩(wěn)定性要求和工程進(jìn)展情況確定形態(tài)監(jiān)測的頻率，旨在及時掌握邊坡的變化情況，采取相應(yīng)的措施保障工程安全。

3.1.2 邊坡變形與位移監(jiān)測

首先，根據(jù)邊坡的具體情況和監(jiān)測要求，在邊坡上選擇一定數(shù)量的變形監(jiān)測點，并進(jìn)行標(biāo)志和固定。通常對邊坡上容易受變形影響的關(guān)鍵部位進(jìn)行監(jiān)測，例如頂部、坡腳和裂縫位置等。安裝變形監(jiān)測點的目的是為測量和監(jiān)測邊坡的變形和位移情況[2]。其次，根據(jù)測量方案，選擇合適的測量儀器對變形監(jiān)測點進(jìn)行測量。常用的測量儀器包括全站儀、水平儀和傾角儀等?？梢愿鶕?jù)具體情況選擇測量方法，常見的方法有重復(fù)測量法、三角測量法和遠(yuǎn)程測量法等，見表2。

其中，監(jiān)測點包括頂部、坡腳以及其他關(guān)鍵位置（如A、B、C等），坐標(biāo)位置為各監(jiān)測點在平面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，裂縫位置為相應(yīng)監(jiān)測點上的裂縫位置，坐標(biāo)變化為相應(yīng)監(jiān)測點在兩次監(jiān)測間的坐標(biāo)變化（Δx為水平方向的變化，Δy為垂直方向的變化），位移為相應(yīng)監(jiān)測點的位移。

對變形監(jiān)測點進(jìn)行測量，獲取變形數(shù)據(jù)，包括坐標(biāo)變化和位移等。將測量得到的變形數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機(jī)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。最后，根據(jù)測量數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，編制邊坡變形監(jiān)測報告。在報告中會對邊坡的變形情況進(jìn)行描述，包括變形點位和變形程度等參數(shù)，并基于上述數(shù)據(jù)對變形趨勢進(jìn)行預(yù)測，提出相應(yīng)的監(jiān)測建議，并采取安全措施。

3.2 精確評價與量化評價

3.2.1 邊坡穩(wěn)定性量化評價

邊坡穩(wěn)定性是制定支護(hù)方案的核心參考指標(biāo)，須對其進(jìn)行量化評價。本項目采用公路工程中廣泛運(yùn)用的簡化Bishop計算方法，綜合對比各種滑動面模型，選擇符合項目邊坡特點的整體圓孤滑動破壞模式，計算過程如公式（4）、公式（5）所示。

（4）

（5）

式中：Wi為條塊質(zhì)量（kN），水上采用天然容重，水下采用飽和容重；αi為條塊底面與水平向夾角（°）；ci、φi分別為條塊滑面的黏聚力（kPa）與內(nèi)摩擦角（°）；li為條塊滑面斜長（m），邊坡穩(wěn)定性量化計算結(jié)果見表3。

3.2.2 地震效應(yīng)精確評價

3.2.2.1 確認(rèn)抗震設(shè)防烈度

邊坡工程、公路主體結(jié)構(gòu)等都在地震的影響范圍內(nèi)，用抗震設(shè)防烈度指導(dǎo)工程構(gòu)筑物的抗震設(shè)計。《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》 （GB 18306—2015）中明確規(guī)定了國內(nèi)各省份和各地區(qū)的抗震設(shè)防烈度參數(shù)。福建省對應(yīng)表C.13，其中規(guī)定龍巖市抗震設(shè)防烈度為6度，對應(yīng)的地震加速度值為0.05g[3]。根據(jù)構(gòu)筑物的類別、用途和影響人群等，將抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)劃分為甲、乙、丙和丁4類。本邊坡工程的施工場地屬于丙類，相關(guān)根據(jù)為《抗震設(shè)防烈度分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50223—2015）。

3.2.2.2 地震效應(yīng)評價

地震通過場地將動能傳遞至邊坡，進(jìn)而導(dǎo)致破壞，因此場地的剛性程度和覆土厚度是影響震害嚴(yán)重性的重要因素，而巖土層剪切波速是表征場地剛性的量化指標(biāo)。地質(zhì)勘察人員根據(jù)勘察數(shù)據(jù)、地區(qū)經(jīng)驗以及承載力特征值，量化各巖土層的剪切波速，見表4。邊坡挖方施工削弱了場地的覆蓋層厚度，經(jīng)檢測，覆蓋層厚度在0～11.10m。綜合剪切波速和覆蓋層厚度兩項因素，根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》（JTG 2231-01—2020）確定此區(qū)域場地類別為Ⅰ～Ⅱ類，根據(jù)最不利原則，最終將場地類別確認(rèn)為Ⅱ類[4]。不同場地的類別可影響產(chǎn)地系數(shù)Cs和特征周期Tg，為精確評價地震效應(yīng)創(chuàng)造條件，須通過量化指標(biāo)確定場地類別。此項目特征周期取值為0.40s。

