夏開(kāi)宗 陳從新 魯祖德 宋婭芬 周意超

（中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室 武漢 430071）

0 引 言

軟硬巖互層型邊坡的地質(zhì)災(zāi)害對(duì)國(guó)家建設(shè)和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅.如侏羅系地層在長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)廣泛出露，三峽工程庫(kù)區(qū)移民遷建工程在建設(shè)過(guò)程中形成了大量的軟硬巖互層型高陡邊坡，邊坡失穩(wěn)事故時(shí)有發(fā)生.

軟硬巖互層邊坡作為一類具有典型特點(diǎn)的層狀邊坡，邊坡在地質(zhì)結(jié)構(gòu)、破壞特征等方面不僅具有獨(dú)特性，而且其穩(wěn)定性影響因素與一般邊坡具有很大的差異性，當(dāng)?shù)乇硭慕胧箮r層間軟弱巖層強(qiáng)度降低或邊坡前緣開(kāi)挖形成臨空面時(shí)，邊坡上的巖、土體在水力作用觸發(fā)下穩(wěn)定性極差［1－3］.影響此種類型的邊坡穩(wěn)定性的因素是較多的，如層面強(qiáng)度、巖層厚度、巖層傾角、水力作用等，掌握這些因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響規(guī)律，能為滑坡的處置技術(shù)和優(yōu)化方法提供有針對(duì)性的依據(jù).

本文依托滬蓉國(guó)道主干線湖北宜昌至巴東高速公路上多處軟硬巖交互型邊坡為背景，針對(duì)這些邊坡的破壞特征，建立了邊坡力學(xué)模型，分析了層面強(qiáng)度、巖層厚度、巖層傾角、水力作用等各項(xiàng)因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，探索這些因素對(duì)軟硬巖互層邊坡穩(wěn)定性影響的一些規(guī)律.

1 分析原理

1.1 邊坡分析模型

通過(guò)對(duì)研究區(qū)沿線20多處軟硬巖互層滑坡進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查，如妃臺(tái)山滑坡、鷹咀巖滑坡、周家坡滑坡、彭家灣路段古崩滑坡等，發(fā)現(xiàn)此種類型的邊坡變形破壞不僅取決于軟弱層面的力學(xué)性質(zhì)，而且受邊坡中地下水力作用的活動(dòng)控制.因此，本次建立的邊坡穩(wěn)定性分析模型考慮了水力作用.在Hoek和Bray［4］給出的典型巖石邊坡水力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立了適合研究區(qū)軟硬巖互層邊坡如下的分析力學(xué)模型見(jiàn)圖1.

圖1 分析力學(xué)模型

由圖1可見(jiàn)，滑坡硬巖層后緣形成寬大拉裂縫，為雨水的滲入提供了有利條件.強(qiáng)降雨時(shí)，地下水在邊坡后緣張裂隙和潛在滑動(dòng)面形成的滲流通道中運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)滑體將產(chǎn)生3個(gè)方面的力學(xué)作用：張裂隙靜水壓力、潛在滑動(dòng)面揚(yáng)壓力和動(dòng)水壓力，其表達(dá)式分別為

式中：n為滑動(dòng)面上面壁上巖土體的給水度；b為滑動(dòng)面的層面開(kāi)度；Z為后緣張裂隙的充水高度；l為滑動(dòng)面的長(zhǎng)度；γw為水的水容重.

從式（1）～（3）可以看出，強(qiáng)降雨時(shí)，張裂隙靜水壓力、潛在滑動(dòng)面揚(yáng)壓力和動(dòng)水壓力的大小均取決于邊坡后緣的張裂縫充水高度，因此，邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)后緣張裂隙充水高度是一個(gè)極其重要的參數(shù).邊坡平面滑動(dòng)采用剛體滑移模型進(jìn)行分析，設(shè)滑面內(nèi)摩擦角為φ、粘聚力為c，則坡體在重力作用和水力作用下的抗滑力T和下滑力R分別為

1.2 敏感度計(jì)算

敏感度分析是指通過(guò)計(jì)算一個(gè)自變量發(fā)生變化時(shí)所引起的因變量的改變率，從而分析該自變量對(duì)因變量的貢獻(xiàn)［5］.

