巖質邊坡的穩定性分析及生態防護設計

李正忠 楊俊

為了提高邊坡災害治理水平，首先從內因和外因兩方面探討了邊坡穩定性的影響因素，隨后以某邊坡為研究對象，利用有限元軟件Midas/GTS計算出巖質邊坡在降雨前后的安全系數，最后探討了植物防護、土工材料防護、植生混凝土防護等生態防護措施在巖質邊坡中的應用。

目前，邊坡災害是限制國家基礎設施發展的重要因素之一。尤其是山嶺地區，地形地貌起伏大，水文地質條件復雜，邊坡受力變形機制也復雜，在強降雨、邊坡開挖等影響下，容易出現滑坡、崩塌等災害。如果對邊坡穩定性分析不當或防護措施設計不合理，有可能引起重大事故，造成一定人員傷亡、財產損失及不良的社會影響，故應當對巖質邊坡穩定性分析格外重視。同時，工程建設過程中來自節能、環保方面的壓力也越來越大，選擇經濟、合理且和自然景觀協調的邊坡生態防護技術也成了工程人員待解決的關鍵問題之一。因此，研究巖質邊坡的穩定性分析及生態防護措施具有十分重要的工程意義。

一、巖質邊坡穩定性影響因素及分析方法

1.巖質邊坡穩定性影響因素

影響巖質邊坡穩定性的因素分為內因和外因兩大類，前者包括地層特性、地質構造、巖石成分及風化程度等；后者包括降雨、施工開挖等因素，具體闡述見表1：

2.巖質邊坡穩定性分析方法

針對巖質邊坡穩定性計算，《公路路基設計規范》（JTG D30-2015）中主要介紹了兩種方法：第一，普通的碎裂結構巖體邊坡宜選擇簡化畢肖普法；第二，規模較大或邊坡破壞機制復雜的邊坡宜采用簡化畢肖普和數值計算法綜合評估邊坡穩定性。

（1）簡化畢肖普法

簡化Bishop法模型簡單，計算精度高，是均質土邊坡穩定性計算中最常用的一種剛體極限平衡法。該方法是將滑坡體劃分成n個寬度相同的垂直條塊，假設各條塊間只存在水平條間力、豎向條間力等于0，且滑體力矩平衡。同時，把滑動圓弧圓心當做力矩中心點，計算抗滑力矩與下滑力矩比值即為安全系數，具體公式如下：

式中：Wi—第i條條塊的重力，kPa；bi—第i條條塊的寬度，m；ci—滑面粘聚力，kPa；?i—滑面內摩擦角，°；αi—圓弧底面傾角，°；ui—孔隙水壓力，kPa。

（2）有限元分析法

近年來，隨著計算機技術的飛速發展，數值計算法在巖土計算領域地應用日益普遍，一般包括有限元法、有限差分法、離散元法等，其中有限元法的應用最廣泛。有限元法用于分析巖質邊坡穩定性時，能將其安全系數與滑動面位移、應力、塑性區等聯系起來，能更好地分析邊坡失穩變形機理。有限元法計算邊坡穩定性的關鍵是判斷邊坡臨界破壞狀態，判據有兩種：第一，邊坡模型節點最大水平位移達到某一臨界值；第二，迭代計算不收斂。

二、巖質邊坡穩定性計算實例

1.工程概況

以某公路路塹巖質邊坡為研究對象，利用有限元軟件Midas/GTS來研究邊坡安全系數。該巖質邊坡最大高度34.6m，分四級進行開挖，控制坡高為10m，第一級和第二級邊坡坡比為1：1.1，第三級和第四級邊坡坡比為1：1.25，各平臺寬均2m。根據區域地質資料，場區處于相對較穩定的地質環境，未發現活動性深大斷裂，地震基本烈度為Ⅵ度區。同時，場區內地層分布較連續，無地震作用下的可液化地層，場地類別為Ⅱ類。根據設計資料及相關巖土試驗可知，該巖質邊坡巖土體分為兩層，分別為強風化、中風化板巖。降雨強度為20mm/h，降雨歷時為30h。

