边坡稳定性研究概述.docx

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边坡稳定性研究概述

边坡稳定性研究概述

1  前言

   岩石高边坡稳定性问题是我国20世纪70年代以后出现的最具特色的工程地质问题之一。

尤其是20世纪80年代以来，我国经济的高速增长，极大地刺激了资源﹑能源的开发，交通体系的完善和城镇的都市化进程，大型工程活动数量之多、规模之大、速度之快、波及面之广，举世瞩目；毫无疑问，随之在不同领域也带来了众多的高边坡工程问题。

   我国西南地区地处青藏高原的东侧，受青藏高原近百万年来持续隆升的影响，在青藏高原与云贵高原和四川盆地之间形成了总体呈南北走向的巨大的大陆地形坡降带，构成我国大陆地形从西向东急剧骤降的特点；在此过程中，发育于青藏高原的长江（金沙江）及其主要支流（雅聋江、大渡河、岷江）以及雅鲁藏布江、澜沧江、怒江等深切峡谷，从而在这个巨大的大陆地形坡降带上形成高山峡谷的地貌特征，不仅蕴藏了丰富的水能资源，同时，也构成高陡边坡的基本地貌景观。

    在这些地区修建或拟建的巨型﹑大型水利水电工程，边坡高度小则百余米，大则达300～1000米，并且随着工程规模的增大，工程边坡的高度也越来越高。

据统计，我国一批大型骨干水电站，如三峡、二滩、拉西瓦、锦屏和小湾等工程中，涉及的天然边坡高达1000m以上，工程边坡可达200～300m高度，其中垂直边坡高度已接近100m，见表1。

   这些岩石高边坡通常处于复杂的地质环境并具有复杂的地质结构，构成了大型水电工程建设中一个关键工程技术难题，对工程修建的可行性决策起到重要的控制作用，并在很大程度上影响着工程建设的投资及运营效益。

岩石高边坡的稳定问题不仅涉及到工程本身的安全，同时也涉及到整体环境的安全；岩石高边坡的失稳破坏不仅会直接摧毁工程建设本身，而且也会通过环境灾难对工程和人居环境带来间接的影响和灾害。

    因此，20世纪80年代以来，人们清醒的认识到必须加强复杂岩体中高陡边坡稳定性的理论研究，必须加强重大工程边坡稳定性的应用研究。

这样使得对岩石高边坡稳定性的研究一直是我国20世纪工程地质学领域的热点难点科学与工程技术问题。

通过对边坡稳定性有关的勘测、稳定性分析、加固和监测等方面的研究，在实践和理论方面都取得了丰富成果，并在困难环境条件下和复杂地质条件下，成功地治理了一些变形失稳边坡，取得了较大的成就。

2  边坡稳定性研究历程概述

   随着经济的发展和社会的进步，人类的工程活动也在迅速的发展，人们对边坡问题的研究逐渐深入，推动了边坡稳定性研究的进步。

   人们对边坡稳定性的关注和研究最早是从滑坡现象开始的，早期的工作是把滑坡作为一种地貌现象加以观察描述，是地貌学或普通地质学研究的对象之一。

   19世纪末及20世纪初期，伴随发达国家近代工业革命而兴起的大规模土木工程建设，出现了较多的人工边坡，诱发了大量滑坡和崩塌，造成了很大的损失。

这时，人们才把边坡失稳现象提高到与人类工程活动有关的灾害地质过程高度，并借用一般材料分析中的工程力学理论对滑坡进行半经验、半理论的研究。

早期对边坡稳定性的研究一是借用土力学中极限平衡理论，计算边坡的稳定性（Kail  Terzaghi,1926；Fellenius,1927、1936；Taylor,1937、1948；Janbu,1954；Bishop,1955等）；二是从边坡所处的地质条件、影响因素和失稳现象，对边坡发生的环境和机制进行单因素定性分析。

   20世纪50年代，我国学者引进前苏联工程地质的体系，继承和发展了“地质历史分析”法，并将其应用于滑坡的分析和研究中，对边坡稳定性研究起到了推动作用。

这阶段学者们着重于边坡地质条件的描述和边坡类型的划分，采用工程地质类比法评价边坡稳定性。

   20世纪60年代，世界上几起灾难性的边坡失稳事件的发生（如意大利的Vajont水库滑坡造成近3000人死亡和巨大经济损失），使人们逐渐认识到了结构面对边坡稳定性的控制作用以及边坡失稳的时效特征（L.Muler,1963、1965），初步形成了岩体结构的观点  （谷德振、孙玉科等，1965），并在应用赤平极射投影的基础上，定性判断边坡的稳定性。

