劉平軍

(貴州交通巖土工程有限責(zé)任公司　貴陽(yáng)　550081)

降雨條件下順層巖質(zhì)邊坡破壞模式及穩(wěn)定性研究

劉平軍

(貴州交通巖土工程有限責(zé)任公司貴陽(yáng)550081)

摘要在降雨入滲過(guò)程中，順層巖質(zhì)邊坡后緣張裂隙的充水高度應(yīng)由匯入流量與地下水在層面滲流時(shí)的滲流量所共同決定。通過(guò)分析降雨作用下順層巖質(zhì)邊坡的滑移-拉裂破壞模式，建立了地下水滲流量與匯入流量和張裂隙充水量之間的關(guān)系，并推導(dǎo)了邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與降雨強(qiáng)度的計(jì)算公式，編制了相應(yīng)的計(jì)算程序。并以某高速公路路塹邊坡為例，與不考慮層面滲流量的方法進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，文中方法能夠較好地反映邊坡穩(wěn)定性隨降雨強(qiáng)度而變化的程度。

關(guān)鍵詞地下水順層巖質(zhì)邊坡破壞模式穩(wěn)定性計(jì)算

順層巖質(zhì)邊坡是交通、礦山、水電等工程領(lǐng)域中經(jīng)常出現(xiàn)的邊坡地質(zhì)體，對(duì)其破壞機(jī)理及穩(wěn)定性的分析也一直是研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。順層巖質(zhì)邊坡是指邊坡的巖層傾向于斜坡面，且傾斜方向一致或接近的邊坡。降雨是造成順層邊坡破壞的主要誘發(fā)因素之一，不同的降雨量和降雨持時(shí)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性會(huì)有不同程度的影響，主要有以下幾個(gè)方面：①降雨入滲后增加了巖體的重量，導(dǎo)致坡體的下滑力增加；②降雨入滲后沿坡面方面的滲流及在裂隙中形成的靜水壓力會(huì)增加邊坡的下滑力；③水對(duì)巖體有一定的軟化作用，會(huì)降低巖體及結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度，致使抗滑力減小。

目前，對(duì)于降雨作用下的順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題一些學(xué)者進(jìn)行了一定的研究。劉玉梅[1]推導(dǎo)了后緣張裂型順層巖質(zhì)邊坡在地下水作用下的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算公式；劉才華[2]認(rèn)為后緣張裂型順層巖質(zhì)邊坡在降雨過(guò)程中，裂隙的充水高度與后緣的匯入流量正相關(guān)，并推導(dǎo)了降雨強(qiáng)度和張裂隙充水高度之間的計(jì)算公式。在實(shí)際的降雨入滲過(guò)程中，后緣張裂隙的充水高度不僅取決于匯入流量，而且還應(yīng)考慮地下水在層面滲流時(shí)的滲流量?；诖?，本文首先分析降雨作用下順層巖質(zhì)邊坡的滑移-拉裂破壞模式，然后建立了地下水滲流量與匯入流量和張裂隙充水量之間的關(guān)系，繼而推導(dǎo)了邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與降雨強(qiáng)度的計(jì)算公式，通過(guò)編制相應(yīng)的計(jì)算程序以某高速公路路塹邊坡為例，對(duì)比分析本文方法與不考慮層面滲流量之間的結(jié)果。

1降雨作用下順層巖質(zhì)邊坡的破壞模式

大量的邊坡實(shí)例[3-5]表明，降雨對(duì)邊坡的穩(wěn)定性有至關(guān)重要的作用。降雨作用下順層巖質(zhì)邊坡的平面破壞形式根據(jù)其變形破壞的力學(xué)機(jī)制可分為2種地質(zhì)力學(xué)模式：滑移-拉裂型與滑移-彎曲型。

滑移-拉裂型邊坡的變形破壞主要發(fā)生在邊坡已形成后緣拉裂縫、傾角不大于30°的中等傾角順層巖質(zhì)邊坡中。邊坡由于開(kāi)挖等因素使得坡體初始應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，坡頂一定范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生卸荷裂隙。在降雨過(guò)程中，雨水會(huì)匯入卸荷裂隙中，繼而產(chǎn)生靜水壓力，使得卸荷裂隙進(jìn)一步向下擴(kuò)展，當(dāng)擴(kuò)展到一定程度時(shí)，與層面形成完整的滲流系統(tǒng)?；麦w內(nèi)的地下水使得坡體中力學(xué)性質(zhì)裂化，進(jìn)而當(dāng)滲流層面的抗剪強(qiáng)度小于坡體剪切應(yīng)力時(shí)，斜坡巖體將沿滲流層面向臨空面方向滑動(dòng)，并使滑移體拉裂解體，見(jiàn)圖1。根據(jù)極限平衡原理，可以計(jì)算順層巖質(zhì)邊坡巖層失穩(wěn)橫向極限長(zhǎng)度，由此進(jìn)行順層推力計(jì)算，詳細(xì)計(jì)算過(guò)程見(jiàn)相關(guān)研究[6-7]。

