巖土工程邊坡勘察難點及技術優化

摘 要：本研究旨在提高邊坡勘察的準確性、全面性和可靠性，保障工程的安全，確保可持續發展。研究采用文獻調研和實地勘察相結合的方法，首先，梳理了巖土工程邊坡勘察的現有技術與方法。其次，根據實際工程案例，發現在復雜地質條件下勘察邊坡存在困難，例如地層不穩定和水文地質條件復雜等。最后，針對上述問題，提出采用多元化技術路徑、強化環境因素勘察和三維地質建模等優化方案。研究結果表明，優化方案能有效克服巖土工程邊坡勘察中的技術難題。通過利用現代化設備和多學科交叉方法，提高勘察數據的準確性和全面性，更可靠地評估邊坡的穩定性。

關鍵詞：巖土工程；邊坡勘察；技術難題；優化方案

中圖分類號：U 213.1+3" " 文獻標志碼：A

在目前的建筑、公路和水利工程中，邊坡勘察是一項很重要的工作，高水平的邊坡勘察，能有效降低施工過程中的安全風險并提高工程質量。在研究中，相關工作人員以龍巖市新羅區紅坊鎮紫金山公園10號地塊四標段的研學路為研究對象，深入分析此項目地段巖土邊坡勘察工作存在的難題，并嘗試利用多元化技術路徑，提高邊坡勘察的質量。在此基礎上，利用BIM技術對三維地質進行建模，以期全面提高巖土工程邊坡勘察效率，保證項目的順利實施。

1 工程背景

研究對象為龍巖市新羅區紅坊鎮紫金山公園10號地塊四標段的研學路，設計路面寬度為24m，屬于次干路，采用挖方邊坡施工方案。邊坡長度約為300m，坡頂和臨近地段不存在地面建筑物，坡頂順接自然山坡，邊坡高度為15～100m，工程勘察等級為一級。

2 巖土邊坡勘察技術難題分析

2.1 高邊坡問題

高邊坡和超高邊坡出現滑移、崩塌的概率相對較高，并且通常滑塌產生的土方量和落石量較大，對建筑物、人員和車輛安全造成威脅。高邊坡和超高邊坡劃定標準，旨在界定土質邊坡和巖質邊坡的高度范圍，以便在土木工程和地質工程等領域中對這些邊坡進行管理和評估。此外，通過定義高邊坡和超高邊坡的高度范圍，能為相關施工人員提供管理和評估這些邊坡的參考標準，有助于在土木工程和地質工程中對邊坡進行處理和設計，見表1。

結合項目邊坡實際情況，最低高度為15m，最高接近100m。項目同時有高邊坡和超高邊坡。從邊坡勘察的角度看，高邊坡擴大了勘察范圍，增加了鉆探工作量，給邊坡穩定性分析帶來較大挑戰，勘察單位承擔的風險也更高。

2.2 長、高邊坡穩定性評價

巖土工程邊坡勘察的核心目的是評價邊坡的穩定性，設計科學的邊坡支護方案。根據《建筑邊坡工程技術規范》 （GB 50330—2013），項目邊坡中存在挖方邊坡和自然邊坡，須對其穩定性進行驗算。然而，邊坡穩定性評價有多種理論計算模型，例如根據邊坡的滑面形態，計算圓弧形滑動面、平面形滑動面和折線形滑動面的穩定性系數的方法均不相同。項目中邊坡總長度約為300m，各段的高度、邊坡形態和地質條件不完全一致。對評價邊坡穩定性造成一定的難度。

2.3 邊坡抗震效應勘察與評價問題

當地震災害發生時會產生強烈的地質作用，導致邊坡產生加速度，進而引發破壞，其對邊坡的破化力成為不可忽視的因素。因此在地質勘察中，須確認此邊坡工程的抗震設防烈度，評價地震作用的危害程度，為后期制定邊坡加固方案提供有力的技術支撐。從破壞機理看，通常地震會導致邊坡裂隙發展，孔隙水壓力增加，同時有可能強化坡體的下滑力[1]。邊坡抗震效應勘察與評價的難點是合理確定場地類別，評估邊坡地質對抗震性的影響。

2.4 環境因素影響問題

巖土體結構、降雨、地下水和風化作用等環境因素能影響邊坡的穩定性。以降雨為例，當雨水滲透巖土層時可提高孔隙水壓力，提高巖土體崩解泥化的概率。強降雨產生的沖刷、沖蝕作用可能導致邊坡滑移或者崩塌。環境因素具有耦合疊加效應，其對邊坡的作用機理較復雜，不利于綜合性的量化評價，因此在工程實踐中大多單獨評價特定的環境因素。

3 巖土工程邊坡勘察技術優化方案

3.1 邊坡測量

3.1.1 邊坡形態測量

在測量邊坡形態的過程中，為保證測量結果的準確性和可重復性，需要在測量區域內建立水平控制網與垂直控制網。根據測量精度要求和實際情況，選擇合適的控制點，并對其進行標志和固定。在此過程中引入平面坐標轉換公式（1）。

