賀小黑

(1.東華理工大學核資源與環(huán)境國家重點實驗室, 江西 南昌 330013; 2.東華理工大學水資源與環(huán)境工程學院, 江西 南昌 330013)

0 引言

在野外調(diào)查地質(zhì)災(zāi)害時，會遇到許多不同類型的邊坡，比如坡高不同、坡角不同，巖土體力學參數(shù)不同等，由于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查項目有時間限制，沒有必要也不可能對所有野外邊坡進行調(diào)查描述和評價，因此，地質(zhì)工作者通常會有選擇性地選取穩(wěn)定性相對較差的邊坡來定點進行重點調(diào)查描述，這就需要調(diào)查人員在野外現(xiàn)場快速有效地判斷邊坡的穩(wěn)定性，而目前地質(zhì)工作者在野外調(diào)查地質(zhì)災(zāi)害時通常僅根據(jù)自身的經(jīng)驗來定性地判斷邊坡的穩(wěn)定性，這種僅依靠經(jīng)驗的定性方法沒有統(tǒng)一的參考標準和依據(jù)，不同的人可能得出不同的結(jié)論。

野外調(diào)查工作結(jié)束后，轉(zhuǎn)入室內(nèi)資料整理和分析階段，這時就需要開展區(qū)域的斜坡穩(wěn)定性分區(qū)評價，并根據(jù)不同區(qū)段斜坡的穩(wěn)定程度，繪制調(diào)查區(qū)內(nèi)的斜坡穩(wěn)定性分區(qū)圖，特別是對有可能發(fā)生高速滑坡的水庫岸坡而言，開展系統(tǒng)的水庫區(qū)岸坡穩(wěn)定性評價是必不可少的工作。目前對單體斜坡進行穩(wěn)定性評價的方法有：(1)定性分析方法；(2)定量分析方法(如極限平衡法、數(shù)值分析法等)；(3)物理模型方法；(4)現(xiàn)場監(jiān)測分析法；(5)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊理論、灰色系統(tǒng)理論等新學科理論的評價方法等[1]。在這五種方法中，第一種方法(即定性的方法)不需要大量的計算和觀測資料，是一種快速的斜坡穩(wěn)定性評價方法；后面四種方法均需要詳細的分析計算或需要長時間的監(jiān)測才能做出評價，盡管評價結(jié)果較可靠，但需要花較多時間，速度較慢。

由于區(qū)域上斜坡穩(wěn)定性分區(qū)評價所涉及的斜坡數(shù)量較多，如果項目有時間限制，就不可能對每一個斜坡都開展詳細的研究或監(jiān)測。因此，目前在斜坡穩(wěn)定性分區(qū)時，地質(zhì)工作者多采用定性的方法來評價區(qū)域上各段斜坡的穩(wěn)定性。

定性分析方法主要是通過工程地質(zhì)調(diào)查、勘察，對影響岸坡穩(wěn)定性的主要因素、可能的變形破壞方式及失穩(wěn)的力學機制等進行分析，對已變形地質(zhì)體的成因及其演化史進行分析，從而給出被評價岸坡的一個穩(wěn)定性狀況及其可能發(fā)展趨勢，來定性的說明和解釋。其優(yōu)點是能綜合考慮影響岸坡穩(wěn)定性的多種因素(如斜坡結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、人類工程活動等)，快速地對岸坡的穩(wěn)定狀況及其發(fā)展趨勢作出評價[2]。然而，該定性分析方法所得到的結(jié)果具有受人為主觀影響較大的缺點。所以就需要有一種定量且快速的評價方法來彌補定性方法的不足。

另外，在地震或者暴雨條件下，搶險應(yīng)急專家通常須要快速地對邊坡的穩(wěn)定性做出準確評價，為救災(zāi)搶險提供指導，為人民群眾的安全撤離爭取時間。用常規(guī)的評價邊坡穩(wěn)定性方法(極限平衡法和數(shù)值模擬的方法等)進行邊坡穩(wěn)定性評價時，通常需要建模，并需要準確的巖土體力學參數(shù)，計算過程較繁瑣，從而導致常規(guī)的方法在評價邊坡穩(wěn)定性時有速度慢的缺點，故傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性評價方法不適合用于應(yīng)急條件下的邊坡穩(wěn)定性評價。因此，建立適用于野外和應(yīng)急條件下邊坡穩(wěn)定性的快速評價方法是十分必要的。