邊坡穩(wěn)定性的敏感度分析主要是研究影響邊坡穩(wěn)定性的各因素與相應(yīng)的穩(wěn)定性系數(shù)之間的相互關(guān)系.它由各因素的相對(duì)變化率與邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的相對(duì)變化率之間的比值來(lái)進(jìn)行衡量，即第i個(gè)影響因素的敏感度Si可表示如下［6－7］

式中：｜ΔXi／Xi｜為影響因素 Xi的相對(duì)變化率；｜ΔKi／Ki｜為穩(wěn)定性系數(shù)Ki的相對(duì)變化率.

2 邊坡敏感性分析

2.1 層面強(qiáng)度的敏感性分析

計(jì)算的物理力學(xué)參數(shù)如下：c＝100kPa，φ＝20°，a＝16°，巖體容重γ＝26kPa／m3，h＝25m.圖2～3分別為a＝16°時(shí)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨層內(nèi)內(nèi)摩擦角和粘聚力變化的關(guān)系.可以看出，邊坡的穩(wěn)定性隨層面內(nèi)摩擦角或粘聚力的提高顯著提高；不同巖層厚度或粘聚力情況下，內(nèi)摩擦角與穩(wěn)定性系數(shù)基本上保持線性關(guān)系，對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響規(guī)律是一致的，而粘聚力對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響與巖層厚度有一定的關(guān)系，巖層厚度越小，圖3中曲線斜率越大，粘聚力對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響越顯著，此時(shí)，粘聚力對(duì)邊坡穩(wěn)定性貢獻(xiàn)越大.當(dāng)保持其他參數(shù)不變時(shí)，改變粘聚力c（變化范圍為10～330 kPa），計(jì)算求得粘聚力的敏感度為Si＝0.149；改變內(nèi)摩擦角φ（5°～45°），計(jì)算求得內(nèi)摩擦角的敏感度為Si＝1.007 1，可見(jiàn)內(nèi)摩擦角的敏感度比粘聚力的大得多.

圖2 邊坡安全系數(shù)與層面粘聚力的關(guān)系曲線圖

圖3 邊坡安全系數(shù)與層面內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線圖

從滑坡的原理上看，層面的粘聚力和內(nèi)摩擦角越高，則構(gòu)成沿層面的抗滑動(dòng)力越大，邊坡的穩(wěn)定性就越好；反之，值越低，邊坡的穩(wěn)定性就越差.所以，軟硬交互型巖質(zhì)邊坡是否能滑坡實(shí)質(zhì)上受層面粘聚力和內(nèi)摩擦角控制.因此，在對(duì)軟硬交互型巖質(zhì)邊坡的滑坡進(jìn)行處置技術(shù)和優(yōu)化方法選擇時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)放在如何直接或間接地提高層面的粘聚力和內(nèi)摩擦角的措施上，從而達(dá)到提高坡體穩(wěn)定性的目的.

2.2 層面厚度的敏感性分析

巖層厚度是影響邊坡穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素，設(shè)W＝hlγ，則式（5）變?yōu)?/p>

式中：h為巖層厚度；γ為巖體的容重.

由式（8）可知，巖層厚度越大，邊坡穩(wěn)定性越低，其原因主要有兩方面：一方面，在不考慮水力作用時(shí)，由式（8）可化簡(jiǎn)得：

所以，邊坡在自身重力下隨著巖層厚度增加，其穩(wěn)定性降低.