X=X0+L·cosα

Y=Y0+L·sinα （1）

式中：X與Y為邊坡上某點的平面坐標；X0和Y0為參考點的平面坐標；L為邊坡上的距離；常量α為邊坡上某點與參考點的方位角。

在事先設置好的控制點上，使用全站儀或激光掃描儀對邊坡進行測量。全站儀可以同時測量角度和距離，通過多次測量可以獲取邊坡各點的三維坐標數據。需要注意的是，在實際勘測中三維坐標數據不可避免地會出現誤差，因此要引入誤差補償公式對三維坐標數據進行修正，如公式（2）所示。

Xc=X+?X

Yc=Y+?Y

Zc=Z+?Z （2）

式中：Xc、Yc和Zc為經過誤差補償后的邊坡上某點的坐標；?X、?Y和?Z為誤差修正量。在此基礎上，研究人員引入坐標轉換公式，將三維坐標轉變為系統可讀取的數據，如公式（3）所示。

φ=atan2（Z，sqrt（x2+y2））

λ=atan2（Y，X） （3）

式中：φ、λ分別為邊坡上某點的緯度和經度。根據工程需求，相關工作人員需要定期對邊坡進行形態監測，可以通過使用全站儀等儀器對關鍵點進行定位測量。通過與前期測量數據進行對比，可以判斷邊坡是否存在變形和位移。通常根據邊坡的穩定性要求和工程進展情況確定形態監測的頻率，旨在及時掌握邊坡的變化情況，采取相應的措施保障工程安全。

3.1.2 邊坡變形與位移監測

首先，根據邊坡的具體情況和監測要求，在邊坡上選擇一定數量的變形監測點，并進行標志和固定。通常對邊坡上容易受變形影響的關鍵部位進行監測，例如頂部、坡腳和裂縫位置等。安裝變形監測點的目的是為測量和監測邊坡的變形和位移情況[2]。其次，根據測量方案，選擇合適的測量儀器對變形監測點進行測量。常用的測量儀器包括全站儀、水平儀和傾角儀等。可以根據具體情況選擇測量方法，常見的方法有重復測量法、三角測量法和遠程測量法等，見表2。

其中，監測點包括頂部、坡腳以及其他關鍵位置（如A、B、C等），坐標位置為各監測點在平面坐標系中的坐標，裂縫位置為相應監測點上的裂縫位置，坐標變化為相應監測點在兩次監測間的坐標變化（Δx為水平方向的變化，Δy為垂直方向的變化），位移為相應監測點的位移。

對變形監測點進行測量，獲取變形數據，包括坐標變化和位移等。將測量得到的變形數據導入計算機，對數據進行處理和分析。最后，根據測量數據和分析結果，編制邊坡變形監測報告。在報告中會對邊坡的變形情況進行描述，包括變形點位和變形程度等參數，并基于上述數據對變形趨勢進行預測，提出相應的監測建議，并采取安全措施。

3.2 精確評價與量化評價

3.2.1 邊坡穩定性量化評價

邊坡穩定性是制定支護方案的核心參考指標，須對其進行量化評價。本項目采用公路工程中廣泛運用的簡化Bishop計算方法，綜合對比各種滑動面模型，選擇符合項目邊坡特點的整體圓孤滑動破壞模式，計算過程如公式（4）、公式（5）所示。

（4）

（5）

式中：Wi為條塊質量（kN），水上采用天然容重，水下采用飽和容重；αi為條塊底面與水平向夾角（°）；ci、φi分別為條塊滑面的黏聚力（kPa）與內摩擦角（°）；li為條塊滑面斜長（m），邊坡穩定性量化計算結果見表3。

3.2.2 地震效應精確評價

3.2.2.1 確認抗震設防烈度

邊坡工程、公路主體結構等都在地震的影響范圍內，用抗震設防烈度指導工程構筑物的抗震設計。《中國地震動參數區劃圖》 （GB 18306—2015）中明確規定了國內各省份和各地區的抗震設防烈度參數。福建省對應表C.13，其中規定龍巖市抗震設防烈度為6度，對應的地震加速度值為0.05g[3]。根據構筑物的類別、用途和影響人群等，將抗震設計標準劃分為甲、乙、丙和丁4類。本邊坡工程的施工場地屬于丙類，相關根據為《抗震設防烈度分類標準》（GB 50223—2015）。

3.2.2.2 地震效應評價

地震通過場地將動能傳遞至邊坡，進而導致破壞，因此場地的剛性程度和覆土厚度是影響震害嚴重性的重要因素，而巖土層剪切波速是表征場地剛性的量化指標。地質勘察人員根據勘察數據、地區經驗以及承載力特征值，量化各巖土層的剪切波速，見表4。邊坡挖方施工削弱了場地的覆蓋層厚度，經檢測，覆蓋層厚度在0～11.10m。綜合剪切波速和覆蓋層厚度兩項因素，根據《公路橋梁抗震設計規范》（JTG 2231-01—2020）確定此區域場地類別為Ⅰ～Ⅱ類，根據最不利原則，最終將場地類別確認為Ⅱ類[4]。不同場地的類別可影響產地系數Cs和特征周期Tg，為精確評價地震效應創造條件，須通過量化指標確定場地類別。此項目特征周期取值為0.40s。

