王俊萍 溫 霞 賈婷立

（內(nèi)江職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川內(nèi)江 641000）

1 理論分析

圖1 平面滑動(dòng)面邊坡計(jì)算簡(jiǎn)圖

邊坡穩(wěn)定性分析之前，應(yīng)根據(jù)巖土工程地質(zhì)條件對(duì)邊坡的可能破壞方式及相應(yīng)破壞方向、破壞范圍、影響范圍等作出初步判斷。判斷邊坡的可能破壞方式時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮到受巖土體強(qiáng)度控制的破壞和受結(jié)構(gòu)面控制的破壞。計(jì)算沿結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)的穩(wěn)定性時(shí)，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)面形態(tài)采用平面或折線形滑面，采用剛體極限平衡法計(jì)算邊坡抗滑穩(wěn)定性。根據(jù)[4]穩(wěn)定性系數(shù)的定義，穩(wěn)定性系數(shù)等于抗滑力與滑動(dòng)力的比值，具體計(jì)算公式如下：

T——滑體單位寬度重力及其他外力引起的下滑力（kN/m）；

R——滑體單位寬度重力及其他外力引起的抗滑力（kN/m）；

c——滑面的敬聚力（kPa）；

φ——滑面的內(nèi)摩擦角（°）；

L——滑面長(zhǎng)度（m）；

G——滑體單位寬度自重（kN/m）；

Gb——滑體單位寬度豎向附加荷載（kN/m），方向指向下方時(shí)取正值，指向上方時(shí)取負(fù)值；

θ——滑面傾角（°）；

U——滑面單位寬度總水壓力（kN/m）；

V——后緣陡傾裂除面上的單位寬度總水壓力（kN/m）；

Q——滑體單位寬度水平荷載（kN/m），方向指向坡外時(shí)取正值，指向坡內(nèi)時(shí)取負(fù)值；

hw——后緣陡傾裂隙充水高度（m），根據(jù)裂隙情況及匯水條件確定。

穩(wěn)定性分析過程中，上述公式同時(shí)考慮了滑面單位寬度總水壓力U、坡后緣裂隙水壓力V、水平荷載Q的影響，可根據(jù)具體工況條件，選擇所需要的公式類型來計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)，分析邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài)。

2 模型計(jì)算

當(dāng)坡體內(nèi)、外由于降雨或水庫水位上漲及其綜合作用等因素，造成坡內(nèi)、外存在靜水壓力，從而影響邊坡穩(wěn)定性，同時(shí)坡體不同的透水條件，會(huì)影響坡內(nèi)外靜水壓力的分布，進(jìn)而影響邊坡穩(wěn)定性，在穩(wěn)定性計(jì)算過程中應(yīng)予以考慮，主要討論如下幾種情形。

圖2 巖質(zhì)邊坡的計(jì)算斷面

某很長(zhǎng)的巖質(zhì)邊坡的斷面形狀如圖2所示，巖體受一組走向與邊坡平行的節(jié)理面所控制，節(jié)理面的內(nèi)摩擦角35°，內(nèi)聚力為70kPa，巖體重度為23kN/m3。

2.1 工況一

不考慮水的作用，坡內(nèi)、外均不存在靜水壓力，直接計(jì)算天然工況條件下邊坡沿節(jié)理面的抗滑穩(wěn)定系數(shù)。

此時(shí)取沿長(zhǎng)度方向1m長(zhǎng)度來分析。

（1）滑體重：G=γV=23×0.5×20×40×1.0=9200kN

2.2 工況二

條件同2.1，但節(jié)理裂縫的一半充水，坡面外無水，坡底為隔水巖土層，計(jì)算邊坡沿節(jié)理面的抗滑穩(wěn)定系數(shù)。此條件考慮降雨的計(jì)算模型。

