岩质边坡的稳定性分析及生态防护设计

李正忠 杨俊

为了提高边坡灾害治理水平，首先从内因和外因两方面探讨了边坡稳定性的影响因素，随后以某边坡为研究对象，利用有限元软件Midas/GTS计算出岩质边坡在降雨前后的安全系数，最后探讨了植物防护、土工材料防护、植生混凝土防护等生态防护措施在岩质边坡中的应用。

目前，边坡灾害是限制国家基础设施发展的重要因素之一。尤其是山岭地区，地形地貌起伏大，水文地质条件复杂，边坡受力变形机制也复杂，在强降雨、边坡开挖等影响下，容易出现滑坡、崩塌等灾害。如果对边坡稳定性分析不当或防护措施设计不合理，有可能引起重大事故，造成一定人员伤亡、财产损失及不良的社会影响，故应当对岩质边坡稳定性分析格外重视。同时，工程建设过程中来自节能、环保方面的压力也越来越大，选择经济、合理且和自然景观协调的边坡生态防护技术也成了工程人员待解决的关键问题之一。因此，研究岩质边坡的稳定性分析及生态防护措施具有十分重要的工程意义。

一、岩质边坡稳定性影响因素及分析方法

1.岩质边坡稳定性影响因素

影响岩质边坡稳定性的因素分为内因和外因两大类，前者包括地层特性、地质构造、岩石成分及风化程度等；后者包括降雨、施工开挖等因素，具体阐述见表1：

2.岩质边坡稳定性分析方法

针对岩质边坡稳定性计算，《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）中主要介绍了两种方法：第一，普通的碎裂结构岩体边坡宜选择简化毕肖普法；第二，规模较大或边坡破坏机制复杂的边坡宜采用简化毕肖普和数值计算法综合评估边坡稳定性。

（1）简化毕肖普法

简化Bishop法模型简单，计算精度高，是均质土边坡稳定性计算中最常用的一种刚体极限平衡法。该方法是将滑坡体划分成n个宽度相同的垂直条块，假设各条块间只存在水平条间力、竖向条间力等于0，且滑体力矩平衡。同时，把滑动圆弧圆心当做力矩中心点，计算抗滑力矩与下滑力矩比值即为安全系数，具体公式如下：

式中：Wi—第i条条块的重力，kPa；bi—第i条条块的宽度，m；ci—滑面粘聚力，kPa；ϕi—滑面内摩擦角，°；αi—圆弧底面倾角，°；ui—孔隙水压力，kPa。

（2）有限元分析法

近年来，随着计算机技术的飞速发展，数值计算法在岩土计算领域地应用日益普遍，一般包括有限元法、有限差分法、离散元法等，其中有限元法的应用最广泛。有限元法用于分析岩质边坡稳定性时，能将其安全系数与滑动面位移、应力、塑性区等联系起来，能更好地分析边坡失稳变形机理。有限元法计算边坡稳定性的关键是判断边坡临界破坏状态，判据有两种：第一，边坡模型节点最大水平位移达到某一临界值；第二，迭代计算不收敛。

二、岩质边坡稳定性计算实例

1.工程概况

以某公路路堑岩质边坡为研究对象，利用有限元软件Midas/GTS来研究边坡安全系数。该岩质边坡最大高度34.6m，分四级进行开挖，控制坡高为10m，第一级和第二级边坡坡比为1：1.1，第三级和第四级边坡坡比为1：1.25，各平台宽均2m。根据区域地质资料，场区处于相对较稳定的地质环境，未发现活动性深大断裂，地震基本烈度为Ⅵ度区。同时，场区内地层分布较连续，无地震作用下的可液化地层，场地类别为Ⅱ类。根据设计资料及相关岩土试验可知，该岩质边坡岩土体分为两层，分别为强风化、中风化板岩。降雨强度为20mm/h，降雨历时为30h。

