岩石高边坡学习总结.docx

岩石高边坡学习总结.docx

《岩石高边坡学习总结.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《岩石高边坡学习总结.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

岩石高边坡学习总结

岩石高边坡学习总结

岩石高边坡在我国的分布相当广泛，不论是自然滑坡、崩塌以及泥石流等地质灾害，还是人类工程活动引起的不稳定边坡灾害，都对经济建设和人民生命财产造成巨大损失。

在水电站工程、铁道工程、公路工程等建设中，经常需要开挖高边坡。

不同部门岩石工程髙边坡类型及特点

建议髙边

坡定义

一般髙边坡高度范围

边坡及边坡工程特点

水电系统

>100m

人工：

100・700m自然：

100-1000m

边坡髙度大，地质结构及环境条件复杂，工程对边坡质量要求髙，常需要保证永久稳定。

矿山系统

>100m

100-500m

边坡高度大，地质结构较复杂，工程对边坡质量有一左要求，但通常考虑极限设计.

铁道系统

>50

人工：

50-150m

自然:

100-300m

边坡髙度一般较大，地质结构及环境条件复杂，对边坡质量要求髙，但通常要求线路快速通过。

公路系统

>30m

人工:

3O-8Om

自然:

30-150m

边坡髙度一般较小，地质结构及环境条件相对简单，对边坡质量要求较髙。

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，对边坡质虽要求高。

一、岩石高边坡变破坏机理

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。

根据黄润秋《中国岩石高边坡及其分析》，岩石高边坡的变形破坏机理可分为以下儿类：

（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）结构面蠕滑、后缘拉裂、中部锁段剪断，是一种受坡脚近水平结构面控制边坡的经典变形-破坏模式，也是我国大型高速滑坡发生的一类主要机理模式。

可能的地质结构：

（1）坡体主体山相对均质的脆性岩体或半成岩体构成，但坡脚发育近水平或缓倾坡外的结构面；

（2）以坚硕岩体为主体，但夹有相对较薄的软弱夹层构成的互层状边坡。

这类边坡的变形破坏的阶段性过程：

（1）边坡形成过程中，山于坡体整体的卸荷回弹变形，从而驱动边坡沿坡脚的缓倾结构面发生回弹错动性质的表生改造，并在坡顶形成拉张应力区，出现后缘拉裂。

（2）表生改造完成后，坡体在自重应力的长期持续作用和驱动下，沿缓倾角结构面发生持续的蠕滑变形，并导致坡体后缘拉裂的向下扩展，从而形成前缘的蠕滑段和后缘的拉裂段。

随着蠕滑段和拉裂段的发展，它们之间的完整岩体就构成了边坡变形的“锁固段”。

（3）当后缘拉裂加深到某一深度时，“锁固段”的应力积累将使这部分岩体进入累进性破坏阶段，并最终剪断锁固段岩体，发生突发的脆性破坏。

（2）阶梯状蠕滑-拉裂机理

阶梯状蠕滑-拉裂通常见于受平行边坡陡、缓两组结构面控制的高边坡中，是一种与平面滑动相近的变形破坏模式。

在这种情形下，缓裂通常构成蠕滑段，陡裂构成拉裂段，蠕滑面整体呈陡-缓相接的阶梯形或台阶状。

工程实践表明，这种变形破坏模式通常出现在坚硬块状岩体或厚层岩体构成的边坡中，其变形的发生往往具有从上至下的特点，沿倾向坡外的中-缓倾角结构面蠕滑，并通过陡裂逐级向下传递变形，形成阶梯状蠕滑-拉裂形式，当阶梯状蠕滑面的平均倾角与结构面的残余摩擦角接近时，特别有利于这种变形的发生。

边坡变形破坏机理可概括为：

沿缓倾角结构面的剪切蠕滑变形通过陡倾段的拉张变形逐级向下传递，从而形成一具有阶梯状蠕滑面形态的高边坡蠕滑-拉裂变形体。

（3）倾倒变形

倾倒变形通常是指走向与坡面近于平行的陡倾层状岩体发生的向坡外的弯曲变形。

这里的压缩-倾倒则主要指的是：

具有下伏软弱基座的高陡边坡，下部软层在上覆岩体的长期压缩作用下，产生非均匀的压缩变形（坡面最大，向坡内逐渐减小），从而致使坡体遭受倾覆力矩的作用，导致坡体整体向外倾倒，并在坡体后缘形成具有很大贯穿深度的后缘拉裂或沿坡体内倾向坡外的结构面发生剪胀错动-拉裂。