取沿長(zhǎng)度方向1m長(zhǎng)度來分析，水位位于坡高中點(diǎn)高程，此時(shí)：

（1）滑體重：G=γV=23×0.5×20×40×1.0=9200kN

破裂角：θ＝53.1°；滑面長(zhǎng)度：L=50m。

2.3 工況三

條件同2.1，但是不穩(wěn)定巖體高度的一半被靜水淹沒〈節(jié)理縫隙的一半也充水〉，計(jì)算邊坡沿節(jié)理面的抗滑穩(wěn)定系數(shù)。此條件考慮水庫水位上漲的計(jì)算模型，且坡面透水。

取沿長(zhǎng)度方向1m長(zhǎng)度來分析，不穩(wěn)定巖體高度的一半被靜水淹沒，此時(shí)：

破裂角：θ＝53.1°；滑面長(zhǎng)度：L=50m。

2.4 工況四

條件同2.1，但是節(jié)理縫隙無水，坡面外一半高度浸水，且坡面不透水，坡底為隔水土層，計(jì)算邊坡沿節(jié)理面的抗滑穩(wěn)定系數(shù)。本條件考慮水庫水位上漲的計(jì)算模型，且坡面不透水。

取沿長(zhǎng)度方向1m長(zhǎng)度來分析，水位位于坡高中點(diǎn)高程，此時(shí)：

（1）坡外水壓力垂直作用于坡面，將在滑動(dòng)面上產(chǎn)生法向和切向分力。

滑體重：G=γV=23×0.5×20×40×1.0=9200kN。

破裂角：θ＝53.1°；滑面長(zhǎng)度：L=50m。

（2）坡面靜水壓力：Uw=0.5γwhwA=0.5×10×20×41.2×0.5×1=2060kN

坡面靜水壓力在滑面上的法向分力：Nw=Uwcos（α-θ）=2060×cos（76°-53.1°）=1898kN。

切向分力：Tw=Uwsin（α-θ）=2060×sin（76°-53.1°）=802kN。

2.5 工況五

條件同2.1，但是節(jié)理縫隙有水，坡面外一半高度浸水，且壩坡面不透水，坡底為隔水土層，計(jì)算邊坡沿節(jié)理面的抗滑穩(wěn)定系數(shù)。本條件考慮水庫水位上漲和降雨綜合作用的計(jì)算模型，且坡面不透水，降雨與水位上漲在坡內(nèi)外高度一致。

取沿長(zhǎng)度方向1m長(zhǎng)度來分析，水位位于坡高中點(diǎn)高程，此時(shí)：

（1）坡外水壓力垂直作用于坡面，將在滑動(dòng)面上產(chǎn)生法向和切向分力。

滑體重：G=γV=23×0.5×20×40×1.0=9200kN

破裂角：θ＝53.1°；滑面長(zhǎng)度：L=50m

坡角：α＝76°；坡面長(zhǎng)度：Lp=41.2m

（2）坡面靜水壓力：Uw=0.5γwhwA=0.5×10×20×41.2×0.5×1=2060kN

坡面靜水壓力在滑面上的法向分力：Nw=Uwcos（α-θ）=2060×cos（76°-53.1°=1898kN。

切向分力：Tw=Uwsin（α-θ）=2060×sin（76°-53.1°）=802kN

（3）節(jié)理裂隙中靜水壓力：U=0.5γwhwA=0.5×10×20×50×0.5×1=2500kN

將不同工況條件下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)結(jié)果匯總見表1和圖3，結(jié)合邊坡規(guī)范中穩(wěn)定性狀態(tài)劃分標(biāo)準(zhǔn)及邊坡安全穩(wěn)定性系數(shù)選取規(guī)定，選永久邊坡一般工況條件，邊坡工程安全等級(jí)為三級(jí)時(shí)的邊坡安全穩(wěn)定性系數(shù)1.25，則不同工況下岸坡的穩(wěn)定性狀態(tài)結(jié)果可見表1。

表1 不同工況穩(wěn)定性系數(shù)匯總表

3 討論與結(jié)論

圖3 不同工況穩(wěn)定性系數(shù)及狀態(tài)