表1 边坡稳定性影响因素划分

2.有限元模型建立

Midas/GTS操作界面简单，内置多种本构模型，能计算边坡稳定性、流固耦合、动力响应等，并输出滑动面的位移、应力、应变等。Midas/GTS计算岩质边坡安全系数步骤如下：CAD建立模型→Midas导入DWG文件→交叉分割模型→定义材料及属性→2D网格划分→添加约束条件→初始地应力平衡→计算边坡安全系数→结果后处理。

在利用Midas/GTS计算公路边坡安全系数时采用的本构关系是M-C屈服模型，并作以下假设：第一，边坡底部对X、Y、Z方向完全约束，坡面和坡顶是自由边界；第二，地下水位较低，忽略其影响。

在综合考虑边坡安全系数计算精度和计算机运算速度的基础上，利用Midas/GTS中二维实体单位（六节点四面体）对边坡坡体进行网格划分，其中边坡坡面2m范围内网格进行加密处理，网格控制尺寸取1m，其它部位网格尺寸取2m，共划分出3675个单元，4218个节点，具体见图1：

图1 岩质边坡模型网格划分

3.边坡安全系数计算结果

岩质边坡在未采取防护措施的工况下，Midas/GTS软件计算出安全系数是1.12，最大水平位移发生在坡脚附近，达到了22.8mm。同时边坡坡体出现贯通地连续滑动面，存在坡体沿软弱结构面向下滑移的可能性。

随着降雨历时的增加，边坡安全系数不断减小，边坡稳定性不断降低。在降雨初期，边坡的安全系数为1.12。当降雨历时达到20h，其安全系数骤降，降低幅度达到了19.6%，此时岩质边坡已经处于不稳定状态。当降雨历时超过20h，边坡安全系数的降低速率减缓，直到失稳破坏。

三、岩质边坡生态防护措施

（1）植物护坡

植物防护形式主要有铺草皮、植生带、三维植被网等。其中铺草皮护坡的施工时间短、施工技术简单、能够适应恶劣的外界环境，是一种应用广泛的公路路基边坡防护技术。铺草皮时需要注意草种不能过于单一，否则可能引起虫害；植生袋护坡技术是将草种、保水剂等按照设计比例加固而成，具有良好的保水能力，可以大幅改善草种出苗率，能够减缓边坡风化速度、降低雨水侵蚀，可以适用于各种环境；三维植被网的基础层是热塑性树脂经双向拉伸后形成的网格，可以将土壤和草种固定在坡面。

（2）土工合成材料植草护坡

土工合成材料有结构性能好、不易降解等优势。将土工合成材料与植物草种混合用于岩质边坡防护在质量和造价方面都具有一定程度的优势。常用的土工织物生态防护形式包括草籽无纺布、土工格室、土工布等。

土工织物植草应用于路基边坡防护时，应综合考虑边坡岩体性质、边坡几何参数等因素来确定。同时，可以根据坡面实际情况在周围开挖水平种植沟，种植沟间距在20cm左右，以减少水土流失，给草种提供良好的生长环境。

（3）植生混凝土护坡

植生混凝土防护路基边坡是一种新型的多功能绿色环保防护技术，根据功能不同，植生混凝土可分为植物型多孔纤维混凝土、可净化水质的植生混凝土、抗冲刷型植生混凝土。

四、结语

在探讨岩质边坡稳定性影响因素的基础上，利用Midas/GTS软件计算了岩质边坡稳安全系数及生态防护措施，主要得到了以下几个结论：

（1）岩质边坡失稳原因包括地层岩性、地质构造、岩石成分及风化程度、降雨、边坡开挖等因素。

（2）普通碎裂岩体边坡稳定性分析宜采用简化毕肖普法，破坏机制复杂的边坡宜结合有限元分析法。

（3）岩质边坡安全系数会随着降雨历时的增加而减小，直到失稳破坏。

（4）岩质边坡生态防护措施有植物防护、土工材料防护、植生混凝土防护等，其中植生混凝土对边坡稳定性影响最大。