岩体边坡治理决策判别依据研究

岩体边坡治理决策判别依据研究

何子文

中国石油工程建设有限公司西南分公司四川成都610000

摘要：伴随我国经济高速发展的步伐，路堑、水电工程的溢洪道、露天矿等工程边坡在不断增加。设计斜坡与“理想”斜坡相距甚远，有些设计坡角靠近坡顶部分偏于安全，靠近坡底的坡段却偏于危险，无疑会导致工程造价偏高或在工程安全上埋下隐患。本文以单元结构体为研究单元，按动、静水压力的变化规律，建立无地下水浸润曲面的单滑动面岩体结构边坡、有地下水作用的单滑动面岩体边坡和楔形双滑动面岩体边坡等几种动态稳定性数字化模型，最后进行边坡稳定性分析后得出岩体边坡治理决策判别依据。

关键词：岩体斜坡稳定性，单元结构体，优势结构体，治理决策，三维动态模型

Studyondiscriminantbasisofrockslopetreatmentdecision

HeZiwen

Abstract:WiththerapiddevelopmentofChina'seconomy,engineeringslopessuchasspillwayandopenpitofcuttingandhydropowerprojectsareincreasing.Thedesignoftheslopeandtheslopeofthe"ideal"far,somedesignangleofslopenearthetoppartonthesafeside,neartheslopeslopebottomismoredangerous,willundoubtedlyleadtothehighcostofengineeringorhiddentroublesinsafetyengineering.Thispapertakestheunitstructureastheresearchunit,thechangesofhydrostaticpressure,theestablishmentofgroundwaterinfiltrationsurfacesingleslidingsurfaceofsloperockmass,groundwatereffectofsingleslidingsurfaceslopeanddoublewedgeslidingsurfacerockslopedynamicstabilityofseveraldigitalmodel,theslopestabilityanalysisofrockslopedecisioncriteria.

Keywords:slopestabilityofrockmass,unitstructure,dominantstructure,treatmentdecision,three-dimensionaldynamicmodel

一、引言

目前，岩体边坡坡角的设计仍停留在经验设计阶段，岩体高边坡在削坡还是加固的决策问题上缺乏理论根据，缺乏对边坡整体与开挖前稳定性的预测功能。这是由于目前所有的岩体边坡三维稳定性分析方法都还停留在岩体边坡单一滑块稳定性计算方式的。[1]

常用边坡设计是在有限元法求解应力的基础上,采用数学规划法分析边坡稳定的问题。[2]通过数学规划法与有限元法的结合,不但满足边坡力的平衡条件,而且考虑了材料的应力与应变关系,计算时不需做任何假定,使得计算结果更加精确合理，计算结果表明用该方法解决三维边坡稳定分析问题是可行的。[3]

本文以单元结构体为研究单元建立岩体斜坡稳定性三维动态模型，突破了目前岩体斜坡稳定性单个滑动体技术的现状，模型推导中提出了动态积分的概念，通过对三维动态模型定量分析后得出岩体边坡治理决策判别依据。

二、岩体斜坡稳定性三维动态模型研究

1.确定边坡地质结构类型

把岩体斜坡地质结构类型的划分为：单滑动面五面体、同倾向双滑动面楔形四面体、非同倾向双滑动面平行六面体、多滑动面多面体地质结构岩体边坡等4类。[4]

2.提出单位结构体与优势结构体概念

岩体实质是三维无限非连续天然结构介质，含有无穷多个相似形的结构体，我们定义1米坡高边坡的某种结构体为单位结构体。

所谓优势结构体，指经过工程地质调查和实体比例投影对比，最易失稳定一种或几种结构体。

3.应用实体比例投影方法求出单位结构体滑动面的体积

若按实体比例投影方法求得的单位结构体的体积表示为W，则坡高为n时，其结构体的体积为

4.建立斜坡稳定性数字化动态模型

采用极限平衡方法建立稳定性数字化动态模型。考虑稳定性的影响因素根据边坡的等级和边坡类型，最终实现每个抗滑动力因子、滑动力因子随单位坡高的增量连续的获得。建立稳定性系数与坡高的表达式。