在平面上開展斜坡穩(wěn)定性分區(qū)時，如何現(xiàn)場快速定量地評價斜坡穩(wěn)定性是需要解決的問題。前人在這方面研究得較少。我國鐵道、礦山、水電部門提出了一些斜坡極限坡角和坡高的經(jīng)驗數(shù)據(jù)[3]，為快速評價不同類型斜坡的穩(wěn)定性提供了支撐，但根據(jù)這些極限坡高和坡角經(jīng)驗數(shù)據(jù)不能對沒有達到極限坡高或坡角的斜坡的穩(wěn)定程度進行評價，也不能對超過極限坡高或坡角的斜坡的欠穩(wěn)定程度進行評價，且所提出的極限坡角僅指坡高小于15 m的斜坡，適用范圍有限。

此外，用穩(wěn)定性系數(shù)進行邊坡穩(wěn)定性評價是常見的定量評價方法。求取邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的方法有很多，常見的方法有極限平衡法、有限元強度折減法等[4-6]。前人在運用極限平衡法、有限元強度折減法進行研究時多是對單體斜坡進行具體分析[7-9]，但這些方法的分析過程較復雜，且速度慢，達不到斜坡穩(wěn)定性分區(qū)和野外斜坡穩(wěn)定性分析所需的定量快速的要求。筆者認為建立邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與坡高、坡角、巖土體力學參數(shù)等影響因子之間的關(guān)系是實現(xiàn)邊坡快速定量評價的途徑之一。而前人在這方面所做的研究較少。目前只有少量學者研究了坡高與安全系數(shù)之間的關(guān)系，坡角與安全系數(shù)之間的關(guān)系，以及地震加速度系數(shù)與安全系數(shù)之間的關(guān)系，如高玉峰等[10]，計算了不同地震加速度系數(shù)，不同坡高的安全系數(shù)，分析了安全系數(shù)與坡高之間的關(guān)系。劉坤偉等[11]研究了某具體邊坡地震和自重兩種工況下安全系數(shù)與坡角之間的關(guān)系。筆者2013年進行了地震條件下不同類型的邊坡的穩(wěn)定性研究，計算了不同坡高、不同坡角、不同巖體力學參數(shù)和不同地震加速度系數(shù)條件下地震邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)[12]，但研究所用的方法是極限平衡法，極限平衡法要人為劃定潛在滑面，所得到的計算結(jié)果受人為影響較大，可信程度需要進一步提高，且之前的研究僅計算了地震條件下的穩(wěn)定性系數(shù)，沒有對天然條件下邊坡的穩(wěn)定性進行系統(tǒng)分析。

綜合所述，目前還沒有形成一套能夠快速方便地查詢邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，并且適用于任何地方的系統(tǒng)。為了達到定量快速評價邊坡穩(wěn)定性的目標，系統(tǒng)地開展天然邊坡的穩(wěn)定性研究是十分有必要的，本次研究將通過建立穩(wěn)定性系數(shù)與坡高、坡角、巖體力學參數(shù)之間的關(guān)系，形成一套天然條件下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的查詢系統(tǒng)，為合理快速地評價斜坡穩(wěn)定性提供依據(jù)。

圖1 用CAD繪制的邊坡模型Fig.1 Slope model from CAD software

1 強度折減法計算穩(wěn)定性系數(shù)原理

在研究邊坡穩(wěn)定性的過程中，因沒有已有的滑面作為參考，在極限平衡計算時就會面臨選取滑面的困難。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，強度折減法也迅速的發(fā)展起來，所謂強度折減，就是在理想彈塑性有限元計算中將邊坡巖土體抗剪切強度參數(shù)逐漸降低直到其達到破壞狀態(tài)為止，程序可以自動根據(jù)彈塑性計算結(jié)果得到破壞滑動面(塑性應(yīng)變和位移突變的地帶)，同時得到邊坡的強度儲備安全系數(shù)F，F(xiàn)也就是平時所說的穩(wěn)定性系數(shù)。于是有：

c′=c/F

(1)

tanφ′=tanφ/F

(2)

