（地质工程专业论文）都江堰～汶川高速公路两类典型边坡稳定性评价及防护对策研究.pdf

都江堰汶川高速公路两类典型 边坡稳定性评价及防护对策研究 作者简介：赵华，女，1 9 7 6 年5 月生，2 0 0 2 年从师于黄润秋教授，于2 0 0 6 年7 月毕业于成都理工大学地质工程专业。 中文摘要 国道3 1 7 线都江堰一汶川段高速公路穿越龙门山前构造复杂地区，地形高差 大、岩体结构条件复杂、环境保护要求高，高边坡稳定性及其生态环境恢复问题 极为突出。本文在对全线工程地质条件考察的基础上，选择了两类典型高边坡进 行深入研究：一类是边坡稳定条件较好，但面临高陡岩石边坡生态恢复问题的“都 江村”型高边坡；另一类是边坡岩体结构条件和失稳破坏机理极为复杂，边坡稳 定性条件差，需要进行工程处理方案论证的“沙窝子”型高边坡。这两类边坡在 沿线上均具有一定的代表性。本文通过详细的野外现场调查，在查明高边坡变形 破坏机理的基础上，采用多种手段和方法进行了边坡稳定性评价；在此基础上， 进行了边坡生态防护和工程治理措施的研究，为工程建设提出了合理可行的建议 措施。研究取得以下主要成果： ( 1 ) 查明了“都江村型”高边坡的稳定性状况，认为该类边坡稳定性条件 好，不存在整体失稳问题；考虑到开挖坡比较大，施工中应该根据结构面的揭露 情况和组合关系，及时进行块体支护。对这类存在坡面局部不稳定的高陡岩石边 坡，建议将表面护坡和生态恢复的工程结构结合考虑，采用格构护坡的总体方案； 论文对框架梁的设计高度做了进一步的优化。 ( 2 ) 提出了“都江村型”高陡岩质边坡生态恢复的具体方案，即在格构框 架内采用植生带进行基层材料的填固处理，进行厚层基材喷射护坡，提出了基层 材料基材混合物的配比和基层土的建议配比。考虑种源问题和今后的维护问题， 植被选择建议采用草灌结合，藤本为辅的配置方案；同时，为避免混凝土所带来 的白色污染，建议采用彩色混凝土等非生态辅助措施，改善混凝土的环保特性， 增强景观效果。 ( 3 ) 研究揭示了“沙窝子”高边坡的变形破坏机理。认为：沙窝子”l 号 滑坡的形成和目前边坡的变形是反倾向边坡“弯曲一倾倒”变形和伴随这一过程 发生的“滑移一拉裂”变形两者的复合，这类复合变形现象在本路沿线的反倾向 岩石边坡中具有典型性。采用二维有限单元法和二维离散单元法数值模拟，对这 类变形破坏机制进行了模拟验证。 ( 4 ) 刚体极限平衡分析和f l a c 一3 d 数值模拟结果表明，“沙窝子”高边坡( 滑 坡) 在天然状态下处于临界失稳状态，公路的开挖及暴雨和地震情形下，边坡具 有发生整体失稳的可能性，必须采取相应的治理措施。本文的研究提出了以坡脚 部位设置锚拉抗滑桩为主，辅以1 3 4 0 m 高程以上挂网喷锚支护或s n s 主动网防护 和边坡后缘设置截排水沟的综合治理方案。 关键词：岩质边坡稳定性分析生态护坡优化设计 作者签名 a s t a b i l i t ya n dp r o t e c t i o ns t u d yo ft w ot y p e s t y p i c a ls l o p e s a l o n gd u j i a n g y a n - - w e n c h u a ne x p r e s s w a y i n t r o d u c t i o no f t h ea u t h o r ：z h a oh u a ，w a sb o r no nm a y1 ，1 9 7 6 u n d e rt h eg u i d a n c e o fp r o f h u a n gr u n q i u ，s h ew a sg r a d u a t e df r o mc o l l e g eo fg e o l o g ya n de n g i n e e r i n g a tc h e n g d uu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y a b s t r a c t t h ed u j i a n g y a nw e n c h u a ns e c t i o no ft h en o 3l7s t a t ee x p r e s s w a yp a s s e s t h r o u g ht h et h ef r o n tp a r to fl o n g m e n gm o u n t a i n s am a i nt e c t o n i c sb e l to ft h ee a s t m a r g i no fq i n g t i b e tp l a t e a u ，w h i c hi sc o m p o s e do fas e r i e so fa c t i v ef a u l t ss t r e t c h i n g i nn ed i r e c t i o n b e c a u s eo ft h i s t h eg e o m o r p h o l o g ya n dg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa l o n g t h es e c t i o ni