岩石高边坡的稳定与治理,1 我国岩石高边坡工程存在的问题,岩石高边坡在我国的分布相当广泛，不论是自然滑坡、崩塌以及泥石流等地质灾害，还是人类工程活动引起的不稳定边坡灾害，都对经济建设和人民生命财产造成巨大损失。 据统计，我国主要分布在24个省、市、自治区，其中四川省的工程滑坡发生的频次最高，其次为湖北、广东、海南、广西、云南、青海、甘肃等省。 从总体上看，以西南和西北地区为主，它们的受灾频次完全受控于我国的地质和地理格局。,在水电站工程、铁道工程、公路工程等建设中，经常需要开挖高边坡。 高边坡的稳定性分析与高边坡治理常常是工程成败的关键技术，也是确保工程安全和降低建设费用的重要环节。,1.1铁道、公路建设中的边坡工程,在铁道、公路建设过程中，人工开挖边坡，或筑路爆破，松动了岩体使坡体失稳而形成滑坡及崩塌，有一些工程是设计与施工不当而形成的，经常出现几万立方米至几百万立方米的滑坍事故。,以宝成铁路陕西省宝鸡至四川省绵阳段为例。这段铁路通过的地段大部分为深山峡谷区，河道婉蜒，山坡陡立，自然斜坡一般接近其临界坡度，稳定性较差。 该地段岩性复杂，岩浆岩、碎屑岩、碳酸盐岩和变质岩均有分布，还分布有砾质土、粘土和黄土等。 构造上以秦岭东西向构造带及龙门山华夏构造带为主体，经历多次构造变动。 由于当时条件的限制，对复杂的工程地质条件缺乏足够的了解，加上为节省造价，限制修筑隧道，线路大多沿河绕行，不得不在较陡的地形条件下强行开挖路堑，因此高陡边坡多。,据不完全统计，这段铁路的边坡开挖多达293处，累计797km，其中接近或超过临界安全坡度的有123处，累计长423km，占边坡开挖长度的530。 仅因洞口、灾害严重而接长超过40m的隧道有26座，占隧道总量8.8，隧道接长307km，占隧道总长的31。,通过整治后，工程边坡的稳定程度虽有很大改善，但目前仍存在与开挖有关的不稳定边坡99处，长度达26.6km，其中因开挖边坡过陡而尚未稳定的边坡30处，长度9.9km。 一遇暴雨，常突然发生灾害，影响铁路运输，威胁人民生命财产的安全。,1.2水利水电工程建设引起的滑坡,水利水电工程建设引起的滑坡有两类： 一类是在水利工程建设中，因施工开挖等因素而造成的； 另一类是在水利工程建成后，由于水库蓄水，放水或渠道渗漏等原因造成的。 后者发生的次数比前者多，一般多发生在水渠或水电站建设比较多的地区，如甘肃、湖北、湖南、四川等省区。,国际上最为著名的滑坡事故为1963年意大利北部山区的瓦依昂水库滑坡，水库左岸的一个体积达3107m3的大滑坡在30s内填满水库，激起的涌浪越过262m高的坝顶冲向下游，毁坏了坝内地下厂房的大部分设施和下游的一个市镇，死亡2 000人，成为震惊世界的水库滑坡事故。,我国在水利建设过程中，因施工开挖等因素形成的滑坡，以云南漫湾滑坡损失最大。 漫湾水电站位于云南省云县和景东县境内，为澜沧江中游河段梯级开发的第一座水力发电工程。 其左岸在施工开挖过程中，1号、2号导流洞和泄洪洞的出口地段曾多次发生规模不等的岩体塌滑，尤以1989年1月7日发生在坝基下游侧边滑坡的规模最大，总方量106万立方米，严重地影响了整个工程的进程。滑坡处理耗资12亿元，延误工期一年以上，损失超过10亿元。 此外，李家峡的坝前滑坡也都是水利水电建设中比较重大的工程事故。,1.3矿产资源开发引起的滑坡(崩塌),矿产资源开发引起的滑坡(崩塌)主要由以下原因造成： 1由于在边坡、山体或陡崖下部开挖矿石，形成采空区，引起坡体变形，山体开裂而导致滑坡(崩塌)； 2采矿时爆破，松动了岩体而使斜坡失稳； 3露天采矿中，由于坡上加荷、坡下开挖，或者违反边坡稳定规律进行开挖，或边坡设计不合理等人为因素影响而形成滑坡(崩塌)。,这类滑坡(崩塌)主要分布在四川、贵州、广东、湖北、河南、安徽和云南等省，其他省区零星分布。 滑坡规模一般为几万立方米至几百万立方米。 湖北省的采矿滑坡(崩塌)多发生在鄂西山区。