岩质边坡稳定性分析方法及工程应用研究

岩质边坡稳定性分析方法及工程应用研究

王海涛

中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司 710065

摘要：本文首先介绍了岩质边坡稳定性分析方法，并结合具体工程实例研究岩质边坡稳定性分析方法的实际应用，以供参考。

关键词：岩质；边坡稳定性分析；应用

引言：岩土工程施工中，因为常常需要对岩质边坡实施处理，所以针对边坡稳定性进行分析是十分必要的。岩质边坡稳定性的影响因素包含地质因素和非地质因素两种。地质因素指的是出现滑坡的地质条件，非地质因素指的是引发滑坡发生的各方面因素。

一、岩质边坡稳定性分析方法

（一）极限平衡法

该种方法是比较典型的确定性方法，实际做法是把滑动趋势范围中的边坡岩体根据特定的规则转换为不同的小块体，利用块体的平衡条件对边坡整体的静力平衡方程加以创建，如此便可实现对相应安全系数的求解^[1]。该种方式是将岩块视作刚体，不对岩体应力应变的关系加以考虑，所以也不会对边坡分布和发生形变的情况进行考虑。国内和国外众多学者都致力于极限平衡法的研究，并获取了相应成果。如广义条分法，该方法的实际适用范围较为宽广，这种方法对条块之间分界面的应力变形关系进行了充分考虑，同时通过对搜索方式进行优化，给出具有一定潜在危险的滑动面和对应的安全系数。再如，三维岩石边坡极限平衡法，通过对边坡多层DEM模型的运用，并将Bishop法的假设当作依据，针对边坡稳定性作出相应分析。

（二）数值分析法

数值分析法包含多种方法，如离散单元法、有限单元法等。因为岩质边坡工程的地质环境条件以及边界条件具有一定复杂性，加之岩体自身不够均匀和连续等特点，导致边坡工程相关问题也呈现出复杂性的特点，而采用数值分析法能够结合岩体结构的破坏准则，确立出边坡的压碎区域塑性区等区域，能够获知岩质边坡的位移场与应力，能够对边坡的支护及开挖进行实际模拟，同时能够对地震和水渗流等自然因素之于边坡稳定性的影响加以充分考虑，所以该种方法在边坡稳定性的分析中起到十分重要的作用。

在数值分析法中，有限单元法是当前运用比较普遍的一种方法，其亦是边坡稳定评价中运用较早的一种方法。利用此种方法对边坡稳定性进行分析时，首先需要对坡内各个单元的应力加以计算，之后结合滑裂面实际的抗剪强度和剪力之间的比例计算出对应的安全系数。安全系数指的是岩质边坡恰好达到临界收敛状态的过程中针对岩体实际剪切强度实施折减的具体程度。所以，将强度折减法当作基础的有限元分析法在岩体施工中的运用越发普遍。伴随着计算机技术的日益进步，可以针对岩体材料实施粘弹塑性和弹塑性进行有限元分析，促使岩质边坡的分析获取了更为深入的发展。然而该种方法也具有需要更为深入研究的问题，比如流动法则与收敛法则的选取，岩体本构模型的选取等。

二、工程应用

（一）工程概况

某水电站中尾水隧洞边坡开挖施工，因为出口的地方边坡位置山坡地形比较陡峭，与山坡相垂直地形的坡度通常在35-45度范围内。全强风化的实际厚度在20-40米范围内，坡基层的实际厚度在1-3米范围内。洞室左侧位置边坡的走向是N11.5°W，最大坡度的垂直高度在150米左右。F1断层由边坡前段位置通过，两个断层带以及之间所夹岩体的总体宽度在50米左右，其它分布的断层具体包含F₇、F₃₀、F₄₂，发育的节理和洞脸边坡保持一致。在断层的影响之下，边坡岩体受到风化的程度较深，强、全风化底界最大的深度在50米左右，边坡下部位置大部分是弱风化上部岩体。边坡之上地下水的实际高度通常不超过50米。断层破碎带、全风化和部分强风化，岩石的实际强度相对偏低，大多数都是散体结构。断层影响带、强风化以及部分弱风化上部位置是碎裂的结构，边坡位置大多数都是微新风化带岩体结构，圆弧形是边坡的主要破坏形式。

（二）稳定性有限元分析

1.有限元模型

关于计算模型岩体，其主要包含六种类型的材料组成单元。摩尔-库伦是材料本构关系所运用的准则。这一有限元模型运用的是六节点单元，计算过程是将其当作二维平面应变问题^[2]。对于计算剖面，主要包含原始坡、开挖后场以及边坡几个部分。底部位置向下延伸大约1倍的坡高，整体高度在290米左右。其左边界位置，延伸到开挖边坡后边缘地形较为平缓的地带，顺沿洞轴线长度在368米左右。选择模型底部位置最左侧点当作坐标原点，水平方向作为X轴，竖直方向作为Y轴。一共分解为2171个节点和1044个单元。

2.计算结果和分析

首先，开挖之后的最大可能滑动面和相应的安全系数。针对边坡实施挖掘后，利用有限元强度对计算进行折减，在这一系数是2.371时，坡体呈现临界收敛状态，也就是说开挖后2.371是边坡的安全系数。关于最大可能滑动面，其具体位置是由坡顶位置向内部结构延伸到弱上风化带和强风化带交汇位置处向坡面贯穿，滑出点的高程在665米左右。其次，开挖后位移场的特点。通过相应的位移矢量图能够得知，在挖掘边坡后表现出了各种程度不同的卸荷回弹。由于挖掘而生成的地表面在断层F1露出的地方具有带物质挤出的表象。另外，F7贯穿的挖掘坡面地方，带物质滑出的表象比较显著，基于挖掘坡体表层回弹的情况比较显著，需要针对坡面位置进行锚杆支护。最后，开始挖掘后，在强度折减达到临界收敛状态的过程中，关于塑性屈服点，大多数分布在F

₁、F₇和F₃₀断层的内部结构中，而在F₃₀断层的上部岩体中也存在少量的分布，并且在挖掘坡顶部位置全强风化带内部结构中产生了很大范围的塑性屈服带。在坡顶部位置弱上风化带和强风化带交汇的地方塑性屈服区域贯穿，这一位置是开始挖掘之后的最危险滑动面。

结束语：综上所述，岩土工程施工中边坡稳定性分析起到十分重要的作用。实际工程中，应结合岩体的实际情况，选用合理的分析方法，确保边坡更加良好的稳定性，为工程施工提供有力保障。

参考文献：

[1]张社荣,彭敏瑞,董绍尧.岩质边坡稳定性分析方法及工程应用[J].中国农村水利水电,2007（04）:94-96.

[2]赵婷,王畅.边坡稳定性分析方法及工程应用研究进展[J].水利水电技术,2019,50（05）:196-203.