斜坡研究背景及意义论文

斜坡是构成地形的一个基本要素。在山岳、丘陵、高原以及一些基岩海滨地区，研究斜坡的发展演化，是研究地形发展的一个基本问题。按其形态，斜坡可分为断崖、凸坡、直坡和凹坡。每一斜坡的形成和发展，都与地质结构、构造运动以及风化、剥蚀和堆积作用相关联。在斜坡的形成和发展过程中，块体运动起着特别重要的作用。块体运动改造斜坡的上部，并由斜坡的上部提供碎屑物质，以供其它剥蚀堆积作用改造斜坡。

在构造上升运动地区，由于地势升高，使流水的侵蚀切割加剧，河谷的深度增大，块体运动发育，谷坡高而陡峭，大部分形成断崖和凸坡。在构造下降运动地区，由于地势降低，流水的堆积作用发育，斜坡大部分由凹坡和直坡构成。在构造运动相对稳定的地区，产生均衡的斜坡。均衡的斜坡是凸坡在上，凹坡在下，斜坡的中部是直坡。

由坚硬的岩层构成的斜坡，由于抗剥蚀能力强，形成断崖、凸坡或直坡。由松软岩石、多裂隙的岩石和松软堆积物构成的斜坡，多为凹坡。

每一斜坡地段的形态，都与特定的风化、剥蚀和堆积作用相关联。斜坡的上部，块体运动、蠕动使碎屑物质及破碎的基岩向斜坡下部运动，一般都形成凸坡。在斜坡的中部，一部分块体运动物质被洪流、表流等侵蚀和搬运至斜坡下部，在那里形成洪积扇和坡积裾等堆积地形；一部分块体运动继续进行，在斜坡下部形成倒石堆、地滑阶地等地形。这些作用的结果是：斜坡的中部，一般是直坡；斜坡的下部，一般是凹坡。均衡的斜坡是一种开放的自动控制的动力系统。各斜坡段之间的发展是互相联系的。一个斜坡段的平衡破坏，影响着其它斜坡段的发展。例如，掘土动物使斜坡的一段岩石变得疏松，流水侵蚀作用使松散物质快速向下扩散，于是该段斜坡局部变陡，增强了上部斜坡的块体运动和下部斜坡的堆积。斜坡恒常地变化，恒常地力图达到某种均衡状态，以适应运动的环境。

在不同的气候带内，各种风化、剥蚀和堆积作用的共生组合也不同，因此，斜坡的发展也带有各种气候带的特点。例如冰川地区的冰蚀作用形成陡峭的悬坡；冰积作用形成平缓的凹坡和凸坡；冰缘地区的冰融水形成的斜坡，基本上都是平缓的凹凸坡。在干旱地区的风蚀作用和重力作用形成凸坡；风积作用形成平缓的凹凸坡。在湿热地区流水的侵蚀作用形成凸坡、悬坡；流水堆积作用形成凹坡。

大部分斜坡形成于第四纪或晚新生代，一部分的形成时间可以早些。晚新生代和第四纪气候的迭次变化，也增加了斜坡发展的复杂性。

斜坡的发展和演化，常常可以毁坏工程建筑，中断交通，堵塞河流，威胁人畜安全。所以，研究它们的形成和发展过程，据以采取防止措施，具有非常大的实际意义。

斜坡的稳定性分析的目的一方面是为了对与人类工程-经济活动有关的斜坡稳定性及其发展变化做出科学评价和预测；另一方面是为了斜坡整治或边坡设计提供科学依据。目前斜坡工程研究中，其稳定性评价方法主要有以下三种。

过程机制分析法

亦称演变历史分析法。这种方法的实质就是应用前述斜坡变形、破坏的基本规律，通过追溯斜坡变形发展演化的全过程，对斜坡稳定性现状和发展总趋势做出评价和预测。并通过对典型事例的深入剖析和其区域性发育分布规律的研究，对斜坡变形和破坏的区域性特征进行预测。主要包括以下几个方面。

根据阶段性规律预测斜坡所处演变阶段的发展趋势

这方面的预测大致有以下一些内容。

确定斜坡可能的变形形式和破坏方式

如前所述，斜坡可能具有的变形形式和破坏方式与斜坡外形特征、地质结构以及所处环境之间是密切相关的。对于一个具一定外形和结构特征的斜坡，可以应用赤平投影方法综合分析坡体中起控制作用的结构面或软弱带的空间组合状况，即可大致确定斜坡的类型和可能发生的变形机制和破坏方式。