sv e r yc o m p l e x t h eg e o l o g i c a lh a z a r d s ，s u c ha sl a n d s l i d e s r o c k f a l l sa n d d e b r i sf l o w so c c u r s v e r yf r e q u e n t l y , w h i c hf o r m sag r e a tp o t e n t i a lr i s kt o t h e c o n s t r u c t i o no ft h ee x p r e s s w a y 0 nt h eo t h e rh a n d t h ec o n s t r u c t i o nw i l lr e s u l ti nt h e f o r m a t i o no fal o to fn e w h i g hc u ts l o p e s t h e i rs t a b i l i t yi sv e r ye s s e n t i a la n ds t r o n g l y a t t e n d e db yt h ed e s i g n e ra n do w n e r m o r e o v e r , s o m eo ft h i ss e c t i o ne x t e n d si nt h e w o r l d w i d ef a m o u ss i g h t s e e i n gs p o t t h eg r e a ta n c i e n td u j i a n g y a nw a t e ri r r i g a t i o n w o r k s ，w h i c hh a sao v e r2 0 0 0y e a r sl o n gh i s t o r y , t h er e c o v e r yo fe n t i r o n m e n ta l o n g t h i sr o u t ei sa n o t h e rk e yp r o b l e ma t t e n d e db yt h ed e s i g n e ra n do w n e r , i no r d e rt oh a v eab e t t e ru n d e r s t a n d i n gt ot h es l o p es t a b i l i t ya n dp r o v i d eas o l i d f o u n d a t i o nf o rt h es l o p ed e s i g n 、t h ea u t h o r , f o l l o w i n gt h er e s e a r c ht e a mo fc d u t h a d ac o m p r e h e n s i v ef i e l di n v e s t i g a t i o n a n dc o l l e c t e dag r e a td e a io fd a t aa b o u tt h e s e i s s u e s o nt h eb a s i so ft h i s ，t w ot y p e so f s l o p e sw e r ec h o s e na st y p i c a ie x a m p l e s ，t h a t i s ，t h ed u j i a n gv i l l a g es l o p ea n ds h a o w o z is l o p e t h ef o r r n e rs t a n d sf o rt h ek i n do f s l o p ew i t hb e t t e rs t a b i l i t yc o n d i t i o n s ，b u ts l o p es u r f a c ep r o t e c t i o na n dah i g hg r a d e e n t i r o n m e n tr e c o v e r ys h o u l db ec o n s i d e r e d ；t h el a t t e ro n ei sv e r yh a z a r d o u s i n c l u d i n g p a r t i a l l yi n s t a b i l i t ya n ds t r o n g l yr e l a x e d as e r i e so fr e s e a r c h e si n c l u d i n gs l o p e f a i l u r em o d e l ，l i m i te q u i l i b r i u m s t a b i l i t ya n a l ) r s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o na r e c o n d u c t e d w h i c hr e s u l t si nf