表1 邊坡穩定性影響因素劃分

2.有限元模型建立

Midas/GTS操作界面簡單，內置多種本構模型，能計算邊坡穩定性、流固耦合、動力響應等，并輸出滑動面的位移、應力、應變等。Midas/GTS計算巖質邊坡安全系數步驟如下：CAD建立模型→Midas導入DWG文件→交叉分割模型→定義材料及屬性→2D網格劃分→添加約束條件→初始地應力平衡→計算邊坡安全系數→結果后處理。

在利用Midas/GTS計算公路邊坡安全系數時采用的本構關系是M-C屈服模型，并作以下假設：第一，邊坡底部對X、Y、Z方向完全約束，坡面和坡頂是自由邊界；第二，地下水位較低，忽略其影響。

在綜合考慮邊坡安全系數計算精度和計算機運算速度的基礎上，利用Midas/GTS中二維實體單位（六節點四面體）對邊坡坡體進行網格劃分，其中邊坡坡面2m范圍內網格進行加密處理，網格控制尺寸取1m，其它部位網格尺寸取2m，共劃分出3675個單元，4218個節點，具體見圖1：

圖1 巖質邊坡模型網格劃分

3.邊坡安全系數計算結果

巖質邊坡在未采取防護措施的工況下，Midas/GTS軟件計算出安全系數是1.12，最大水平位移發生在坡腳附近，達到了22.8mm。同時邊坡坡體出現貫通地連續滑動面，存在坡體沿軟弱結構面向下滑移的可能性。

隨著降雨歷時的增加，邊坡安全系數不斷減小，邊坡穩定性不斷降低。在降雨初期，邊坡的安全系數為1.12。當降雨歷時達到20h，其安全系數驟降，降低幅度達到了19.6%，此時巖質邊坡已經處于不穩定狀態。當降雨歷時超過20h，邊坡安全系數的降低速率減緩，直到失穩破壞。

三、巖質邊坡生態防護措施

（1）植物護坡

植物防護形式主要有鋪草皮、植生帶、三維植被網等。其中鋪草皮護坡的施工時間短、施工技術簡單、能夠適應惡劣的外界環境，是一種應用廣泛的公路路基邊坡防護技術。鋪草皮時需要注意草種不能過于單一，否則可能引起蟲害；植生袋護坡技術是將草種、保水劑等按照設計比例加固而成，具有良好的保水能力，可以大幅改善草種出苗率，能夠減緩邊坡風化速度、降低雨水侵蝕，可以適用于各種環境；三維植被網的基礎層是熱塑性樹脂經雙向拉伸后形成的網格，可以將土壤和草種固定在坡面。

（2）土工合成材料植草護坡

土工合成材料有結構性能好、不易降解等優勢。將土工合成材料與植物草種混合用于巖質邊坡防護在質量和造價方面都具有一定程度的優勢。常用的土工織物生態防護形式包括草籽無紡布、土工格室、土工布等。

土工織物植草應用于路基邊坡防護時，應綜合考慮邊坡巖體性質、邊坡幾何參數等因素來確定。同時，可以根據坡面實際情況在周圍開挖水平種植溝，種植溝間距在20cm左右，以減少水土流失，給草種提供良好的生長環境。

（3）植生混凝土護坡

植生混凝土防護路基邊坡是一種新型的多功能綠色環保防護技術，根據功能不同，植生混凝土可分為植物型多孔纖維混凝土、可凈化水質的植生混凝土、抗沖刷型植生混凝土。

四、結語

在探討巖質邊坡穩定性影響因素的基礎上，利用Midas/GTS軟件計算了巖質邊坡穩安全系數及生態防護措施，主要得到了以下幾個結論：

（1）巖質邊坡失穩原因包括地層巖性、地質構造、巖石成分及風化程度、降雨、邊坡開挖等因素。

（2）普通碎裂巖體邊坡穩定性分析宜采用簡化畢肖普法，破壞機制復雜的邊坡宜結合有限元分析法。

（3）巖質邊坡安全系數會隨著降雨歷時的增加而減小，直到失穩破壞。

（4）巖質邊坡生態防護措施有植物防護、土工材料防護、植生混凝土防護等，其中植生混凝土對邊坡穩定性影響最大。