根据斜坡变形迹象判定斜坡演变阶段

通过现场调研，查明某一具体斜坡已有的变形迹象，阐明其形成演变机制，即可参照前述各类斜坡变形模式的演变图式和阶段划分的地质依据，确定斜坡所处演变阶段。

分析中应特别注意变形模式的转化标志。若弯曲-拉裂转化为蠕滑-拉裂，必然引起后缘拉裂面闭合和错动方式的改变，这是转化标志，也是这类变形体即将产生深层大规模破坏的预兆。

演化全过程再现模拟分析

对于一些重要的斜坡和边坡，通过现场调研，查明斜坡类型和变形机制模式，建立相应的力学和数学模型，采用物理和数值模拟再现。将模拟成果与实际调查情况进行对照，则可对斜坡目前的演变阶段和发展趋势做出评价和预测。

根据周期性规律判定促进斜坡演变的主导因素

促进斜坡变形破坏的各种因素，在地质历史进程中都有其各自的周期性变化规律。例如：河流由侵蚀变为淤积、由淤积再转为侵蚀；地震的周期性出现以及气象、水文动态的季节性变化和多年变化等。因而斜坡演变也会受具有周期性变化规律所制约。这样，追溯斜坡演变过程中的周期性规律，也就可以判定不同时期促进斜坡演变的主导因素。

某些重要斜坡和滑坡，也可采用再现模拟来定量评价斜坡失稳和滑坡复活的主导因素。 根据区域性规律阐明斜坡稳定性分区特征

在地质条件、地貌条件以及气候条件相似地区，斜坡演变规律也会具有相似性。因而研究斜坡演变的区域性规律，进行合理区划工作，具有十分重要的理论和实践意义。斜坡演变的区域性规律，实际上决定于动力环境的形成和演变特征。为论证这一规律，应在查明斜坡变形破坏的时空发育分布状况的基础上，系统分析各内外动力因素与斜坡演变的相关性。

根据上述分析进行区域性评价，尤应注意环境动力因素的演化对斜坡演变的影响。以近期地质构造活动为例，可表现为以下几方面。

地区近期的升降特征

地区近期的升降状况，决定了区域斜坡稳定状况的演化趋势。

在评价河谷斜坡稳定性时，应注意河谷发育史中曾出现过的强烈下切期。这些时期也就是斜坡变形破坏的活跃期，常常可能保存着相应时期造成的古滑坡、崩塌残体。这种现象在我国西南山区河谷中十分普遍，往往是水库岸坡稳定性研究的重点地段。

图 大渡河泸定下游一带斜坡稳定性区域性状况示意图

地区构造最大主压力方向及其变化

构造应力场在河谷发育过程中曾有过变动的地区，分析不同地质历史时期最大主应力方向与河谷之间的关系，也是评价河谷斜坡稳定性的主要依据。河谷方向与历次最大主应力方位近于正交的部位，往往是斜坡变形与破坏较强的部位。

活断层面特征及活动方式

在活断层附近，应注意根据断层面特征及错动方式判定断层附近岩体的完整性。例如在平移断层的两侧，断面转折带和不同断面的交汇部位必然是压碎扩容带，岩体完整性差，也是斜坡容易发生变形破坏的部位；而平直段则相对要完整得多，斜坡通常也比较稳定。大渡河上游石棉至泸定段有一很好的实例，如图所示，近期有明显反扭平移的金坪断层在午尼附近由北西向急转成南北向，这种形式与斜坡剖面上的滑移-压致拉裂图式相似，转折部位相当于压碎扩容带，花岗岩体极为破碎松散，河谷两岸发育一系列滑坡或滑塌，午尼附近的滑塌残体超过1×108m3。在断层平直段，这种现象就比较少见。此外，活断层的端部，往往也是斜坡变形破坏较活跃的部位。

极限平衡理论计算

目前的斜坡理论性分析方法较多，归纳起来主要有极限平衡理论计算，数值分析和概率统计分析等几类。在工程实践中，极限平衡理论发展最早，使用也最广泛。

均质土坡稳定性计算

以极限平衡理论为基础计算土坡的稳定性，如瑞典条分法、毕肖普法等。用这些方法计算土坡稳定性，假设边坡破坏时的滑面形状为圆弧面，通过试算或根据经验找出最危险滑动圆弧的中心。土坡的稳定系数K为沿圆弧滑面的抗滑力矩和滑动力矩对滑动中心的力矩之比：

环境地质与工程

实践表明，均质土坡的滑面多接近于圆弧形。故用圆弧法来计算均质土坡稳定时，比较接近实际。但由于计算时作了一些简化，如把滑体看成均质刚体，滑面简化为圆弧面，空间问题简化为平面问题处理等。因此，在这种简化条件下计算得到的稳定系数实际上仍属于定性或半定量评价，必须根据边坡的工程地质条件做出综合的分析。对于非均质土坡的滑面形状则取决于土的性质和土的结构，分析更为复杂。这种情况下，条分法较为实用。