o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ： ( 1 ) t h eg e o l o g i c a ls t r u c t u r e so fd u j i a n gv i l l a g et y p es l o p ei sf a v o u r a b l ef o rs l o p e s t a b i l i t y , t h a ti s ，h a r dc o n g l o m e r a t er o c k sa n dr o c kb l o c k ys t r u c t u r ew i t hn o o b v i o u sl a r g ea n dw e a kd i s c o n t i n u e s i tw h o l es t a b i l i t yi sv e r yw e l l ，n os y s t e m a t i c s u p p o r t i n gw o k ss h o u l db et a k e n ，t h e r ee x i s t so n l ys o m e1 0 c a ls m a l l s c a l ew e d g e i n s t a b i l i t y , w h i c hc a nb ec o n t r o l l e db yb o l t se a s i l y t h em a i ni s s u eo ft h i ss l o p ei s s l o p es w n c ep r o t e c t i o na n de n t i r o n m e n tr e c o v e r y ( 2 ) t h ee n t i r o n m e n tr e c o v e r yo nt h es t e e pr o c ks l o p es u c ha sd u j i a n gv i l l a g et y p ei s v e r yc h a l l e n g e d f i r s t l y , c o n s i d e r i n gt h er e a s o n a b l ec o m b i n a t i o no fs l o p es u r f a c e p r o t e c t i o na n de n t i r o n m e n tr e c o v e r yt h ep r e v i o u sd e s i g n e ds l o p e s u p p o r t i n g s c h e m ei sc h e c k e da n ds o m em o d i f i c a t i o ni s s u g g e s t e d t h ek e yp o i n to ft h e s o l u t i o ni st om a k eu s eo fl a t t i c e ds t r u c t u r e + s e c o n d l na c c o r d i n gt oas e r i e so f t e s t sa n dc o m p a r i s o ns t u d y , a u t h o ro b t a i n e dam i x t u r er a t i oo fd i f i e r e n tm a t e r i a l s f o rt h eb a s el a y e ra n db a s es o i l w h i c hi ss u i t a b l ef o rv e g e t a t i o ni n1 0 c a lc o n d i t i o n s f i n a l l y , a c c o r d i n gt oaf i e l di n v e s t i g a t i o naw e a t h e rs u i t a b l em a t c ho fp l a n t si s p r o p o s e dt oc o n s i d e rm es o l i y c eo fs e e d sa n dt h ef u t u r em a i n t a i n i n g t h ep l a n t s u s e ds h o u l db ec o m b i n e dh e r b a g ea n ds h r u b b e r y , o rs u p p o s e ds o m el i a n ap l a n t s t o g e t h e nm e a n w h i l et h ed e c o r a t i v ec o n c r e t ei nc o l o r sc o u l db er e g a r d e da sag o o d w a yt od e c o r a t et h ee n v i r o n m e n ta san o n e c o t y p ep r o t e c t i v em e t h o d f 3 1s h a o n u o z ih i g hs l