以单滑动面斜坡体为研究基础建立稳定性数字化动态分析模型，按极限平衡理论，其稳定性系数的表达式应为：

经推导后得出：

以单位结构体为工具，按动、静水压力的变化规律，考虑无地下水浸润曲面的单滑动面岩体结构边坡、有地下水作用的单滑动面岩体（分不计入侧向摩阻力的有地下水地质条件的単滑动面斜坡、动水压力对单滑面边坡稳定性的影响和外加荷载下的单滑动面斜坡稳定性3种工况）和楔形双滑动面岩体边坡等几种动态稳定性数字化模型，求出它们任意坡高为变量的稳定性系数函数表达式，组合成为岩体斜坡稳定性三维动态数字化模型。

5.边坡稳定性系数分析

动态分析方法最根本的功能是动态地、连续地计算从坡顶至坡底或预测任意开挖深度的可能滑体的稳定状态。

1）以单滑面地质结构斜坡为例，其稳定性系数随坡高的变化

以坡高为变量求对于稳定性系数进行求导分析后得出，当坡高较大时，削坡对稳定性系数的贡献将变得微乎其微，如果继续采用削坡的方法来治理边坡就势必造成巨大的工程浪费，这时应采用增加滑动面抗剪力或相当于增加滑动面抗剪力方法。因此采用削坡法时，坡高对边坡的影响必须慎重对待。

2）对楔形双滑动面人工边坡的稳定性系数进行分析后得出，在坡度较大时，坡高每增加1m其稳定性系数降低率很低。而高度较小的斜坡恰好相反。

3）对同倾向双滑动面结构边坡治理决策分析后得出，随着坡高的增加，稳定性系数对于坡高的变化率不断减小，但比单滑动面结构边坡减小的要慢。

增加滑动面的抗剪强度仍然是一个在任何坡高都适用的方法，但是两个滑动面的增强效果相差较大。

三、研究结论

本文研究建立了可以包罗地壳任何边坡的四种地质结构类型的稳定性数字化动态模型共计16个，边坡坡角随坡高的动态变化模型7个，得出了边坡治理决策综合判据。

根据研究分析，在坡高较低时，稳定性系数的速率变化很快，当边坡较高时，稳定性系数随着坡高变化较慢。按照现行的《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2013）进行的工程实践表明，当每增加1米坡高，如果边坡的稳定性系数变化小于0.025，则说明坡高的降低对于稳定性系数的提高

可以忽略。置言之，这种条件下，边坡治理的决策不应是削坡，而应该是提高滑动面内聚力的各种治理方法。

所以按边坡的稳定性系数变化小于0.025这个界限，得到如下边坡治理决策判据：

只有相邻坡高的稳定性系数的比值大于或等于1.00162才可以考虑用削坡的治理决策。应用岩体斜坡稳定性动态数字化模型不难用下式判断治理类型。

判别公式：

参考文献

[1]李荣伟，侯恩科.边坡稳定性评价方法研究现状与发展趋势[J]，西部探矿工程,2007,19(3):4-7.

[2]苏广泉，李艳坤.有限元法在边坡稳定分析中的应用[J]，建筑工程技术与设计,2015(20).

[3]夏元友.用层次分析法优选边坡治理方案[J]，中国地质灾害与防治学报,1997(3):1-6.

[4]董兆祥，岩体斜坡稳定性数字化动态预测[M]，北京：地质出版社，2010，9-13.

[5]谢全敏，夏元友.岩体边坡治理决策的模糊层次分析方法研究[J]，岩石力学与工程学报,2003(7):1117-1120.

作者简介

何子文（1982-）男，汉族，土木工程本科，工程师，主要从事项目管理工作。