   20世纪70年代，边坡研究者从大量的工程实践和边坡失稳事件中，逐渐认识到边坡稳定性研究必须重视其变形破坏过程和机制的研究，提出了时效变形、累进性破坏的观点以及边坡变形破坏的地质力学模式（张倬元、王兰生等，1970’s），使边坡稳定问题的研究工作步入了地质分析和岩石力学分析相结合的“地质过程机制分析”时代[6,14]。

这期间，最为突出的理论贡献是的地应力对边坡变形破坏的引入和变形破坏基本地质力学模式的提出。

  20世纪80年代，工程地质学的发展进入了定性向定量发展的新阶段，工程地质学及边坡科学研究进入了蓬勃发展的新时期。

一方面，随着计算机技术的迅速发展和现代力学、现代数值分析理论的进步，模拟技术开始广泛地应用于地质灾害分析，尤其是机制分析；针对介质的特点，先后出现了线弹性模拟、弹塑性模拟和考虑时间效应的粘-弹-塑性模拟，后期还出现了准大变形和运动过程的离散单元模拟，乃至全过程模拟等。

基于相似理论的物理模拟技术也得到了相应的发展。

借助于方法的更新和手段的进步，人们对地质灾害的认识不再仅仅停留于“概念模型”阶段，而是通过模拟，把“概念模型”上升为“理论模型”，进一步从内部作用过程（机制）上揭示边坡地质灾害的发育及滑动面的形成过程，以及这一过程所反映的边坡稳定性状况和蕴涵的今后的变化信息，从而为复杂边坡的稳定性评价及预测提供了重要的理论方法和工具。

这一阶段的发展促使“地质过程机制分析”的学术思想体系上升到了“地质过程机制分析-定量评价”的新阶段。

另一方面，学科之间的相互渗透使许多与现代科学有关的一系列理论方法，如系统论方法、信息论方法、模糊数学、灰色理论、数量化理论及现代概率统计等被引入边坡科学研究，从而大大促进了理论的更新和应用研究及决策水平的提高。

   20世纪90年代以来，尤其是三峡工程建设和西部开发的实施，工程建设的需求极大地推动了我国20世纪岩石高边坡工程理论与实践的发展。

这一阶段有以下方面标志性的成就。

一是从80年代末期开始，系统科学的思想被引入复杂地质过程和高边坡稳定性研究，人们从系统与系统之间、系统内部各子系统之间的信息传递上认识到了复杂高边坡地质体的稳定性及其控制机制和可能的控制途径，从而开始了从认识地质体向适应乃至改造地质体、从认识边坡变形破坏行为向控制灾害发生的过渡，诞生了“系统工程地质学”和“工程地质系统集成”和“互馈作用”等学术思想。

另一标志是90年代初，非线性科学被引入到了边坡灾害的研究。

人们不仅通过一般系统科学认识到了复杂灾害系统的物理构成，而且借助于非线性科学，认识到了系统形成与演变的非线形特性，从而跨越了从线性系统到非线形系统的历史性转变。

它认为地质灾害是由一系列非平衡不稳定事件产生空间、时间、功能和结构上的自组织行为，从而导致开放系统远离平衡态的结果，籍此相继建立了一些初步描述边坡行为的动力学方程，提出了一些基于突变理论、分形理论及非线性动力学理论的预测模型。

   在此过程中，成都理工大学黄润秋教授领衔的“中国西南高边坡稳定性评价及灾害防治”课题组，从80年代中期开起，结合西南地区重大工程建设和重大地质灾害防治，对高边坡稳定性评价与灾害防治分析技术与方法进行了探索与开拓，提出了具有针对性的以“地质过程机制分析—量化评价”为核心的学术思想体系，和以“系统工程地质分析”为主体的评价方法和应用技术体系；形成了“复杂岩体结构精细描述和建模”、“边坡变形破坏机理模式及变形稳定性评价方法”和“地质灾害过程模拟与过程控制”三大支撑技术，取得了重要的成果。