3.3 環(huán)境因素勘察

3.3.1 邊坡巖土體結(jié)構(gòu)勘察

3.3.1.1 巖土結(jié)構(gòu)調(diào)查結(jié)果

勘察人員通過查閱現(xiàn)有地質(zhì)資料，配合鉆探取樣的分析結(jié)果，掌握了邊坡工程坡體的巖土結(jié)構(gòu)特征。項目邊坡上覆素填土、坡積含角礫粉質(zhì)黏土和粉砂質(zhì)泥巖殘積黏性土，下覆砂土狀強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖夾砂巖、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化輝綠巖和碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖夾砂巖等。

3.3.1.2 巖土結(jié)構(gòu)對邊坡穩(wěn)定性的危害分析

巖土結(jié)構(gòu)特征分析。此項目邊坡巖土結(jié)構(gòu)特征如下：1）巖土種類較豐富，性質(zhì)變化較大。2）巖體斷層、破碎情況突出，容易蓄積水分。3）巖芯大多呈現(xiàn)破碎狀態(tài)，甚至部分巖芯已轉(zhuǎn)化為砂土狀。4）部分地段出現(xiàn)可熔巖和軟弱夾層。

危害分析。邊坡破壞的主要形式為局部或整體滑移、巖體崩塌，當(dāng)巖土體密實性好、巖體破碎程度低和斷層裂隙發(fā)育少時，其剛度和承載力較強(qiáng)，也不易吸收水分。但此項目的巖土體具有裂隙、破碎、斷層、可熔巖、軟弱夾層和砂化巖芯等一系列不利因素[5]。導(dǎo)致其在局部地段存在順層滑移的風(fēng)險。另外，這類巖體結(jié)構(gòu)容易吸收降雨和地表水，進(jìn)一步增加孔隙水壓力，巖體破碎崩塌的風(fēng)險也相對更高。由此可知，此項目邊坡的巖土結(jié)構(gòu)對邊坡穩(wěn)定性威脅較大。

3.3.2 水文地質(zhì)影響分析

3.3.2.1 降雨、地表水以及地下水勘察結(jié)果

降雨情況。龍巖市的氣候類型屬于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，根據(jù)已有資料，新羅區(qū)平均年降水量在1031mm～1369mm。具有明顯的季節(jié)性特點，雨季為每年的4月～8月。由此可見，此地區(qū)雨量充沛，對維持高邊坡的穩(wěn)定性有不利影響。

地表水勘察。從現(xiàn)場地勢看，邊坡地勢較高，不易形成積水。施工區(qū)域上游未見來水，但邊坡坡面形成了較好的排水路徑，降雨容易通過坡面向底部匯集。邊坡的匯水面積約為4.5萬㎡，潛在危害較大。

地下水勘察。邊坡場地的地下水主要來自基巖風(fēng)化裂隙中存在的水分，經(jīng)過勘探，測得地下水的埋深為16.80m～50.70m，年度變化幅度為3m～5m。施工區(qū)域地下水水源補(bǔ)給方式基本明確，但邊界條件較復(fù)雜，綜合判斷場地水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度為中等類別。

3.3.2.2 危害分析

3.3.2.2.1 地下水危害分析

地下水對邊坡工程的危害可按照《工程建設(shè)水文地質(zhì)勘察標(biāo)準(zhǔn)》（CECS 241：2008）中第七部分進(jìn)行評價，其中提出了地下水流動滲透力、管涌臨界水力梯度、基坑下承壓水突涌穩(wěn)定系數(shù)和無承壓水基坑底穩(wěn)定系數(shù)的計算方法[6]。例如，計算地下水流動時的滲透力J如公式（6）、公式（7）所示，不發(fā)生管涌的判斷條件如公式（8）所示。

J=γwI （6）

I=?h/L （7）

Icr/J≥K （8）

式中：γw為地下水的重度（kN/m3）；L為水流的路徑長度（m）；I為水力梯度；?h為水頭差（m）；Icr為臨界水力梯度；K為抗管涌安全系數(shù)（K=1.5～2.0）。

3.3.2.2.2 降雨和地表水危害分析

降雨和地表水對邊坡的影響機(jī)理比較相似，都是水體滲透至巖土裂隙中，改變巖體內(nèi)部壓力，沖蝕可熔巖、砂土以及泥土等，進(jìn)而增加坡體滑移和崩塌的風(fēng)險。從作用機(jī)理看，提高邊坡含水率改變了巖土的黏聚力和內(nèi)摩擦角。目前，處理降雨和地表水的主要措施為設(shè)置排水溝，避免地表徑流沖刷邊坡坡面。

4 結(jié)語

長邊坡和高邊坡具有覆蓋范圍大、地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜和潛在影響因素多等特點，當(dāng)勘察這類邊坡時，應(yīng)格外重視邊坡穩(wěn)定性量化評價，同時考慮常規(guī)環(huán)境因素和地震對邊坡穩(wěn)定性的不良影響。在勘察技術(shù)層面應(yīng)該采用多元化方法，從不同角度獲取勘察數(shù)據(jù)，如地質(zhì)鉆探、收集已有地質(zhì)資料和掌握地方氣象數(shù)據(jù)等。應(yīng)該對邊坡穩(wěn)定性這一關(guān)鍵因素進(jìn)行量化評價，借助數(shù)據(jù)指導(dǎo)支護(hù)工作。在環(huán)境有干擾因素的勘察中須強(qiáng)化巖土結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)條件和人為活動的影響分析。

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