进一步，这种变形模式根据边坡内部结构的不同，相应的变形表现形式不同可分为两种类型，即压缩-倾倒-拉裂型和压缩-倾倒-剪胀错动型。

1压缩-倾倒-拉裂型

其典型的特征是边坡岩体整体性较好，压缩-倾倒变形发生后，边坡整体倾倒，从而在后缘沿平行边坡的结构面拉裂，形成统一的后缘深部拉裂缝。

当软层缓倾向坡外时，后缘拉裂与软层之间可能形成“锁固段”，这时边坡变形破坏的进一步发展可能转为前述的三段式模式，其破坏的结果形成高速滑坡：

当软弱基座近水平或倾向坡内时，后缘拉裂的扩展可能直达软层，形成高边坡危岩体，边坡具有整体倾倒破坏的可能。

2圧缩-倾倒-错动剪胀型

其典型的特征是反倾坡内的层状岩体边坡发育有一组走向与坡面平行、倾向坡外的结构面，压缩-倾倒变形发生后，边坡整体倾倒的同时，带动坡体内的这组结构面产生剪胀变形，表现为向坡外的拉张和顺结构面的错动，形成一种特殊的变形结构。

山于这组结构面在边坡内通常表现为有限长度或被层间的软层所夹持或限制，因此，这种变形结构在边坡内通常不形成贯通的面或显著的后缘拉裂面，而是表现为分散的“卸荷裂隙”形式，其发育深度取决于边坡的倾倒变形程度。

（4）高应力-强卸荷深部破裂机理

边坡具有深部卸荷，并伴随深部张裂的现象，即除了边坡浅表部发育的正常卸荷带（一般0~60m）夕卜，在坡体的深部（一般水平距岸坡-200R1深度）还发育有深部的卸荷带，表现为典型的深部张裂。

深部张裂带的发育具有多种复杂的机理，但作为强裂卸荷原因而引发的这种深部卸荷及其所伴随的深部张裂现象有以下三个强烈的背景：

一是高地应力（现实边坡内部的水平或近水平应力通常在15Mpa以上，河谷下切释放前应该更高），这种高地应力是驱动边坡发生强烈回弹变形的内在动力；二是边坡深部存在有利于应力释放的结构面（平行或与边坡小角度斜交的近直立或倾坡外的断层或长大裂隙），这是深部卸荷和张裂带形成的边坡结构基础；三是河流的快速下切，这是导致边坡内在应力快速释放的外部条件。