鄂西山区山高谷深，地形切割强烈，且为多雨区，自然滑坡很发育，地质环境比较脆弱，所以采矿或其他人为活动稍有不慎就发生滑坡和崩塌，这里的采矿管理应有别于其他地区。 露天矿发生的滑坡，大多在数年或数十年中反复多次发生，地下采矿引起的滑坡在80年代以来明显增多，70是1980年以来发生的。,2边坡工程的研究现状及我国的研究成就,边坡工程是岩土工程的一个重要领域，涉及到工程数学、力学、工程地质学等多个学科，其研究历史已达100多年。 边坡工程研究的范围涉及所有人类工程活动所形成的各种人工边坡，也包含了自然滑坡及崩塌体。,2.1边坡工程的研究现状,1958年，美国公路局滑坡委员会就组织编写了滑坡与工程实践(Landslides and Engineering Practice)，随后在1978年又出版了滑坡分析与防治一书。 1977年加拿大矿物与能源中心编写了边坡工程手册(Pit Slope Manual)共27册，从理论和实践两方面系统地对边坡工程进行了论述。近年来，一些特大工程的相继开发，出现了高边坡的整治和预测预防问题。,1986年，在举行国际地质大会期间，成立了国际工程地质协会(IAEG)，同时成立了“滑坡及其他块体运动委员会”，它是世界上第一个专门研究滑坡及其防治的国际组织。该委员会除每年向IAEG提出工作报告以外，还向联合国科教文组织(UNESCO)提交全球灾害性滑坡年度报告。 国际岩石力学与工程学会、国际工程地质协会均将边坡工程作为一个重要的课题进行学术交流和探讨。 1995年后，土木工程署出版了斜坡工程手册，总结了香港地区治理滑坡的工程经验，对斜坡工程提出了分析、计算和治理措施的建议。,国际工程地质协会在联合国科教文组织资助下，成立了全球滑坡登录工作组，对滑坡登记的内容、名词、标准等作了专门规定，计划建立一个完整的全球数据管理系统。 1991年9月2327日在北京召开了“应用空间技术抵抗自然灾害研讨会”，它是由中国国家科学技术委员会、中国国际减灾十年委员会与联合国外层空间事务司、亚太经济与社会委员会、联合国救济署(UNDRO)联合组织召开的。 1992年2月1014日在新西兰Christchurch召开了第6届“国际滑坡会议”。1992年12月711日在印度新德里召开了“国际滑坡会议”。 1996年6月17。21日在挪威Trondheim召开第7届“国际滑坡会议”,此外，国际岩石力学学会(ISRM)、国际工程地质协会(IAEG)、国际岩土力学与基础工程学会(ISSMFE)、国际大坝委员会(ICOLD)、国际地质科学联合会(1UGS)、国际地理学联合会(IGU)等组织都经常召开学术会议，滑坡研究大都是会议的重要讨论专题。,2.2我国边坡研究的成就,70年代铁道部成立了“滑坡分类与分布”专题研究组，对全国铁路沿线进行普查。 在第六个五年计划期间，地质矿产部将“中国西南、西北崩滑灾害与山区斜坡稳定性研究”列为专题进行重点攻关。 第七个五年计划期间，三峡工程地质地震专题组对三峡库区沿岸重点滑坡进行了登记和调查。 第八个五年计划期间，水利水电部的“岩质高边坡稳定及处理技术”被列为国家重点攻关项目，由陈祖煜组织研究。 80年代以来，水利水电部门对龙羊峡、大生桥、鲁布革、拉西瓦、李家峡、安康、漫湾、五强溪、龙滩等工程的边坡工程进行了系统的研究，取得了丰硕的成果。,我国露天矿边坡稳定性研究从50年代开始。 1965年孙玉科、王思敬、孙广忠在“岩质边坡稳定性的工程地质研究”中提出“岩体结构”理论的学术观点，并先后提出岩质边坡岩体结构分类，边坡稳定性岩体结构分析，实体比例投影及其在露大矿边坡稳定性分析中的应用等理论，并于1999年4月出版了专著中国露天矿边坡稳定性研究。 自80年代以后，我国矿山边坡研究工作得到很大发展，先后对大弧山、尖山、磐石、攀钢石英石矿、平朔露天煤矿、抚顺露天煤矿、金川矿等几十个矿山的边坡进行了系统研究，取得了一系列的科研成果。