圖1　滑移-拉裂破壞模式[8]

2降雨作用下順層巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析

巖質(zhì)邊坡水力學(xué)理論是基于土質(zhì)邊坡水力學(xué)，并繼承了土質(zhì)邊坡水力學(xué)的一般規(guī)律。但由于巖質(zhì)邊坡的地質(zhì)結(jié)構(gòu)與土質(zhì)邊坡截然不同，地下水在二者中的賦存環(huán)境差異很大，這就決定了地下水對(duì)巖質(zhì)邊坡的水力學(xué)作用方式及邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律有別于土質(zhì)邊坡。

圖2為具有后緣張裂隙的典型巖質(zhì)邊坡，在降雨初期，后緣張裂隙中匯入的地表水首先會(huì)沿著層面滲流，最終表現(xiàn)為作用在層面沿滲徑方向的面力，即拖曳力。隨著降雨的繼續(xù)，張裂隙中的裂隙水量大于層面的滲流量，繼而產(chǎn)生靜水壓力，包括后緣張裂隙靜水壓力和層面上的揚(yáng)壓力。

巖質(zhì)邊坡中層面內(nèi)的滲流，不考慮地下水流動(dòng)時(shí)的慣性力，地下水產(chǎn)生滲透壓力最終轉(zhuǎn)化為作用在巖層上下壁面上的拖曳力，由靜力平衡方程可得拖曳力為

(1)

式中：b為結(jié)構(gòu)面寬度;γw為水的重度;I為沿滲流方向的水力梯度。

圖2　滑移-拉裂型邊坡穩(wěn)定性分析模型

由于巖層上下面的物理力學(xué)特征相似，在邊坡穩(wěn)定性分析中，取地下水滲流對(duì)層面上部巖體的拖曳力為總拖曳力的一半，則地下水滲流對(duì)層面上部巖體的拖曳力t為

(2)

由巖體水力學(xué)理論可知，圖2所示順層邊坡地下水在層面中滲流時(shí)的流量為

(3)

式中：k為層面滲透系數(shù);b為層面寬度。

張裂隙匯流量可按如下公式計(jì)算[9]

(4)

式中：ψ為徑流系數(shù);q為降雨強(qiáng)度;A為匯水面積。

在降雨入滲的整個(gè)過(guò)程中，張裂隙中的總匯流量應(yīng)等于層面的滲流量和張裂隙內(nèi)剩余流量之和，即Q0=Q+hwbd

(5)

式中：d為裂隙寬度。

則，張裂隙內(nèi)充水高度hw為

(6)

根據(jù)圖2所示的穩(wěn)定性分析模型，作用在潛在滑體上的力有：滑體自重為W、后緣垂直張裂隙靜水壓力為p1、滑動(dòng)面孔隙水揚(yáng)壓力為p2和拖曳力為D、滑面傾角為α、滑面長(zhǎng)度為l、后緣張裂隙充水高度為hw。

后緣張裂隙充水后，后緣垂直張裂隙靜水壓力p1為

(7)

層面上的揚(yáng)壓力沿層面法向作用，揚(yáng)壓力p2為

(8)

結(jié)構(gòu)面的拖曳力沿滑動(dòng)方向向下作用，增加了邊坡的下滑力D，由式(8)可知其表達(dá)式為

(9)

根據(jù)沿滑動(dòng)方向的極限平衡關(guān)系式，可得邊坡穩(wěn)定性系數(shù)Fs為

(10)

3工程應(yīng)用

3.1　工程概況

滑坡地點(diǎn)位于杭瑞高速公路(貴州境內(nèi)遵義—畢節(jié)19合同段)YK1724+620～YK1724+733，該邊坡為硬巖順向坡，巖性為二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)灰?guī)r，滑坡前緣為褐黃色粉質(zhì)粘土。滑坡體內(nèi)發(fā)育一逆斷層F1，寬2～3 m，沿滑坡左側(cè)后緣于YK1724+730處穿過(guò)軸線，斷層產(chǎn)狀為60°∠80°，其上盤(pán)巖層產(chǎn)狀為130°∠28°,下盤(pán)巖層產(chǎn)狀為150°∠20°。邊坡先后進(jìn)行了2次開(kāi)挖，開(kāi)挖期間因連續(xù)多次暴雨，滑坡體后緣與母巖產(chǎn)生脫離，后緣產(chǎn)生大裂縫，裂縫寬10 m，深8 m，傾角85°,現(xiàn)滑坡處于蠕動(dòng)狀態(tài)，仍在繼續(xù)向路線方向滑移,工程地質(zhì)剖面圖見(jiàn)圖3。

圖3　A-A′剖面圖

3.2　計(jì)算模型及參數(shù)

滑坡計(jì)算模型見(jiàn)圖4，計(jì)算參數(shù)如下：滑動(dòng)層面天然粘聚力c=15 kPa，天然內(nèi)摩擦角φ=16°；飽和粘聚力c′=12 kPa，飽和內(nèi)摩擦角φ′=13°?；骈L(zhǎng)度l1，l2=27 m、42 m，寬度b為1.3 cm，滲透系數(shù)k為1.53 m/s，張裂隙橫向匯流寬度9.25 m，徑流系數(shù)ψ= 0.6，滑坡發(fā)生的暴雨強(qiáng)度q=9.4 mm/h。