另一方面，從式（8）可知，貫通巖層層面的揚(yáng)壓力和后緣張裂縫靜水壓力沿潛在滑動(dòng)面上的有效法向應(yīng)力均減小了邊坡的抗滑力；張裂隙靜水壓力潛在滑動(dòng)面向上的分力和巖層面上的動(dòng)水壓力增加了邊坡的下滑力.而這3種力的大小均取決于邊坡后緣張裂隙充水高度，由于巖層厚度與后緣張裂縫充水高度有著直接的關(guān)系，所以，巖層厚度越大，水力作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性不利作用表現(xiàn)得越強(qiáng)烈，穩(wěn)定性系數(shù)降低得越多.圖4為層面傾角a＝16°，層面粘聚力c＝100kPa為繪制的邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)與巖層厚度的關(guān)系.

圖4 穩(wěn)定性系數(shù)與巖層厚度關(guān)系曲線

從圖4可以看出，在巖層厚度較薄時(shí)，圖中曲線的斜率較大，隨著巖層厚度的增大，曲線逐步變?yōu)榻綘?；另外，觀察φ＝15°曲線，在巖層厚度較薄時(shí)，邊坡是穩(wěn)定的，巖層厚度超過(guò)6m后，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài).這說(shuō)明了滑帶的發(fā)展與巖層厚度有關(guān)，即存在一臨界巖層厚度hmax，當(dāng)巖層厚度大于hmax，軟弱結(jié)構(gòu)面才可能發(fā)展成為滑帶.

改變巖層厚度h（變化范圍為5～45m），計(jì)算求得巖層厚的度敏感度為Si＝0.278 1.

2.3 層面傾角的敏感性分析

巖層傾角是軟硬巖互層邊坡穩(wěn)定性分析的重要指標(biāo).圖5為層面摩擦角＝20°，巖體重度γ＝26 kPa／m3，不同巖層厚度下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與巖層傾角的關(guān)系曲線.圖5a）表示潛在滑動(dòng)面維軟弱層面粘聚力較小的情形，圖5b）表示潛在滑動(dòng)面為軟弱層間錯(cuò)動(dòng)帶或泥化夾層、粘聚力較大情形，邊坡的穩(wěn)定性與巖層傾角的關(guān)系.可以看出，在其他參數(shù)不變的情況下，邊坡穩(wěn)定性隨著巖層傾角的增加而急劇降低，所以邊坡穩(wěn)定性對(duì)層面傾角較為敏感.改變巖層傾角（變化范圍5°～45°），計(jì)算求得巖層傾角的敏感度為Si＝1.022 5.

圖5 邊坡的穩(wěn)定性與巖層傾角的關(guān)系

從圖5a）可以看出，當(dāng)巖層傾角略大于16°（小于層面內(nèi)摩擦角20°）時(shí)，邊坡即達(dá)到臨界穩(wěn)定狀態(tài)，按理說(shuō)，此時(shí)的巖層傾角應(yīng)該和層面內(nèi)摩擦角基本上相等，究其原因是：邊坡中的水力作用能使得邊坡的穩(wěn)定下降，其對(duì)邊坡穩(wěn)定性不利作用的貢獻(xiàn)約等于層面傾角與層面內(nèi)摩擦角之差的角度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)程度.所以，不考慮邊坡中的水力作用，當(dāng)邊坡處于臨界狀態(tài)時(shí)，此時(shí)的巖層傾角應(yīng)該和層面內(nèi)摩擦角基本上相等，見(jiàn)表1.而從圖5b）可以看出，在層面粘聚力較大時(shí)，邊坡破壞時(shí)的層面傾角遠(yuǎn)大于層面內(nèi)摩擦角.

表1 不同巖層傾角的邊坡安全系數(shù)（c＝200kPa時(shí)）

2.4 水力作用的敏感性分析

上述在討論層面強(qiáng)度、層面厚度和層面傾角對(duì)邊坡的敏感性因素分析時(shí)，均考慮在強(qiáng)降水的情況下，即后緣張裂縫充滿水后.而大多數(shù)情況下，邊坡后緣的張裂縫中不一定都充滿水.現(xiàn)在來(lái)討論邊坡對(duì)水力作用的敏感性，也就是假設(shè)后緣張裂縫在不同程度的充水情況下水力作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響.當(dāng)不考慮邊坡中地下水的水力作用時(shí)，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)Fs為1.36，當(dāng)考慮張裂縫中水深變化時(shí)水力作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響時(shí)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6.