二、岩石边坡的失稳模式

岩石边坡山众多结构面切割而成，因此呈现多种失稳模式，岩土工程界通常根据其破坏面类型将其失稳模式划分为一下儿种：

（1）平面破坏

在实际岩石边坡中平面破坏是比较少见的，原因是平面破坏所需要的全部儿何条件在一个实际边坡中仅是偶尔存在的，且主要是在在沉积岩、变质岩中沿层面发生的。

发生的儿何条件：

滑动面的走向必须与坡面平行或接近坡面（与在20°范围内）；破坏面的倾角必须小于坡面的倾角；破坏面的倾角必须大于该面的摩擦角：

岩体中必须存在对于滑动仅有很小阻力的解离面。

（2）圆弧形破坏

通常在碎裂和散体结构的岩体中发生的，类似土质滑坡的破坏类型。

（3）楔体破坏

楔体破坏是岩石边坡中最常见的破坏模式。

形成楔体应有两组或多组结构面,Hoek将典型的楔体破坏分为两种情况：

贯穿式的平面不连续面；一套密集结构面形成的楔体。

根据现场揭露的结构面确定楔体的儿何形状是楔体破坏分析中的—个难点。

（4）倾倒破坏

当岩体中存在一组倒倾的陡倾角结构面，其走向与边坡的走向近乎一致时，山这组结构面切割形成的岩柱乂可能发生弯曲，整个边坡出现倾倒破坏现象。

Goodman和Bray乂将其进一步划分为三种类型：

.弯曲式倾倒-非常发育的陡倾斜不连续面所分割的连续岩柱向前弯曲；岩块式倾倒-坚硕的单个岩柱被大间距的正交节理切割；岩块弯曲复合式倾倒。

三、岩石边坡的稳定性分析方法

（1）极限平衡理论

1.Sarma法

Sarma法是分析岩石边坡中平面和圆弧面破坏的常用方法。

这是基于斜条分的极限平衡法，Sarma提出了临界加速度的概念。

Donald和Chen对Sarma法从理论背景到解题方法方面做出了一系列的改进，同时将Sarma法纳入塑性力学上限定理的理论框架中。

（2）楔体稳定分析的极限平衡法

对楔体破坏主要釆用Hoek和Bray介绍的对楔体稳定分析的简化方法，该方法中一重要假定是，构成楔体的两个底滑面上的剪力均平行于该两平面的交线。

潘家铮对这一假定提出了质疑，并提出了“潘家铮最大最小原理”。

（3）Goodman-Bray法

Goodman-Bray法是常用的进行边坡倾倒稳定分析的方法。

设某一边坡被反倾的结构面切割成n块宽度为1的矩形条块，对任一条块，作用其上的力将使该条块处于：

①稳定；②倾倒破坏；③滑动破坏状态。

滑坡体分为稳定区、倾倒区、滑动区三部分。

并对条块的儿何边界条件作进一步简化使其满足变形协调条件。

从上到下依次对各条块进行静力平衡分析。

由于Goodman-Bray法的局限性，中国水利水电科学研究院对其数学模型作了适当改进，主要是在安全系数的定义和确定方法；破坏模式的确定；计入节理岩体连通率三个方面。

（2）岩体结构控制理论

岩质边坡结构十分复杂，其稳定性取决于边坡的各类结构面的特征。

孙广忠提出了“岩体结构控制论”，将赤平投影法和实体比例投影法应用于边坡工程。

石根华提岀了“关键块体理论”，南京大学等提出了岩坡优势面控制论，认为岩坡的变形破坏受岩坡内的优势面所控制。

（3）分形理论

分形理论主要研究自然界中一些具有相似但没有特征长度的图形或现象，其研究方法是通过确定图形或现象的分维数，以揭示该现象或图形的内在本质和规律。

谢和平做出了重要的突破，周维垣、张公瑞将分形技术引入岩体网络生成，孙钧等提出了分形块体力学。

研究表明，边坡岩体结构常呈不规则分形体态，可以用分维来表征，利用分维可以定量地描述断层、层理、节理、泥化夹层等宏观结构面的形态特征、分布、产状及粗糙度等。

同样，岩体的微观结构面或破坏面也呈不规则的分形状态，这种不规则反应了岩体破坏时的能量耗散及微观结构效应，也可用分维来表示。

分维数是岩体变形破坏的某一统计特征量，分维数可以充当岩体变形破坏变量的角色进行岩体的强度和稳定性演化过程的分析。

⑷3S理论

3S系统是指地理信息系统（GIS-GeographyInformationSystem）＞遥感系统（RS-RemoteSensingsystem）和全球卫星定位系统（GPSGlobalPositioningSystem）o三者融为一体为边坡工程的防治与预测预报提供了新一代观测手段、描述语言和思维工具。

从1997年开始，崔政权、何满潮着手建立“三峡库区边坡稳态3S实时工程分析系统”。

（5）数值分析方法

应用数值方法具有下列独特的优点：

1.山于边坡具有复杂的边界条件和地质环境，如岩土体的非均匀性、非连续性，造成边坡工程问题的非线性等特性，这些问题要釆用弹塑性理论和极限平衡分析解决，数值分析可以方便地处理上述问题；

2.数值方法可以得到边坡的应力场、应变场和位移场，非常直观地模拟边坡变形破坏过程：

3.数值方法适用于分析边坡工程的分步开挖，边坡岩土体与加固结构的相互作用，地下水渗流，爆破和地震等因素对边坡稳定性的影响；

4.数值分析能根据岩土体的破坏准则，确定边坡的塑性区或拉裂区域，分析边坡的累进性破坏过程和确定边坡的起始破坏部位。

常用的数值分析方法有：

有限元法、离散元法和快速拉格朗日法等。

①有限元法：

边坡稳定性分中的有限元法是将所研究的区域划分为有限小区域即单元。

单元与单元之间仅在指定点处相连在离散化的模型上对单元逐个地进行分析再将各单元组合到一起进行整体分析然后结合要求计算位移（或应力）边界条件按结构分析中的位移法（或力法）求解各节点处的位移进而求出各结点的应力应变及所研究区域屈服区边坡稳定性分析时结合岩体结构特征对每一滑动面给出其在每一单元内的长度倾角粘聚力内摩擦角及边坡饱和时每一单元内的水位值利用有限元分析结果山每一单元的主应力计算出滑面每一单元的剪应力及正应力再用摩尔一库仑破坏理论确定整个滑面的稳定系数。