圖4　滑坡計(jì)算模型

3.3　穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果分析

該滑坡屬中型-牽引式-順層巖質(zhì)滑坡，局部層間夾軟弱層，后緣有一逆斷層通過(guò)，受斷層影響，其附近巖體較破碎，巖溶較發(fā)育。邊坡前緣進(jìn)行開(kāi)挖坡腳后，破壞了原坡體的平衡條件，加之近期連續(xù)降雨，導(dǎo)致坡體內(nèi)巖土物理力學(xué)性質(zhì)變差，從而形成大規(guī)模變形。

根據(jù)計(jì)算式(10)，編制相應(yīng)的穩(wěn)定性計(jì)算程序。以降雨強(qiáng)度為變量計(jì)算得到不同降雨強(qiáng)度下的邊坡穩(wěn)定性情況，見(jiàn)圖5。

圖5　不同降雨強(qiáng)度與邊坡穩(wěn)定性關(guān)系曲線圖

由圖5可見(jiàn)，邊坡的穩(wěn)定性隨著降雨強(qiáng)度的增加而降低，具體來(lái)說(shuō)，在小雨至中雨階段邊坡的穩(wěn)定性成指數(shù)形降低，在中雨至大雨階段，邊坡穩(wěn)定性變化趨勢(shì)成線性，在大雨至暴雨階段，邊坡穩(wěn)定性處于臨界狀態(tài)。邊坡2次開(kāi)挖均有降雨，第1次開(kāi)挖時(shí)，邊坡有一定程度的變形，1 h降雨強(qiáng)度約為q=8.4 mm/h，對(duì)應(yīng)圖5的穩(wěn)定性系數(shù)可知，其值接近于極限平衡值，處于潛在不穩(wěn)定狀態(tài)；第2次開(kāi)挖時(shí)，滑坡發(fā)生的1 h降雨強(qiáng)度為q=9.6 mm/h，對(duì)應(yīng)圖5的穩(wěn)定性系數(shù)小于1，屬于不穩(wěn)定性狀態(tài)。本文的穩(wěn)定性計(jì)算公式能較正確地反映邊坡隨降雨強(qiáng)度而變化的程度。

同一降雨強(qiáng)度下，對(duì)比分析考慮與不考慮層面滲流量的邊坡穩(wěn)定性情況，見(jiàn)表1。

表1　不同降雨強(qiáng)度下2種方法的穩(wěn)定性系數(shù)值

由表1可見(jiàn)，在降雨強(qiáng)度為8 mm/h時(shí)，本文方法的穩(wěn)定性系數(shù)為1.30，不考慮層面滲流的計(jì)算結(jié)果為1.13；在滑坡發(fā)生的降雨強(qiáng)度為9.6 mm/h時(shí)，本文方法的穩(wěn)定性系數(shù)為0.92，而不考慮層面滲流的計(jì)算結(jié)果為0.79。由此說(shuō)明，不考慮層面滲流的穩(wěn)定性系數(shù)普遍較本文方法有所減小，主要原因在于不考慮層面滲流時(shí)，其張裂隙的充水高度比本文方法的充水高度要高，所提供的下滑力較大所致。因此，考慮層面滲流的穩(wěn)定性計(jì)算公式能夠較真實(shí)地反應(yīng)邊坡實(shí)際的穩(wěn)定性情況。

4結(jié)論

(1) 計(jì)算順層邊坡后緣拉裂縫的充水高度時(shí)，不僅需要考慮匯入流量，而且還應(yīng)考慮地下水在層面滲流時(shí)的滲流量。通過(guò)與不考慮層面滲流量的計(jì)算結(jié)果對(duì)比可以看出，本文方法更符合實(shí)際情況。

(2) 通過(guò)分析邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與坡體內(nèi)水力情況的關(guān)系，給出了以降雨強(qiáng)度考慮邊坡穩(wěn)定性情況的依據(jù)，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

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Study on the Bedding Rock Slope Failure Mode and Stability Under the Condition of Rainfall

LiuPingjun

(Guizhou Transportation Geotechnical Engineering Co.,Ltd., Guiyang 550081, China)

Abstract：In the actual process of rainfall infiltration, the water filling height of bedding rock slope trailing edge tension fissure should be decided by import flow and seepage flow when underground water in the level of seepage. Through analyzing the sliding-tension failure mode of bedding rock slope under the condition of rainfall, we established the relationship between the groundwater seepage, import flow and the tension fissure filling water., A formula to calculate the coefficient of stability of slope and rainfall intensity was derived. The corresponding calculation program was compiled. We comparatively analyzed considering the level seepage flow method or not considering the level seepage flow method based on highway cutting slope. Results show that this method can better reflect the slope stability varies with rainfall intensity degree.

Key words:underground water； bedding rock slope； failure mode；stability calculation