圖6 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與張裂縫中水深的關(guān)系

從圖6可知，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)在水力作用的影響下隨張裂縫中水深的變化而急劇下降.當(dāng)水位深度為5m時(shí)，水力作用使穩(wěn)定系數(shù)降低了2.48%；當(dāng)水位深度為10m時(shí)，水力作用使穩(wěn)定系數(shù)降低5.19%；當(dāng)水位深度為15m時(shí)，水力作用使穩(wěn)定系數(shù)降低了8.12%；當(dāng)水位深度為20 m時(shí)，水力作用使穩(wěn)定系數(shù)降低了11.23%；當(dāng)水位深度為25m時(shí)，水力作用使穩(wěn)定系數(shù)降低了14.53%所以，水力作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響較大，是觸發(fā)邊坡失穩(wěn)的關(guān)鍵因素.計(jì)算求得水力作用的敏感度為Si＝0.149 8.

文獻(xiàn)［8］通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)研究表明：隨著注水的進(jìn)行，邊坡巖體位移均保持增長(zhǎng).第一層注水時(shí)，邊坡巖體的位移均較小，邊坡均未發(fā)現(xiàn)裂縫；而在第二層軟巖注水約121h，測(cè)點(diǎn)的變形發(fā)生明顯的突變，坡體變形加速，位移均較大，此時(shí)在邊坡前緣存在明顯的裂隙.在注水約196h后，模型體后緣自軟化層起的以上部分開(kāi)始脫離框架.當(dāng)改變巖層傾角時(shí)，邊坡即發(fā)生前緣的剪切破壞.說(shuō)明明層面傾角和軟弱層面的強(qiáng)度參數(shù)（內(nèi)摩擦角）對(duì)邊坡穩(wěn)定性起主要控制作用，巖層厚度對(duì)的穩(wěn)定性也有明顯的影響.所以物理模型試驗(yàn)所得的對(duì)軟硬巖邊坡穩(wěn)定性影響的規(guī)律與本文所得規(guī)律的是一致的.

3 結(jié) 論

1）考慮軟硬巖的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，針對(duì)影響軟硬巖互層邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵性因素，建立了符合此種類型邊坡的穩(wěn)定性分析力學(xué)模型，推導(dǎo)了邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的表達(dá)式.

2）各影響因素中，敏感度由大到小為：層面傾角＞層面內(nèi)摩擦角＞層面厚度＞邊坡中水力作用＞層面粘聚力，說(shuō)明層面傾角和軟弱層面的強(qiáng)度參數(shù)（內(nèi)摩擦角）對(duì)邊坡穩(wěn)定性起主要控制作用，巖層厚度對(duì)的穩(wěn)定性也有明顯的影響.

3）邊坡中的水力作用隨著巖層厚度的增大，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性不利作用表現(xiàn)得越強(qiáng)烈；緩傾倒軟硬巖互層邊坡由于巖層內(nèi)摩擦角大于層面傾角，在天然條件下即使在邊坡坡腳開(kāi)挖后仍能保持穩(wěn)定狀態(tài)，但在水力作用驅(qū)動(dòng)作用下，有可能發(fā)生滑移失穩(wěn)破壞，造成大規(guī)模的地質(zhì)災(zāi)害.

4）室內(nèi)模型試驗(yàn)所得結(jié)果與本文所得的影響邊坡穩(wěn)定性的規(guī)律比較接近.所得的這些規(guī)律，能為滑坡的處置技術(shù)和優(yōu)化方法提供有針對(duì)性的依據(jù).

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