o p eh a sv e r vc o m p l e xd e f o r r n a t i o na n df a i l u r em e c h a n i s m i ti s b e n d i n g t o p p l i n go n ec o m b i n e d 谢t l lc r e e p - s l i p p i n g - t e n s i o n ，w h i c hi sv e r i f i e db y d e mn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h i sc o m p o u n d e dm e c h a n i s mr e s u l t e di nl a r g e s c a l e u n l o a d i n gr e l a x i n go ft h es l o p ea n dr o c ks t r u c t u r el o o s e d e v e nc l a s t i c s t a b i l i t y a n a l y s i ss h o w st h a tt h es l o p ei sp o t e n t i a lu n s t a b l eu n d e rt h eh e a v yr a i n f a l la n d s t r o n ge a r t h q u a k e sd u r i n gt h ec o n s t r u c t i o n ( 4 ) as e to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nc o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo fs l o p ec u t t i n ga n d d i 髓r e n ts u p p o r t i n gw e r ec o n d u c t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ei n f l u e n c eo ft h e s l o p ec u t t i n go fo l dh i g h w a ya n dp r o j e c t e dn e we x p r e s s w a ya tt h ef o o to fs l o p ei s v e r ys i g n i f i c a n t t h e r e f o r e ，t h ea u t h o rs u g g e s t e dac o m p r e h e n s i v es l o p ep r o t e c t i o n s c h e m e ，w h i c hi n c l u d e st h ea n t i s l i p p i n gp i l e sa tt h ef o o to ft h es l o p e ，s n sm e s h p r o t e c t i o no nt h eu p p e rp a r ta n daw a t e rc u td i t c ha tt h et o po f t h es l o p e k e yw o r d s ：m e c h a n i s mo fr o c ks l o p ed e o f o a m t i o na n df a i l u r e ，s t a b i l i t ya n a l y s i s n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，e n t i r o n m e n tr e c o v e r y 第1 章前言 第1 章前言 1 1 选题依据及研究意义 随着我国经济的发展，尤其是西部大开发战略的实施，以高速和高等级公路 为代表的基础设施建设得到了迅猛的发展。国家在实施西部大开发战略中提出 “交通先行，适当超前”的方针，把交通基础设施建设特别是公路建设列为重中 之重，2 0 1 0 年前，预计需要新改建公路3 5 万公里，总投资超过70 0 0 亿元。同 时，由于西部地区地质地貌情况复杂，自然条件差，生态环境脆弱，给工程建设 带来了较大困难。随着高速公路由平原或盆地地区迅速向山区推进，山区开挖路 堑会产生大量岩质边坡，造成大量植物遭破坏，引起水土流失，恶化当地自然环 境，诱发地质灾害。因此，山区高速和高等级公路建设必然会伴随边坡稳定和边 坡防护的问题，从而出现了大量的边坡工程。如何充分对岩质边坡进行有效防护， 并恢复原有环境，已成为山区高等级公路修筑的难题。 目前，在高等级公路的边坡防护设计中由于投资规模小，边坡防护大量采用 浆砌片石护坡( 护面墙) 、拱型截水骨架等劳动密集型的边坡防护方式。这些防护 方式由于材料简单，在过去技术落后的年代确实行之有效，而且如今也在发挥着 它们的作用。但是，在很多高等级公路建设地区难以寻找优质的砌筑材料，而且 大量的劳动力也使得这些防护工程造价很高。在各行各业都在向着技术密集型转 化的今天，边坡的防护措旌也应该多采用新的技术。