3.3 環境因素勘察

3.3.1 邊坡巖土體結構勘察

3.3.1.1 巖土結構調查結果

勘察人員通過查閱現有地質資料，配合鉆探取樣的分析結果，掌握了邊坡工程坡體的巖土結構特征。項目邊坡上覆素填土、坡積含角礫粉質黏土和粉砂質泥巖殘積黏性土，下覆砂土狀強風化粉砂質泥巖夾砂巖、砂土狀強風化輝綠巖和碎塊狀強風化粉砂質泥巖夾砂巖等。

3.3.1.2 巖土結構對邊坡穩定性的危害分析

巖土結構特征分析。此項目邊坡巖土結構特征如下：1）巖土種類較豐富，性質變化較大。2）巖體斷層、破碎情況突出，容易蓄積水分。3）巖芯大多呈現破碎狀態，甚至部分巖芯已轉化為砂土狀。4）部分地段出現可熔巖和軟弱夾層。

危害分析。邊坡破壞的主要形式為局部或整體滑移、巖體崩塌，當巖土體密實性好、巖體破碎程度低和斷層裂隙發育少時，其剛度和承載力較強，也不易吸收水分。但此項目的巖土體具有裂隙、破碎、斷層、可熔巖、軟弱夾層和砂化巖芯等一系列不利因素[5]。導致其在局部地段存在順層滑移的風險。另外，這類巖體結構容易吸收降雨和地表水，進一步增加孔隙水壓力，巖體破碎崩塌的風險也相對更高。由此可知，此項目邊坡的巖土結構對邊坡穩定性威脅較大。

3.3.2 水文地質影響分析

3.3.2.1 降雨、地表水以及地下水勘察結果

降雨情況。龍巖市的氣候類型屬于亞熱帶海洋性季風氣候，根據已有資料，新羅區平均年降水量在1031mm～1369mm。具有明顯的季節性特點，雨季為每年的4月～8月。由此可見，此地區雨量充沛，對維持高邊坡的穩定性有不利影響。

地表水勘察。從現場地勢看，邊坡地勢較高，不易形成積水。施工區域上游未見來水，但邊坡坡面形成了較好的排水路徑，降雨容易通過坡面向底部匯集。邊坡的匯水面積約為4.5萬㎡，潛在危害較大。

地下水勘察。邊坡場地的地下水主要來自基巖風化裂隙中存在的水分，經過勘探，測得地下水的埋深為16.80m～50.70m，年度變化幅度為3m～5m。施工區域地下水水源補給方式基本明確，但邊界條件較復雜，綜合判斷場地水文地質條件復雜程度為中等類別。

3.3.2.2 危害分析

3.3.2.2.1 地下水危害分析

地下水對邊坡工程的危害可按照《工程建設水文地質勘察標準》（CECS 241：2008）中第七部分進行評價，其中提出了地下水流動滲透力、管涌臨界水力梯度、基坑下承壓水突涌穩定系數和無承壓水基坑底穩定系數的計算方法[6]。例如，計算地下水流動時的滲透力J如公式（6）、公式（7）所示，不發生管涌的判斷條件如公式（8）所示。

J=γwI （6）

I=?h/L （7）

Icr/J≥K （8）

式中：γw為地下水的重度（kN/m3）；L為水流的路徑長度（m）；I為水力梯度；?h為水頭差（m）；Icr為臨界水力梯度；K為抗管涌安全系數（K=1.5～2.0）。

3.3.2.2.2 降雨和地表水危害分析

降雨和地表水對邊坡的影響機理比較相似，都是水體滲透至巖土裂隙中，改變巖體內部壓力，沖蝕可熔巖、砂土以及泥土等，進而增加坡體滑移和崩塌的風險。從作用機理看，提高邊坡含水率改變了巖土的黏聚力和內摩擦角。目前，處理降雨和地表水的主要措施為設置排水溝，避免地表徑流沖刷邊坡坡面。

4 結語

長邊坡和高邊坡具有覆蓋范圍大、地質結構復雜和潛在影響因素多等特點，當勘察這類邊坡時，應格外重視邊坡穩定性量化評價，同時考慮常規環境因素和地震對邊坡穩定性的不良影響。在勘察技術層面應該采用多元化方法，從不同角度獲取勘察數據，如地質鉆探、收集已有地質資料和掌握地方氣象數據等。應該對邊坡穩定性這一關鍵因素進行量化評價，借助數據指導支護工作。在環境有干擾因素的勘察中須強化巖土結構、水文地質條件和人為活動的影響分析。

參考文獻

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