有限元方法的应用能比较好地解决岩体应力变形分析中的非线性、非均质和复杂边界条件等困难。

2离散单元法：

其基本原理是假定岩体山刚性块体组合而成，以单个刚性块体的运动方程为基础建立描述整体运动状态的联立方程，求解后便可以得到块体的运动参量。

这种方法适合于碎裂介质边坡，且容易考虑不同时刻的块体受力条件，也适合于随时间变化的动态荷载输入，一般来说边坡变形都具有大变形和非线性特征，在进行边坡的变形与破坏机制研究时最有效的研究方法之一当属离散单元法。

3快速拉格朗日法（FLAC）法：

FLAC法较好的吸取了其他数值方法的优点并克服其缺点而形成的一种新数值计算方法，其基本原理类同于离散单元法，但它却能像有限元那样适用于多种材料模式与边界条件的非规则区域的连续问题求解。

在求解过程中FLAC乂釆用了离散元动态松弛法，不需要求解大型联立方程组便于计算，另外FLAC法不但能处理一般的大变形问题，而且能模拟岩体沿某一软弱面产生滑动的变形。

FLAC法能针对不同的材料特性使用相应的本构方程来比较真实地反映实际材料地动态行为。

FLAC法还可考虑锚杆挡墙、抗滑桩等支护结构与围岩的相互作用。

另外，随着数值分析方法的不断发展，出现了不同数值方法的相互耦合，如有限元、边界元、离散元与块体元等的相互耦合，数值解和解析解的结合，以及非确定性的数值方法，如随机有限元、模糊有限元、概率数值分析等方法。

（6）人工神经网络方法

人工神经网络是指由大量简单神经元经广泛互连构成的一种计算结构，是一种广义的并行处理系统。

（7）可靠性分析

在边坡稳定性分析中，最基本的评价指标是极限平衡方程的解，传统的方法是采用以安全系数为度量指标的定值法。

但在某些工程设讣中，按此法计算是安全的，实际却发生了破坏，其中很重要的一个因素就是忽视了计算参数的不确定性，而可靠性分析却能作出明确的回答。

在概率论基础上进行边坡可靠性分析，考虑边坡的各种影响因素的不确定性用概率来度量边坡的安全度。

四、岩石高边坡的治理

边坡治理工程一般可以分为两类：

（1）排水

包括排除地表水和地下水，这是防止滑坡的最好方法之一。

采用设置排水系统拦截流入不稳定边坡区的地表水流，釆用排水廊道和钻孔等方法，排除并降低地下水，以减少滑坡体内的地下水动水压力和渗透压力，而且可以疏干岩土体的含水量，以增强岩土体的抗剪强度。

（2）坡面防护

为了加强坡面的完整性和整体性，防止风化卸荷带、错动带、挤压带等碎裂结构坡体表面产生剥落、掉块或落石，避免地表水和降雨对坡面的入渗和冲刷釆用喷射钢纤维混凝土和喷射素混凝土相结合的措施，对边坡进行坡面控制。

在弱下风化岩体和微新岩体内的边坡，山于岩体完整性较好，易于成坡，建议采用喷射素混凝土进行防护。

此外，注意在坡面控制中留设泄水孔和伸缩缝。

在弱上和卸荷带岩体中建议设置一定数量的水平排水孔。

（3）坡体锚固

研究表明，工程高边坡开挖后，随机裂隙的切割组合会产生不稳定的随机块体；由于卸荷回弹以及爆破开挖，坡体表层将产生一定的松动；坡体中强风化夹层、挤压带、层内错动密集带、卸荷裂隙的存在以及各种方向裂隙的切割，可能会导致坡体表面产生滑落、掉块等。