因此，岩质边坡的稳定性评 价及其分析方法，采用合理、经济的防护手段已成为岩质边坡分析与防护面临的 主要难题。 以往的边坡工程主要强调强度效应，通过边坡支档等措施保证边坡稳定，但 往往带来的负面效应是对边坡原有生态环境的严重破坏，大面积裸露的坡面，若 不即时治理，可能引发严重的水土流失等自然灾害。随着生产力水平的不断提高， 人们对环境质量的要求越来越高，公路建设对自然生态环境的破坏己成为人们越 来越关注的问题。公路建设的要求不再局限于其使用功能上，而是要求公路应与 周围的环境相协调，达到“安全畅通、舒适悦目、消除疲劳、保护环境”的目的。 因此，公路边坡的生态恢复与重建作为一个重要的环境问题和工程边坡防护手 段，已经成为了公路建设的一个重要研究课题。 山区公路( 挖方) 边坡通常为岩石边坡，由于这类边坡本身具备相对比较好 的稳定条件，通常都采用了大坡比的设计，致使边坡较为陡峻，加之岩石边坡含 水性和持水性较差，缺乏植被生长所必须的条件和生存环境，在这类边坡上进行 成都理工大学硕士学位论文 生态环境的恢复难度是很大的。传统的工程护坡对于深层不稳定的边坡是先支挡 再防护；对于坡面防护则采取如干砌块石护坡、浆砌块石护坡、三合土灰面护坡、 喷锚等技术措施，主要用于防护开挖边坡坡面的岩石风化剥落、碎裂及落石掉块 等。然而此类“灰色防护”破坏了自然生态和谐，不利于环境保护和生态平衡。 近年来在工程界出现的“生态护坡”却较好的解决了这个问题。所谓生态护坡( 或 称为边坡绿化) 是指开挖边坡形成以后，在其上通过植物的种植，利用植物与岩 土体的相互作用( 根系锚固作用) 对边坡表层进行防护、加固，使之既能满足设 计对边坡表层稳定的要求，又能恢复被破坏的自然生态环境的一种新型的护坡形 式。不仅能防护浅层边坡，而且能恢复由于人类工程建设所破坏的生态环境，美 化环境，保持水土与生态平衡。 国道3 1 7 ( 2 1 3 ) 线都江堰至汶川公路是四川通往西藏和大西北的重要交通 干线( 见图1 1 ) ，也是通往世界自然遗产九寨沟黄龙风景名胜区的旅游黄金干 道，对国家实施西部大开发的宏伟战略目标和促进阿坝藏羌自治州的稳定和发展 有着重要的社会经济效果。 国道3 1 7 ( 2 1 3 ) 都江堰汶川公路沿线将穿越龙门山山前褶皱断裂带，地形 图卜1 都汶公路交通位置示意图 地质条件非常复杂。工程地质勘察表明，沿线滑坡、库岸坍塌、崩塌、泥石流等 不良地质地段广泛分布，同时存在多处半挖半填的高陡路堤以及高陡边坡，数个 2 第1 章前言 工点存在一定的隐患，或需要在边坡的防护方案上进一步优化。因此，结合道路 的施工，非常有必要在原勘察资料和设计图纸基础上，通过进一步的现场再调查， 查明公路沿线边坡结构类型、可能发生的地质灾害类型及典型类型边坡变形破坏 的成因机制；在此基础上，对存在灾害隐患或设计方案论证不够充分的边坡做进 一步的深入研究，据此提出有针对性的边坡开挖及防护方案，以保证工程施工的 顺利进行及通车后的运营安全。 为此，作者参加了导师承担的四川省交通厅公路规划勘察设计研究院委托项 目“国道3 1 7 ( 2 1 3 ) 都江堰汶川公路沿线边坡地质灾害形成机理及防治处理措 施研究”。通过与课题组各位老师和同学的共同工作，作者选取了两个代表性工 点的边坡开展了深入的研究，分别是都江堰市紫坪铺镇都江村4 组k 1 2 + 6 3 0 k 1 2 + 7 0 0 m 段的边坡( 简称为“都江村边坡”) 和距汶川县城约3 k m 的 k 7 4 + 7 7 5 k 7 5 + 7 4 0 桩号岷江右岸的“沙窝子”高边坡。所选择的这两个边坡都 有一定的代表性：前者属厚层状“砾岩”岩层中开挖的边坡，地质条件较好，边 坡的整体稳定性问题不大；但是，该处边坡处于都江堰风景区，对环境要求较高， 因此，必须考虑植被恢复和生态环境的设计问题，而对开挖陡峻的岩质边坡，这 个问题是需要做深入研究的。后者为处于灰岩与千枚岩强风化、强卸荷带中的边 坡，边坡地质条件极差，地形陡峭，植被稀少，坡面主要为第四系松散崩坡积块 碎石土所覆盖，且发育多处滑坡与坡面失稳等地质灾害。必须在对边坡稳定性进 行系统论证的前提下，提出边坡稳定性的防护方案。 1 2 国内外研究现状 1 21 岩质边坡稳定性研究 岩质边坡稳定性问题是工程地质学科的重要研究内容之一。作为一类重要的 工程地质问题，其出现与人类工程活动有紧密的联系，也引起了众多的工程地质 和岩石力学研究者的关注，成为当今工程地质学最具活力的研究方向。 边坡稳定不仅与人为因素有关，更重要的是与天然的岩土体的性质有着密切 的关系。边坡稳定受岩体的结构和构造的影响，又与其形成过程、应力历史和周 围环境有关，这就决定了岩质边坡稳定性具有复杂多变的特点。因此，边坡稳定 性分析这种看似简单的问题其实却具有相当的难度。边坡失稳所造成的伤害经常 是突发性的，所以边坡稳定性分析与评价直是岩土和环境工程中重要的研究课 题。 由于边坡工程的重要性，国内外大量学者进行了研究，提出了许多不同的分 析计算方法。这些方法按其理论基础和分析原理大致可分为以下几类： 成都理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 极限平衡分析法 极限平衡法是假定边坡沿某个滑动面而破坏，且在该面上满足 m 。