边坡变形失稳的分析评价研究

王禹 张永 张赛

边坡是指自然或者人工形成的斜坡，边坡岩土体失稳破坏造成的崩塌、滑坡和泥石流给人民生命和财产安全带来巨大危害，边坡工程是为满足工程需要而对边坡进行改造，内容涉及地质灾害、岩土工程和环境工程等，随着我国城市化进程的加快，边坡失稳带来的灾害成为制约工程建设的主要工程地质问题，同时边坡变形失稳问题也是国内外工程地质和岩石力学界的热点和难点问题。

本文主要是通过对边坡的资料收集、数据整理和研究分析，结合工程实例来达到对边坡定性和定量分析的目的。其中，到内蒙乌拉盖管理区乌拉盖水库两岸矿山实践调查，获得了一手资料，并且对这些资料进行了整理分析，应用数值计算、极射赤平投影方法、ROCKFALL和CAD制图工具，为实现对边坡失稳变形研究提供了一些基础材料。

1 定量分析

边坡面产状为122°∠58°，软弱结构面产状122°∠40°，边坡的稳定性受倾向与坡向一致的一组软弱结构面控制，其稳定性计算可沿滑动方向取一剖面，由滑动岩体自重所产生的下滑力T和抗滑力F分别为:

因为:

所以:

其中，α为滑动面倾角;φ为内摩擦角;c为粘聚力;L为滑动面长度;ρ为岩土体密度;W为滑动体自重;h为由坡顶至滑动面的高度，也称为变形体高度;K为安全稳定系数。

如图1所示，坡角为β，AC在水平面上的投影长度为M，在竖直方向上的投影长度为H，H=h+N，又:

得到:h=11.87m。

经实际调查及查阅相关技术参数，得到α=40°，φ=36°，c=0.02mPa，ρ=2.65 g/cm3，g=10，代入到上述公式得到:

一般规定，K=1.1～1.5，要求边坡工程中稳定系数K大于此范围才是稳定，因此实际情况中边坡存在不稳定性。

图1 边坡受力结构示意图

2 定性分析

本文分别通过极射赤平投影和ROCKFALL软件，结合相关实际数据，给出对边坡的一种定性解释，并且充分验证了数值计算的正确性与合理性。

2.1 赤平投影分析

极射赤平投影法主要是用来表示线和面的方向、相互间的角距关系及其运动轨迹，把物体三维空间的几何要素(线、面)反映在投影平面上进行研究处理。

极射赤平投影可以通过反映边坡与其中的软弱结构面的关系，进而达到验证边坡稳定性的目的，经前期调查，本文只涉及到了一组与边坡倾向相同的软弱结构面，经过获得前期成果作者的许可，引用《MATLAB在极射赤平投影中的应用与研究》，通过数学软件MATLAB编程验证:赤平投影图形见图2。

图2 赤平投影图形

图3 边坡稳定性结果图

软弱结构面产状为:122°∠40°;边坡面产状为:122°∠58°;边坡稳定性定性分析结果为:不稳定(见图3)。

2.2 ROCKFALL 软件分析

ROCKFALL软件是专门针对危岩体计算分析的一种软件，可以模拟危岩体失稳后落石的运动路径，分析运动状态的特征等。

经过数据资料分析，边坡自上而下依次为灰岩、角砾岩、细砾石和碎土，输入相应的切向恢复系数与法向恢复系数，绘制出边坡危岩体的总能量分布图与弹跳高度图，得到危岩体(在此特指边坡危岩体)在各个运动阶段的运动特征，进而指导制定工程防治措施，从另一方面充分验证了数值计算的正确性与合理性。

图4 弹跳高度图

图5 总能量分布图

弹跳高度图和总能量分布图分别见图4，图5，从图4，图5中可以得出在接近边坡底部弹跳高度急速降低，此时能量也是较平缓的趋势。结合实际的地形，采用被动防护措施，选择在半坡脚处设置被动拦石网，降低滚落危岩的运动能量，减少崩塌区危岩体对周围环境的影响。

3 结语

本文以乌拉盖水库两岸矿山为例，应用数值模拟、赤平投影方法与ROCKFALL软件，对边坡稳定性进行了定性与定量分析评价，并且绘制出弹跳高度图和总能量分布图，通过分析危岩体运动过程中的弹跳高度和能量分布特点，针对性的制定边坡防治方案，为边坡失稳变形后的工程防护体系的结构设计提供了新思路，同时也为生产矿山地质环境的边坡治理与恢复提供了依据。

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