山于这类变形破坏具有分布广、随机性强等特点，拟在开挖边坡坡面设置系统锚杆，以加强坡面岩体的整体性和稳定性。

当边坡存在潜在的不稳定块体时，在边坡开挖施工过程中或电站运营过程中极有可能失稳。

由于块体的体积较小，下滑力不大，因此，以块体锚杆加固为主。

对确定性块体采用预应力锚杆;对半确定性块体采用非预应力锚杆。

工程边坡开挖后，坡面一定范围内存在拉应力、松弛带和塑性破坏区，而且,地质勘探还揭示，坡体中有强风化夹层和层内错动密集带等破碎软弱岩体。

为了改善边坡中松弛带和塑性破坏区的应力状态，防止松弛带追踪裂隙形成张拉裂缝，限制破碎软弱岩体的大变形，分别在边坡中的相应位置设置预应力锚索进行加固。

五、岩石高边坡的监测

边坡信息化监测就是对边坡岩体位移场、应力场、结构场和渗流场的改变进行监测。

具体的监测内容应该在考虑监测原则的基础上，针对不同的问题采用不同的的措施设置。

1、监测内容主要包括：

（1）整体稳定性监测

对边坡整体稳定性的监测主要针对有潜在不稳定因素的部位，而且以位移监测为主。

这些部位主要有:

边坡最高的断面、层间错动带错动强烈的部位、松弛带和塑性破坏区发育较深的部位、强风化夹层和风化卸荷最发育的部位、双面临空的部位。

（2）局部稳定性监测

包括对确定性块体、半确定性块体和随机块体的监测以及对层内错动带密集发育部位、表部松弛带、地下水等的监测。

局部稳定性监测主要依靠位移监测、声波监测和渗流渗压监测。

（3）锚固效果监测

锚固工程属于隐蔽性工程，影响锚固效果的因素很多，设计时很难做到情况完全清楚，必须对系统锚杆、块体锚杆和预应力锚索对边坡的控制效果进行监测。

2、监测方法

（1）地表变形监测方法

采用大地测量法、GPS（全球定位系统）测量法监测边坡表面的三维位移（包括:

水平位移和垂直位移）。

采用测缝讣等对边坡表部（坡面及马道）的裂缝，包括断层、错动带、裂隙等，进行相对位移监测。

（2）深部变形监测方法

深部位移监测通常在钻孔中进行，既可监测边坡岩体不同深度的水平位移，也可监测不同深度的垂直位移或倾斜钻孔的轴向位移。

这种监测对于发现边坡的潜在滑动面并监测其发展变化具有重要意义，同时也可确定边坡的松弛深度。

一般采用钻孔测斜仪监测边坡的深部水平位移;采用钻孔多点位移汁监测边坡深部的垂直位移或钻孔轴向位

移。

（3）松弛范围监测方法

采用声波仪并配置换能器或地震仪监测山于开挖爆破振动和地应力释放引起岩体扩容而在边坡表层形成的松弛带的范围。

主要用于边坡局部稳定性评价和作为锚杆锚索优化设讣的科学依据。

（4）地应力监侧方法

为了了解边坡地应力及其在开挖后的变化，采用应力解除法三维地应力测量和应力讣监测岩体地应力及其变化。

（5）地下水及渗流渗压监测方法

利用勘探阶段的钻孔或平洞内的钻孔用电测水位计进行地下水位监测；采用量水堰法监测地下水的渗流1W况;采用渗压计法监测地下水的渗流压力。

其它与地下水位有关的参数，如降雨量、江水位等直接釆用附近水文站的观测资料。

（6）锚杆锚索应力监测方法

采用锚杆应力计和锚索测力计分别监测锚杆和锚索的受力情况。

（7）爆破振动监侧方法

采用速度计、加速度计和动应变计监测爆破时边坡岩体中一定部位质点的运动参数和动力参数。

其中主要监测质点振动速度，使其满足前述爆破控制的要求,保证边坡岩体受爆破影响最小.

六、存在的问题

1.如何判断某一具体岩石高边坡的失稳模式？

有什么依据？

2.当应用赤平投影法判断岩石高边坡的失稳模式时，应怎么具体操作？

需要哪些参数？

3.对于具有多组结构面的岩石高边坡，怎样选取其强度参数？

4.针对不同的破坏模式应采取什么防护措施进行治理？

或者说不同的锚固措施分别适用于什么样的岩石高边坡？

5.在对岩石高边坡进行防治设计时，如何具体的计算？

6.在进行岩石高边坡的稳定性分析时，怎样考虑地下水和地震力的作用？

7.如何考虑岩石高边坡的运动特征？

8.如何进行岩石高边坡的预报？

有哪些依据？