式中：c′——折減后的黏聚力/kPa；

c——初始未折減時的黏聚力/kPa；

F——穩(wěn)定性系數(shù)；

φ′——折減后的內(nèi)摩擦角/(°)；

φ——初始未折減時的內(nèi)摩擦角/(°)。

有限元強度折減法不需做任何假定，計算模型不僅能滿足力的平衡要求，而且滿足巖土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，并且可以對邊坡進行非線性彈塑性分析，能比較真實地反映應(yīng)力應(yīng)變情況，是一種有效而可靠的方法。該方法克服了傳統(tǒng)極限平衡法中將土條假設(shè)為剛體，無法考慮變形對邊坡穩(wěn)定影響的缺點，適用于任意復雜的邊界條件，不需要搜索最危險滑動面，不必假設(shè)土條間的作用力和破壞面的位置和形狀，故能處理復雜的幾何輪廓和邊界條件。該方法把有限元、有限差分方法和傳統(tǒng)的安全系數(shù)有機地聯(lián)系起來。不僅可了解斜坡隨抗剪強度降低而呈現(xiàn)的漸進失穩(wěn)過程，還可得到極限狀態(tài)下邊坡的失效形式。正是由于強度折減法有諸多的優(yōu)點，該方法在邊坡穩(wěn)定性分析方面得到了廣泛的應(yīng)用[13-14]。

由于相對于極限平衡法，用強度折減法獲取斜坡穩(wěn)定性系數(shù)的做法具有不需要假定滑動面位置等優(yōu)點，故本次研究使用FLAC3D軟件來開展斜坡強度折減研究，目的是獲取穩(wěn)定性系數(shù)，F(xiàn)LAC3D軟件內(nèi)附有強大的Fish語言，可通過編程實現(xiàn)強度折減法的編輯和修改[15-16]。

2 計算模型及材料參數(shù)的選取

取斜坡坡高H=50 m、100 m、200 m、300 m；坡角α=15°、30°、45°、60°、75°、90°。以坡高100 m，坡角45°為例，用CAD繪制的邊坡模型見圖1，用FLAC軟件建的邊坡模型見圖2。

圖2 用FLAC建的邊坡模型Fig.2 Slope model from FLAC

根據(jù)工程巖體分級標準GB 50218—94[17]表C.0.1，斜坡巖體物理力學參數(shù)的取值見表1。

表1 不同質(zhì)量級別巖體的物理力學參數(shù)

圖3 臨界狀態(tài)時邊坡內(nèi)剪應(yīng)變增量帶等值線圖Fig.3 Contour map of shear strain increment of slope under critical state

3 計算結(jié)果

用FLAC3D強度折減法計算不同坡高、不同坡角、不同巖體物理力學參數(shù)的斜坡的穩(wěn)定性系數(shù)。以坡高100 m，坡角45°的斜坡為例，當巖體強度折減到1.29時，斜坡處于臨界狀態(tài)，該狀態(tài)時剪應(yīng)變增量如圖3所示，1.29即為該邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。

由坡高50 m、100 m、200 m、300 m和坡角15°、30°、45°、60°、75°、90°組建的24個邊坡模型的穩(wěn)定性系數(shù)計算結(jié)果見表2。由表2可知，隨著坡高的增大，穩(wěn)定性系數(shù)逐漸減小；隨著坡角的增大，穩(wěn)定性系數(shù)逐漸減?。浑S著巖體質(zhì)量逐漸變差，穩(wěn)定性系數(shù)逐漸減小。

表2 計算得到的不同類型斜坡穩(wěn)定性系數(shù)

4 邊坡穩(wěn)定性快速評估系統(tǒng)的構(gòu)建

根據(jù)表2的計算結(jié)果，以坡高為橫坐標，坡角為縱坐標分別繪制了這五級巖體的穩(wěn)定性系數(shù)等值線圖(圖4～圖8)。通過圖4～圖8所示的穩(wěn)定性系數(shù)等值線圖可知，隨著巖體質(zhì)量變得越來越差，穩(wěn)定性系數(shù)的變化范圍也在逐漸減小。