h r c o u l o m b 破坏准则，再从滑动体的静力平衡条件导出稳定性系数计算式。 边坡稳定性分析是一个超静定问题，必须做一些假定才能求得安全稳定性系数。 最早是瑞典人p e t t e r s o n ( 1 9 1 6 ) 1 提出了所谓瑞典圆弧法，滑动面为圆弧；f e l l e r m i u s 等( 1 9 3 6 ) 【l 】在此基础上将滑动体分条，提出了瑞典条分法，该法忽略了条间作用 力；b i s h o p ( 1 9 5 5 ) 2 1 通过赋予稳定性系数新的含义，并在一定程度上考虑了条间 侧向力的影响，提出了精度度较高的条分法。此后，m o r g e n s t e m 和p r i c e ( 1 9 6 5 ) 3 s p e n c e r ( 1 9 6 7 1 9 7 3 ) 4 , 5 】，j a n b u ( 1 9 7 3 ) t 6 l ，s a c m a ( 1 9 7 3 ) t 7 1 等分别通过对土条间侧 向力的作用点位置、或者作用方向等作出假定推出了各自的稳定性系数计算式， 但计算都比较复杂。至此，边坡稳定性极限平衡法己趋于完善，但还存在一些问 题，为此许多学者对此进行了改进。比如：l i 和w h i t e ( 1 9 8 7 ) 1 8 提出了几个迅速 估计临界滑动面的方法；s r b u l o v ( 1 9 8 7 ) 9 】则通过对每个土条定义并计算稳定性系 数来推求总体稳定性系数。 ( 2 ) 极限分析法 d r u c k e r 和p r a g e r ( 1 9 5 2 ) 1 最先对边坡进行了极限分析，假定滑动面为直线破 裂面，用一个满足平衡条件并且在任意点都不违背屈服准则的假想应力场确定破 坏荷载的一个下限，而上限是通过一个与流动法则相容的速度场得到的。陈惠发 ( 1 9 7 5 ) ”假定破裂面为对数螺线，根据线性m o h r - c o u l o m b 破坏包络线对各向同 性、匀质的以及各向异性、非匀质的边坡稳定问题进行了极限分析，得出了这类 问题的上限解。潘家铮( 1 9 7 7 ) 口o 】在深入分析各种抗滑稳定性分析方法后，提出了 滑坡极限分析的两条基本原理，即极大值和极小值原理，试图弥补传统分析方法 在理论上的缺陷，后来陈祖煜( 1 9 9 8 ) 【1 1 3 给出了理论证明。孙君实( 1 9 8 3 ，1 9 8 4 ) 1 2 , 1 3 通过剖析塑性力学极限理论蕴涵的模糊性，建立了边坡稳定分析模糊极值理论， 并提出了一套数值计算方法( 双层复形法) 。此外，c o l l i n s 等a ( 1 9 8 8 ) t 1 4 】石丹究了岩 石边坡在非线性破坏包络线的情况下，取滑移线为对数螺线，将极限分析的计算 进行简化，并用反分析方法估计了材料的强度参数。此外，蔡中l 措( 1 9 9 5 ) 1 5 就抛物线和双曲线的m o b _ r - c o u l o m b 破坏包络线的情况，对边坡的极限荷载作了 研究。 ( 3 ) 随机理论分析法 许多学者曾用随机理论方法对边坡稳定性分析作过研究1 ：m a t s u o 用 k u r o d a ( 1 9 7 4 ) 、w h 和k r a f t ( 1 9 7 6 ) 、m o r l a c a t a l a n 和c o m e l l ( 1 9 7 6 ) 、a 1 0 n s o n y ( 1 9 7 6 ) 、h a r r ( 1 9 7 7 ) 曾对典型土质边坡作过研究：m c m a h o n ( 1 9 7 1 ，1 9 7 5 ) 、p i t e a n 和m a t i n ( 1 9 7 7 ) 、m a r e k 和s a v a l y ( 1 9 8 7 ) 、b a e c h e r 和e i n s t e i n ( 1 9 7 8 ) 、k i m 等( 1 9 7 8 ) 、 4 第1 章前言 h e r g e t ( 1 9 8 2 ) 、m o r r i s s 和s t o t t e r ( 1 9 8 3 ) 论述了概率方法在岩质边坡中的应用； n g u v e n 和c h o w d h u r y ( 1 9 8 4 ，1 9 8 5 ) 报告了矿山排土场的可靠性分析； c h o w d h u r y ( 1 9 8 2 ，1 9 8 7 ) 1 6 , 1 7 1 等对三维效应的概率分析均作过有益的探讨； c s c a v i a 【1 8 1 等对岩石边坡的倾倒破坏边坡进行了探讨；c h o w d h u r y 和x u ( 1 9 9 4 ) ” 利用系统可靠性分析法研究了边坡的可靠性。在这方面我国起步较晚，8 0 年代 才开始研究，祝玉学等人( 1 9 8 0 ，1 9 9 2 0 ，2 1 ，2 2 1 、- 包承纲等( 1 9 8 7 ) 口3 1 和陈昌富等 f 1 9 9 6 ) 2 4 , 2 5 在这方面作了许多研究工作。 r 4 1 数值分析法 有限单元法( f e m ) 和边界单元法( b e m ) 是边坡稳定性分析最常用的数值分析 方法，其优点是不仅能算出边坡体内每一点的应力，而且还能算出位移，克服了 极限平衡法、极限分析法等不能分析边坡变形的缺点。