其中，王思敬等、孙广忠、何满潮以及中国科学院地质研究所、马鞍山治金设计研究院和中国矿业大学等在露天矿边坡研究中都作出了重要的贡献。,80年代初期，滑坡动力学作为独立的学科被提出来，1986年6月在湖北宣昌召开的“我国典型滑坡实例学术研讨会”建议在我国开展滑坡动力学或滑坡运动学的研究工作。 1995年2月，胡广韬出版了滑坡动力学专著，系统地阐述了有关滑坡动力学的二十余项关键性理论和问题。,三峡总公司哈秋聆、崔政权主持的长江三峡滑坡的加固研究取得了重要的成果。 提出采用“变形势”理论(Deformation-Power)对滑坡的失稳时间进行预测，取得了较好的效果，这在对1995年1月30日发生在甘肃省的黄茨滑坡的成功预测中得到了很好的应用。 探讨以天气地海的相互作用为出发点，将滑坡的发生作为地球总体运动的一个事件链，从能量的聚集、传递、释放等角度探讨滑坡发生的动力学机制，对滑坡进行预测的研究是一个新的研究思路。,边坡工程研究的理论基础需要多种学科的相互结合，相互渗透，不仅包括工程数学、工程力学、工程地质学、岩土力学，还应结合计算机仿真技术，岩土工程测试技术等手段。 经过100多年的研究和发展，从边坡的规律性分析，到边坡的变形破坏机制的研究，以及边坡稳定性评价和预测预报，均取得了令人瞩目的成果，已初步形成边坡工程独立的学科体系。这一体系包括下列四个部分： 1边坡(或滑坡)的区域分布规律性研究； 2边坡的变形破坏机制研究； 3边坡的稳定性评价和预测预报； 4边坡工程治理。,2.3我国在边坡稳定性分析与评价理论方面的成果,我国在边坡稳定性分析与评价、滑坡的预测预报以及边坡的工程治理技术等方面都取得了下列六个方面的丰硕成果。,2.3.1边坡工程中的岩体结构控制理论,岩质边坡结构十分复杂，其稳定性取决于边坡的各类结构面的特征。中国科学院地质研究所孙广忠提出了“岩体结构控制论”，并出版了岩体结构力学，将赤平投影法和实体比例投影法应用于边坡工程。 美国华裔学者石根华提出了“关键块体理论”，南京大学等提出了岩坡优势面控制论，认为岩坡的变形破坏受岩坡内的优势面所控制。 王思敬等把断裂力学引入岩体结构。,2.3.2边坡工程中的分形理论,分形理论是美国数学家(BBMandelbort)在1973年首次提出来的，主要研究自然界中一些具有相似但没有特征长度的图形或现象，其研究方法是通过确定图形或现象的分维数，以揭示该现象或图形的内在本质和规律。 我国谢和平做出了重要的突破，周维垣、张公瑞将分形技术引入岩体网络生成，孙钧等提出了分形块体力学。 研究表明，边坡岩体结构常呈不规则分形体态，可以用分维来表征，利用分维可以定量地描述断层、层理、节理、泥化夹层等宏观结构面的形态特征、分布、产状及粗糙度等。同样，岩体的微观结构面或破坏面也呈不规则的分形状态，这种不规则反应了岩体破坏时的能量耗散及微观结构效应，也可用分维来表示。 分维数是岩体变形破坏的某一统计特征量，分维数可以充当岩体变形破坏变量的角色进行岩体的强度和稳定性演化过程的分析。,2.3.3边坡工程中的3S理论,在信息社会中，全球是一个开放系统，3S系统已在地学领域取得初步尝试，1996年国际岩石力学学会年会上，利用3S技术在岩石工程建设中的作用已引起极大注意。 所谓3S系统是指地理信息系统(GIS-Geography Information System)、遥感系统(RS-Remote Sensing system)和全球卫星定位系统(GPS Global Positioning System)。三者融为一体为边坡工程的防治与预测预报提供了新一代观测手段、描述语言和思维工具。 从1997年开始，崔政权、何满潮着手建立“三峡库区边坡稳态3S实时工程分析系统”。,2.3.4边坡工程的人工神经网络方法,人工神经网络(简称NN-Neural Network)是指由大量简单神经元经广泛互连构成的一种计算结构，是一种广义的并行处理系