1.2　国内外研究现状

不同地质条件与外部环境、不同岩性下的岩石高边坡所面临的工程问题差异巨大,在工程中需要充分考虑其变形特性与稳定特性,制定合理的工程措施,以保证工程安全。表1.2.1列出了我国大型水电工程勘测设计与施工中所遇到的典型高边坡实例。

1.2.1　岩石高边坡稳定性分析

我国的岩石高边坡理论与实践是随着我国基础建设的发展而逐步发展起来的,尤其在水电开发领域,由于其坡高、规模越来越大、地质环境问题越来越突出,使得高边坡问题受到广泛关注。

岩石高边坡的问题除了具有一般边坡的共性之外,最突出的特点是其复杂性难以用静力学观点来认识,这些边坡所表现出的变形破坏机理与现象,滑面的发展孕育、贯通与滑动过程难以采用常规的力学方法来解释[2-10]。从某种程度上而言,这些变形破坏现象实际上就是边坡变形破坏机理和演化过程的具体表现,如何阐明这一过程,进而认识复杂高边坡稳定性现状并预测其未来发展趋势,是对高边坡稳定分析的重要基础和前提工作。

20世纪中期,岩石力学特别是岩体力学的发展成为解决这一问题的理论依据。岩石力学帮助工程师们了解了高边坡岩体的可变形性、变形具有显著的时效性、局部变形结果对整体边坡变形乃至最终破坏可能起到的控制作用等,从而使得对高边坡地质灾害的形成和演变进入了地质力学分析时代。此后大量的科学研究开始针对具体的岩石边坡工程,对边坡的变形破坏机理进行了深入分析和滑动模式总结,并引入了地应力和变形破坏基本地质力学模式的概念。但这时的研究,还主要集中于“概念模型”,属于定性分析范畴。

20世纪80年代后,岩石高边坡分析开始进入了由定性向定量分析发展的快速发展时期。一方面,由于计算技术的发展使得现代数值模拟理论飞速发展并用于地质灾害分析,先后出现了弹性模拟、弹塑性、黏弹塑性模拟,接着出现了大变形、离散单元法、颗粒离散元法,乃至全过程模拟方法[11-15]。在这些数值模拟方法的帮助下,边坡从内部作用到灾害的发展孕育及滑动面形成过程进一步得到了阐述,从而复杂岩石高边坡的稳定性评价及稳定性预测具有了重要的理论工具。同时,数值模拟技术的发展也促使“地质过程分析”的研究体系开始向“地质过程机制定量评价”方向转化。另一方面,由于静力学、动力学、水力学等各学科开始相互渗透,一些信息论方法、系统理论方法、模糊数学方法、灰色分析理论、数量化理论、统计分析理论被引入到岩石高边坡的稳定性研究[16-20],大大丰富了当时的边坡分析手段和应用研究的水平。

在这一阶段,与一般的边坡相比,关于岩石高边坡稳定性研究,认识上取得了重大进步[21-22],研究思路的发展历程如表1.2.2所示。

首先,岩石高边坡的稳定性不再被认为是静止不变的,而是处于不断动态演化的过程,在大地物理环境的影响下这个过程就是具有实效性,边坡潜在滑动面不断地孕育、发展、演化,最终形成破坏,研究这一过程和内部作用的机理是岩石高边坡稳定性和适应性评价的基础工作。

其次,岩石高边坡稳定性受各类复杂的岩体结构面控制,因此边坡的变形破坏、力学性质是各向异性的。在岩石高边坡研究中需要特别重视岩体结构的影响,以及岩体结构与潜在的滑面的空间交切关系。

再次,岩石高边坡稳定性评价不仅是岩土介质的强度问题,也是变形稳定性问题,在边坡的不同演化阶段,边坡所处的稳定性状态也有所不同。因此在岩石高边坡稳定分析中需要综合考虑强度与变形稳定性并举的思想。

另外,岩石高边坡稳定性的控制关键在于控制变形的发展,在边坡演化的特定阶段只要控制了边坡变形趋势,破坏其进一步发展的条件,潜在滑面就不会继续孕育和发展了。

数值模拟技术在高边坡稳定性评价中得到了广泛的应用。首先是刚性离散单元法,接着是FLAC方法的提出,可以同时考虑材料的力学非线性和几何非线性,混合离散实现塑性流动的模拟。

1.2.2　岩石高边坡数值模拟方法

在岩石高边坡数值分析法中,表1.2.3中最为典型的是有限元法。有限元法以弹塑性力学为理论基础,它通过求解弹塑性力学方程,计算岩体处于一定的外部环境条件时的应力和变形场,然后再利用岩土体的破坏准则和流动准则,判断各个相应部位应力所处的状态,界定可能发生破坏的部位和区域,从而对边坡的稳定性状况做出半定量的评价。

有限元法用于边坡稳定分析有其独特特点[23-58]:该方法在滑动面上的计算应力比较真实,可考虑应力应变的非线性和弹塑性;如果将稳定和位移的发展联系起来可以发展出极限平衡有限元法。有限元法的最大优点是可以部分地考虑了岩体的非均质和不连续性,避免了极限平衡分析法中将滑体视为刚体而过于简化的缺点,能近似的从应力应变去分析边坡的变形破坏机制,分析最先、最容易发生屈服破坏的部位。基于有限元方法进行的边坡稳定分析方法有多种,如应力水平法、滑面应力法、搜索滑面法和强度折减法等。

离散单元法[59-65]假定岩体是由大量裂隙分割开的岩块沿各裂隙面“堆砌”而成,然后运用牛顿第二定律计算组成边坡的各“岩块”在自重和外荷载作用下随时间而变化的加速度、速度和位移。其假设条件是岩体可以沿节理裂隙等结构面产生滑动、转动等大变形。因此该方法主要用于模拟边坡发展演化晚期过程的变化破坏过程。

1.2.3　岩石高边坡安全监测

目前,监测工作是水电工程领域进行边坡工程施工的撒手锏,根据监测工作可以正确评估边坡的安全状态,指导工程施工,及时地进行工程反馈和修改设计、改善边坡设计方法,因此任何水电边坡,即使设计非常保守,必要的监测也是必需的[66-70]。

目前针对岩石高边坡,常用的监测方法主要分为外观法和内观法两类[71-75]。外观法以监测坡体的表面位移,其中精密大地测量技术手段最为成熟、精度最高,在当前的水电边坡工程中得到了广泛使用。内观法是将仪器埋入边坡内部,进而监测坡体在工程实施过程中的各种物理量变化,反映坡体内部的变形分布和应力变化情况,特别是加固措施(如锚索的轴力)的有效性,内观法观测精度一般较高、规律性非常好,而且易于实现动态化数据采集与处理,因此是当前边坡监测的主要技术手段。

近年来,基于监测资料分析得到岩土力学参数,进行反馈设计的手段应用越来越广泛。利用监测资料分析进行滑坡变形趋势预报,进行反演反馈已经成为工程中不可或缺的手段[76-83]。