因此，它们在边坡( 尤其 是土质边坡) 工程中得到了广泛的应用。边坡稳定问题数值分析法较新的研究成 果有：p a s t e m a c k 等( 1 9 8 8 ) 2 6 】把有限元法同极限平衡法结合起来采用非线性弹性 材料规律，由有限元提供应力、应变和位移，然后按照极限平衡法计算安全系数； m a t s u i 和s a n ( 1 9 9 2 ) t 2 1 7 l 在有限元法分析中按剪应力破坏准则定义边坡的破坏，此 法与修正的f e l l e n n i u s 法很吻合；王如路和孙钧( 1 9 9 9 ) 2 8 】应用非连续变形分析 ( d d a ) 法对三峡船闸1 6 0 m 高岩体边坡进行了分析。 此外，一些新的分析方法也不断被提出，比如：c a i 等( 1 9 9 0 ) 1 2 9 j 提出了断裂 力学方法，m i c h a l o w s k i ( 1 9 9 5 ) 1 3 0 1 提出了运动学分析法，李文秀( 1 9 8 8 ，1 9 9 6 ) ”1 1 ”j 等建立了基于模糊理论的分析方法，而冯夏庭( 1 9 9 5 ) 吲、夏元友等( 1 9 9 6 ) 【3 4 】和张 德政等( 1 9 9 7 ) p5 j 建立了基于梯度算法的边坡稳定性评估b p 神经网络模型。 在上述分析方法中，变分法和极限分析法概念清晰、理论严格，但难以处理 外形、分层和外载复杂的边坡。数值分析方法依据岩土体的本构模型，利用数值 计算方法，不仅能算出边坡体内每一点的应力和位移，同时还能考虑边坡复杂的 外形、分层和外载情况；但由于岩土体的复杂性，目前尚未有能真实客观反映岩 土体复杂的应力一应变关系的本构模型，并且已有模型中，参数多、获取难且精 度差，致使最终计算结果往往与实际情况不符。随机理论分析法，充分考虑了岩 土体的复杂性和不确定性，以破坏概率或可靠性指标来评定边坡，为边坡稳定性 分析提供了新的途径，但如何建立分析模型和获取统计参数，尚有许多工作要做。 极限平衡法虽然没有考虑岩土体的应力历史、材料的非线性、边坡内岩土体材料 行为的变化和加载过程等因素，并且还不能反映滑动面上安全系数的变化和预测 边坡破坏的发生发展过程，但因其计算模型简单、计算方法简便、计算结果能满 足工作需要等优点，而仍然被认为是边坡工程分析与设计中最主要的且最有效的 实用分析方法，并为各国规范所采用。 成都理工大学硕士学位论文 1 22 岩质边坡坡面防护研究现状与发展趋势 1 2 2 1 岩质边坡坡面传统防护 如前所述，边坡岩土体挖填方一方面容易引起岩土体移动、变形和破坏，增 加了地质条件复杂地区边坡的不稳定性；另一方面，由于植被和表土流失，自然 植被恢复困难。因此，边坡稳定和防护在高等级公路的建设与养护中占有重要的 地位。 当边坡的稳定性安全系数不能达到要求时，就需要采取工程措施提高安全系 数，以满足安全的需要。卸荷、坡趾压载、排水是常用措施。采用这些方法，在 边坡稳定性分析方面，不增加新的内容，可以按已有的分析方法进行分析和复核。 当没有条件进行上述工程措施或采取了上述措旋后，仍不能使安全系数达到允许 数值时，就需要使用结构性工程措施对边坡进行加固。 结构性边坡加固体系可分为外部加固和内部加固两大类( r o u r k e ，j o n e s ) 叫 外部加固体系包括原位挡墙与重力式挡墙两大类；内部加固体系为岩体加固与现 场加固两大类。以前，岩体的加固主要依赖于外部加固。随着技术的进步，越来 越多的内部加固措施在工程中得到了应用。内部加固依赖于施加在岩体内的加筋 构件，如锚杆、锚索等，这些构件通常应插入潜在滑裂面以后的稳定体中。 1 2 2 2 岩质边坡坡面生态防护 生态护坡的研究在发达国家尤其在日本起步较早，其生态护坡与公路建设同 步发展，研制了预制框格，喷射浆体等适合于高陡边坡施工的新型生态护坡技术， 并申报了多项专利 3 7 】。近年来，日本致力于具有相当强度的生态多孔混凝土的 研究，并取得一定的进展，但其缺点是成本过高，它的护坡工程费用为2 0 0 0 3 0 0 0 日元m 2 ( 相当于人民币1 8 0 2 7 0 元m 2 ) 。目前，国内对土坡的植物防护进 行了一些工程应用研究并取得了一些有意义的成果，但目前的研究仍着重于工程 应用，在植物防护边坡的作用机理及作用效果的定量分析方面，还有待进一步深 化。对于风化破碎岩质边坡的植物防护，近年来虽有工程实践，但方法各异，尚 属探索阶段。 目前国内外采用的岩质边坡坡面生态防护有客土喷播、液压喷播、喷混植生、 植生带、厚层基材喷射、格构生态护坡等几种方法。他们的基本施工方式均是首 先平整坡面，再将植物种子、营养剂、土壤及植物生长所需要的辅助材料混制， 再借助喷播等手段使材料填固在边坡上而使边坡成绿。在实际应用中，无论是哪 一种生态护坡方式，都是以草坪种植为主，形式单一，仅仅是在坡面形成了绿色， 没有真正形成植物的种群，远没有达到真正的“生态”护坡的含义，没有形成与 自然融合的自然生长植物群落。而且由于在现有的生态护坡中，只解决了植物的 成活问题，却始终没有解决植物养分的持续供给问题，所以成活时间较短，一般 6 第1 章前言 卜3 年后就失败死亡。