岩质边坡稳定性计算

岩质边坡稳定性计算必须密切结合岩体的工程地质条件分析。首先要弄清边坡滑动体的边界条件，以便确定滑动体的形态。分析边坡变形破坏时的滑动面、分割面和临空面的产状、形状及受力条件。这些面在边坡变形破坏时构成了边界条件，受边坡岩体的地质构造、岩体结构、边坡形态及地貌、地下水、地表水等因素的控制。岩质边坡在复杂条件下，往往有多组不同产状的结构面，因而滑坡岩体的边界条件是很复杂的。其中滑动面的性质、产状、组合形态对岩质边坡稳定性起决定性作用。根据结构面的产状及组合情况，把岩质边坡的破坏型式分为：同倾向单滑面型、同倾向多滑面型、不同倾向双滑面型和多滑面型。对于同倾向单滑面和同倾向多滑面两种情况的边坡稳定性计算如下。

同倾向单滑面

同倾向单滑面是常见的边坡型式，特别是滑动面走向与坡面走向接近一致，侧向切割条件较好，有一定的临空面且滑动面倾角α大于滑面摩擦角φ时，最易产生滑动。图所示，边坡岩体在自重作用下发生沿AB面滑动，滑体自重为W，滑面长为L，根据极限平衡理论，则坡体稳定系数K的基本公式为：

环境地质与工程

图 同倾向单滑面边坡稳定性计算图示

式中α——潜在滑动面的倾角（°）；β——斜坡坡角（度）；φ、c——滑面的摩擦角和内聚力（度，kPa）；H、h——坡高、滑体厚度（m）；γ——坡体的天然重度（kN/m3）。

根据工程的等级和性质要求，一般K=～。特殊应力组合情况下稳定性系数K值可适当降低。从上式看出：单滑面平面滑动稳定系数与滑面长和坡角β无关，而与滑体厚度h成反比。这说明削坡减荷措施能削减滑体厚度，从而有效提高边坡的稳定性。

当K=1时，即抗滑力等于下滑力，坡体处于极限平衡状态，得出极限平衡时最大坡高Hmax为：

环境地质与工程

当滑坡区地下水位较高，滑动体为相对隔水层时，在边坡稳定性计算中要计入滑面上地下水的静水压力Pw，由此可得边坡稳定系数为：

环境地质与工程

同倾向折线形滑动面

图 折线形滑动面滑坡计算图

计算这类边坡稳定性时，一般根据所查明的滑动面起伏情况，划分为折线形的块段，每一块段底部滑面为平直的斜面，并确定各段参数（图）。根据我国铁道部采用的滑坡推力计算法来计算斜坡的稳定性，不考虑块段两侧力的作用。

对第一块段ABB′仅考虑其重力，则作用于滑面AB上的下滑力和抗滑力为：

环境地质与工程

第一块的剩余下滑力E1为：

环境地质与工程

令λ1=cos（α1-α2）-sin（α1-α2），第二块的剩余下滑力E2为：

环境地质与工程

以此类推，计算出最后一个块段的剩余下滑力En为：

环境地质与工程

若En＞0，边坡将会失稳，若En＜0，则说明无剩余下滑力，边坡稳定。当En=0时，边坡处于极限平衡状态。为了安全起见，将抗滑力除以一个安全系数Ks，一般取Ks值为～。

此法在国内应用较广，为支挡工程设计提供了方便，但计算较繁琐。为了简化计算，也可采用水平投影法来求安全系数。首先分块段计算出下滑力和抗滑力，然后投影到水平面上，求得K值，即：

环境地质与工程

工程地质类比法

工程地质类比法是目前工程实践中很实用的一种简易评价方法。其实质是把已有的天然斜坡和边坡的研究或设计经验应用到条件相似的斜坡评价或边坡设计中去。这些经验所考虑的因素包括斜坡剖面形态，斜坡变形破坏形式及其发展变化规律，斜坡的整治经验等。在进行类比时，不但要考虑斜坡结构特征的相似性，还要考虑斜坡所处的地质条件和自然环境的相似性以及促使斜坡演变的主导因素和斜坡变形破坏发展阶段的相似性。在相似条件下才能进行类比。

我国在同自然地质现象的斗争中积累了丰富的经验，这是我们的宝贵财富，需要充分利用。在斜坡稳定性评价中，往往需要多种方法共同运用，相互补充，综合论证，方能取得良好的效果。