圖4～圖8所示的這五級巖體的穩(wěn)定性系數(shù)等值線圖就是筆者構(gòu)建的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)查詢系統(tǒng)。通過運用插值的方法，就能方便地在圖4～圖8中查詢到不同坡高、不同坡角和不同質(zhì)量級別巖體的斜坡穩(wěn)定性系數(shù)，因此，地質(zhì)工作者在確定了邊坡巖體質(zhì)量級別、坡高、坡角后，就能方便快速地對邊坡的穩(wěn)定性做出定量評價。

圖4 由Ⅰ級巖體組成的斜坡的穩(wěn)定性系數(shù)等值線圖Fig.4 Contour map of slope stability coefficient composed of Grade I rock mass

圖5 由Ⅱ級巖體組成的斜坡的穩(wěn)定性系數(shù)等值線圖Fig.5 Contour map of slope stability coefficient composed of Grade Ⅱrock mass

圖6 由Ⅲ級巖體組成的斜坡的穩(wěn)定性系數(shù)等值線圖Fig.6 Contour map of slope stability coefficient composed of Grade Ⅲ rock mass

圖7 由Ⅳ級巖體組成的斜坡的穩(wěn)定性系數(shù)等值線圖Fig.7 Contour map of slope stability coefficient composed of Grade Ⅳrock mass

圖8 由Ⅴ級巖體組成的斜坡的穩(wěn)定性系數(shù)等值線圖Fig.8 Contour map of slope stability coefficient composed of Grade V rock mass

5 實例應(yīng)用

將研究得出的穩(wěn)定性系數(shù)查詢系統(tǒng)應(yīng)用到一些邊坡實例的穩(wěn)定性評價中，這些實例均來自于已發(fā)表的文章，由實例應(yīng)用結(jié)果(表3)可知，用本文提出的能方便快速地定量評價斜坡穩(wěn)定性的穩(wěn)定性系數(shù)查詢系統(tǒng)評價的邊坡穩(wěn)定性與其他學者用極限平衡法、數(shù)值分析法等復雜評價方法所得到的結(jié)果一致，且有時穩(wěn)定性系數(shù)的值也相差不大。

6 結(jié)論

采用FLAC強度折減法計算了24個不同坡高、不同坡角、不同巖體質(zhì)量級別邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，根據(jù)計算結(jié)果繪制了穩(wěn)定性系數(shù)等值線圖，以該穩(wěn)定性系數(shù)等值線圖為邊坡穩(wěn)定性系數(shù)查詢系統(tǒng)，實現(xiàn)了合理地定量快速評價邊坡穩(wěn)定性的目標，將該穩(wěn)定性系數(shù)查詢系統(tǒng)應(yīng)用到一些邊坡實例的穩(wěn)定性評價中，取得了較好的效果。研究所得出結(jié)論有：

(1)隨著坡高的增大，穩(wěn)定性系數(shù)逐漸減小；隨著坡角的增大，穩(wěn)定性系數(shù)逐漸減??；隨著巖體質(zhì)量逐漸變差，穩(wěn)定性系數(shù)逐漸減小。

表3 用穩(wěn)定性查詢系統(tǒng)評價邊坡實例穩(wěn)定性的結(jié)果

(2)隨著巖體質(zhì)量變得越來越差，穩(wěn)定性系數(shù)的變化范圍也在逐漸減小。

(3)用本文提出的能方便快速地定量評價斜坡穩(wěn)定性的穩(wěn)定性系數(shù)查詢系統(tǒng)評價的邊坡穩(wěn)定性與其他學者用極限平衡法、數(shù)值分析法等復雜且較慢的評價方法評價所得到的結(jié)果基本一致，且有時穩(wěn)定性系數(shù)的值也相差不大，這說明用本文提出的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)查詢系統(tǒng)進行穩(wěn)定性評價是可行的。

(4)該斜坡穩(wěn)定性系數(shù)查詢系統(tǒng)存在很多缺陷，比如：①僅考慮了坡高、坡角，巖體物理力學參數(shù)對穩(wěn)定性的影響，沒有考慮斜坡結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、巖土組合、人類工程活動等因素的影響。②計算所用的巖體力學參數(shù)是根據(jù)規(guī)范人為確定的，參數(shù)取值存在一定主觀性。③僅能對坡高小于350 m的巖質(zhì)斜坡的穩(wěn)定性做出評價，不能對坡高大于350 m的斜坡，或土質(zhì)斜坡做出穩(wěn)定性評價。因此，需要開展更多研究來完善這些不足。