另外，在岩质边坡的生态防护上，目前还存在诸多的问题， 岩石边坡上客土的稳定、水分保持及供给和养分的持续供给三大目前岩石边坡上 实施生态护坡的最大难题都丞待解决。近几年，出现了将传统格构护坡与生态护 坡结合起来的格构生态护坡形式，借助于格构护坡的强度效应和植物种植的生态 效应，完成对生态环境的恢复和重建，较好的解决了单纯生态护坡对强度和生态 难以兼顾的问题。但目前对格构生态护坡的应用，将格构的强度效应和植被的生 态效应单独考虑，往往只单纯强调格构对边坡稳定性的防护作用和植物种植的绿 化作用，而没有将真正生态护坡中的根系锚固的强度效应和格构的强度效应结合 起来考虑，使格构和植被形成一个统一的系统。总的来说，目前生态护坡得到了 大力的发展，在研究深度和广度上都得到了大力的发展，但目前常用的生态护坡 方式都存在研究深度不够、研究方向过于片面，工程费用过高等问题，而使其发 展受到一定限制。 1 3 技术路线及主要研究内容 作者在硕士研究生就读期间，参加了由都汶高速公路公司委托的科研项目 “国道3 1 7 ( 2 1 3 ) 都江堰一汶川段边坡地质灾害形成机理及防治处理措施”的 研究工作。并在都汶路深挖路堑边坡的施工现场作了大量的野外现场工作，对现 场的工程地质条件、现有植物群落种类进行了系统详尽的调查和资料的收集与整 理。作者通过对已建成的成南、成雅、成渝高速公路和正在建设中的攀西高速公 路、安徽铜黄高速公路等类似工程的学习和比较，以岩质边坡破坏机理、稳定性 分析方法、岩质边坡坡面防护手段、岩质边坡生态护坡方法为研究对象，通过对 都汶路上两类典型的岩质边坡的特点、稳定性分析、防护结构等进行的研究，从 而为岩质边坡的稳定性与防护设计与施工提供技术支持。 根据以上的研究技术路线，本文的主要研究内容如下： ( 1 ) “都江村”型高陡岩石边坡的稳定性及生态护坡技术研究。重点在查明 这类边坡稳定性的基础上，提出其生态恢复的技术方案，包括坡面稳定性工程防 护措施与生态恢复结构的结合、植被类型的选择、种植基层材料的复合和填固措 施等： ( 2 ) 查明在复杂岩体结构条件下，“沙窝子”型高边坡的变形破坏机理，尤 其是1 号滑坡的形成及目前基岩边坡的变形破坏机理模式。 ( 3 ) 采用多种手段和方法，对沙窝予高边坡的稳定性进行综合评价，论证 边坡在不同开挖条件和各种环境营力作用下，边坡的稳定性，为边坡灾害的工程 治理提供依据。 ( 4 ) 结合沙窝子高边坡的变形破坏机理和稳定性研究成果，提出边坡地质 成都理工大学硕士学位论文 灾害的综合治理方案。 采用的基本技术路线见图1 2 。 图l - 2 论文研究技术路线框图 第2 章研究区区域地质条件概况 第2 章研究区区域地质条件概况 2 1 地层岩性 区内出露地层以元古界晋宁澄江期岩浆岩( 主要分布于映秀罗筐湾段) 和古生代变质岩系( 主要分布于大坝汶川段) 为主。第四系地层包括冲洪积、 崩坡积、泥石流堆积等，现分述如下： 公路沿线第四系堆积物按其成因类型有以下几类： 河流相冲洪积层( q 4 a l + p 1 ) ：为河床上部、漫滩及阶地堆积物。主要为漂卵砾 石层，卵石粒径一般为6 18 c m ，漂石粒径一般2 0 4 0 c m ，含巨漂及孤石。漂 卵石成分大部分由岩浆岩及少量灰岩、砂岩、板岩等组成，磨园度较好，充填物 为中细砂。层内夹有厚度不等的中、细砂、粉土等透镜体。i i 、i 、级阶地漂 卵砾石充填物多为粉质粘土，较密实。 崩坡积物( q 4 e + d 1 ) ：分布于斜坡中下部，地貌上形成崩坡积群，为近源堆积 组成的块碎石土。充填物为岩屑或砂土，结构松散，具有架空现象。 泥石流堆积( q 4 s e f ) 和洪积( q 4 p ) ：分布于沿线较大冲沟及其出口( 洪积扇 堆积) 一带。以块碎( 卵) 石土为主，间夹蛮石、巨漂，成份由当地岩性组成， 经一定距离搬运成半棱角状，砂质粉土等充填。老的洪积扇一般较为密实，经水 流切割常形成陡壁；新洪积扇土体结构则较松散，粒径大小参差不齐。 基岩以古生代变质岩系和元古界晋宁澄江期岩浆岩为主，分述如下： ( 1 ) 古生代变质岩系 出露地层有泥盆系观雾山组( d 2 。) 、养马坝组( d 2 y ) 和志留系茂县群第二 组( s m x 2 ) 。岩性为灰岩、千枚岩和石英砂岩等，浅至中等程度变质。分布于大 坝汶川一带。其中千枚岩属中硬软岩；灰岩、板岩、砂岩属硬岩。 ( 2 ) 元古界晋宁澄江期岩浆岩 主要为第三期侵入岩和第四期侵入岩。前者为闪长岩( 硬岩) ，灰绿色，矿 物成分由角闪石、斜长岩、辉石及少量磁铁矿等组成；后者为浅白色花岗岩( 坚 硬岩) ，主要矿物有钾长石、石英，次为黑云母和绿泥石等，中细粒花岗结构。 经区域变质和动力变质，部分已绿泥石化或具片麻状构造，伴有大量变质矿物( 如 绿泥石及绢云母) 出现。分布于映秀罗筐湾一带。 9 成都理工大学硕士学位论文 2 2 地质构造 研究区构造部位处于复杂的北东向龙门山断褶带的中段( 图2 1 ) 。龙门山断 裂带呈北东向展布，南西始于泸定附近，向北东经灌县，汶川、广元进入陕西宁 强、勉县一带，全长5 0 0 余公里。龙门山断裂带基本构造格架主要由3 条北东向 压扭性大断裂( 白北而南分别是茂汶断裂、映秀断裂、二王庙断裂) 组成，工程 区位于茂汶断裂与映秀断裂所挟持的块体上，受其影响工区内次级结构面走向以 北东向的压扭性断裂为主。工程区隧道深度与围岩地应力