表2简单回顾总结了20世纪60年代以来我国岩石高边坡工程理论与实践发展的总体历程。

3  岩体结构的研究

   岩体结构的研究看似与边坡的稳定性无关，而实际上岩体结构对岩质边坡而言，它起着至关重要的作用。

由于岩质边坡的复杂性和不可知因素等远远大于或多于土质边坡，因此，研究和判断岩质边坡稳定性的难度和程度都远远大于土质边坡。

   岩体结构的研究始于20世纪50年代，以L.  Muller为代表的奥地利学派最早认识到结构面对岩体力学特性和工程稳定性起控制作用，并认为这是构成岩体和岩块力学与工程特性差异的根本原因，从此开辟了结构面研究的先河。

   60年代谷德振（1963）、孙玉科（1965）提出了“岩体结构”概念和岩体结构控制岩体稳定性的重要观点。

孙玉科（1965）在“岩体边坡工程地质稳定性的研究”文章中，结合边坡稳定性研究对岩体结构进行分类，划分出层状结构边坡、块状结构边坡和网状结构边坡。

这个分类是岩体结构的最早分类，是后来岩体结构类型划分的基础。

   1979年谷德振先生从地质历史的发展过程——建造与构造，运用地质力学的观点，研究岩体的工程地质特性及力学成因问题，并对岩体结构进行了深入分析研究，将岩体结构分划分为四大类八个亚类，最后对岩体结构如何影响地质体和岩体稳定性做了评价。

   王思敬等根据地下工程的特点，将岩体结构划分为四大类十二亚类，并针对不同跨度的地下工程，提出了稳定性评价的初步结果及支护方岸。

   80年代孙广忠提出了“岩体结构控制论”，全面、系统的研究了结构面影响岩体变形与破坏的基本规律。

将岩体划分为连续、碎裂、块裂及板裂四种介质类型，建立了完整的岩体力学结构体系。

   成都理工大学在岩体结构、岩体稳定性分析及工程运用方面，形成了有特色的理论体系和系统的研究方法。

岩体结构特征是在漫长的地质历史发展过程中形成的，岩体结构是建造和改造的综合产物，按建造可将岩体划分为块体状（或整体状）结构、块状结构、层状结构、碎裂结构和散体结构等类型。

黄润秋教授等针对溪洛渡工程复杂岩体结构，结合拉西瓦高边坡、小湾高边坡、三峡地下厂房等工程，提出了一套系统的复杂岩体结构分类、描述、调查和工程应用的方法体系。

  随着工程经验的积累，国家相关部委制定了适合各自行业特点的岩体结构分类规范，如水利水电工程地质勘察规范中将岩体结构划分为四大类十二亚类。

水利水电系统将岩质边坡按岩体结构进行分类，划分为块状结构、层状结构、碎裂结构和散体结构边坡，并对层状结构岩体根据层状结构面与坡面的空间关系进一步划分为四个亚类。

岩质边坡按岩体结构的分类有助于对边坡变形破坏机理的深入分析，是对岩体结构认识的深化。

把岩体结构和边坡可能出现的变形、破坏方式联系起来，对指导边坡勘察，分析边坡的稳定性有重要意义。

4  边坡变形破坏模式及类型的研究

  边坡变形破坏的分类，国内外已有许多不同的方案。

E.  Hoek教授（1973）在《岩石边坡工程》书中，将岩石边坡变形破坏类型分为圆弧破坏、平面破坏、楔体破坏和倾倒破坏，并详细谈论了边坡破坏机制、破坏方式、破坏类型以及如何抽象边坡稳定性分析力学模型等问题。

上世纪80年代，国际工程地质协会（IAEG）滑坡委员会建议（D.  M.  Cruden，1989）采用瓦恩斯的滑坡分类（D.  Varnes，1978）作为国际标准方案。

将边坡按运动方式划分为崩落（塌）（falls）、倾倒（topples）、滑动（落）（slides）、侧向扩离（lateral  spreads）和流动（flows）等5种基本类型。

   我国在研究滑坡的形成、变形破坏模式和运动机理方面也取得了可喜的进展。

其中最具代表性的为王兰生、张倬元等人（1980）根据大量现场观测资料，深入研究了边坡变形破坏演化机制的一般规律，提出了6种基本的地质力学模式，即蠕滑-拉裂、滑移-压致拉裂、滑移-拉裂、弯曲-拉裂、塑流-拉裂和滑移-弯曲。

这些边坡变形地质力学模式，揭示了边坡发展内在的力学机制，并在很大程度上确定了边坡岩体最终破坏的可能方式与特征。

   孙玉科、谷德振等人（1979）将边坡变形破坏模式概况为5类：

倾倒变形破坏（金川模式）、水平剪切变形（葛洲坝模式）、顺