本文模型計(jì)算是基于剛體極限平衡的平面滑移穩(wěn)定性分析，且考慮了降雨和邊坡水位上漲及其綜合作用下的穩(wěn)定性，取得了一定的有意義的結(jié)論，揭示了坡面作防滲后的蓄水引起反壓護(hù)坡與降雨誘發(fā)滑坡啟動(dòng)的原因，坡體內(nèi)部靜水壓力是滑坡啟動(dòng)的初始動(dòng)力；但是在分析過程中未考慮滲流作用引起動(dòng)水壓力，如需考慮可在穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算式中添加穩(wěn)定滲流狀態(tài)下確定的坡體內(nèi)滲透力，依據(jù)滲透力對(duì)不穩(wěn)定滑體的抗力和下滑力貢獻(xiàn)度來分配其在穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算公式的位置。

由于采用剛體極限平衡法計(jì)算的平面滑移穩(wěn)定性，滑體視為剛體，不考慮剛體自身的變形和內(nèi)部的破壞，故此結(jié)論主要適用于透水條件極差的受結(jié)構(gòu)面控制的均一滑體結(jié)構(gòu)，對(duì)于坡體內(nèi)外透水的結(jié)構(gòu)僅反映的某一靜態(tài)時(shí)刻的結(jié)果，并未考慮透水的動(dòng)態(tài)過程。但作為傳統(tǒng)分析方法可通過穩(wěn)定性系數(shù)確定的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，結(jié)合規(guī)范中穩(wěn)定性狀態(tài)與穩(wěn)定性系數(shù)區(qū)間對(duì)應(yīng)關(guān)系，來定量反映邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)。選取不同時(shí)刻的工況狀態(tài)進(jìn)行靜力分析，可在一定程度上反映邊坡穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)發(fā)展過程。

本文通過剛體極限平衡的平面滑移穩(wěn)定性模型計(jì)算，得到如下結(jié)論：

（1）通過分析可知天然工況下，岸坡滑體處于極限平衡狀態(tài)，穩(wěn)定性系數(shù)為1.0。對(duì)比工況1和2可知降雨使得坡內(nèi)節(jié)理裂隙存在一定深度的靜水壓力，滑動(dòng)面法向力減小，從而使得抗滑穩(wěn)定系數(shù)減小只0.76，系數(shù)折減了24%，表明降雨誘發(fā)滑體失穩(wěn)影響大。此為降雨誘發(fā)滑坡失穩(wěn)的基本力學(xué)原理。

（2）對(duì)比工況1和3可知，水位上漲，且岸坡坡面透水，滑體重γV減小，粘聚力c假定不變，抗滑穩(wěn)定系數(shù)增加。但增加不大，僅增加了6%，由于c相對(duì)較小，對(duì)穩(wěn)定系數(shù)的貢獻(xiàn)較小，故抗滑穩(wěn)定系數(shù)增加量值不大。

（3）對(duì)比工況1和4可知，水位上漲，且岸坡坡面不透水。坡面外水壓力垂直作用于坡面，產(chǎn)生法向和切向分力，法向分力增加了抗滑力，切向分力減小了滑動(dòng)力，從而使得抗滑穩(wěn)定系數(shù)增加，穩(wěn)定系數(shù)增加至1.33，系數(shù)增加了33%，邊坡反壓護(hù)坡的作用效果很顯著，僅考慮了力學(xué)平衡，未考慮水巖之間化學(xué)過程的離子交換（水巖作用機(jī)理）和物理過程的掏蝕等作用。對(duì)比3和4可知水位上漲對(duì)岸坡的穩(wěn)定性均有一定提升，如要提升增大，需在坡表作防滲處理。對(duì)于坡體局部存在軟弱帶，水的弱化作用下造成力學(xué)強(qiáng)度降低，會(huì)引發(fā)新的不穩(wěn)定滑體失穩(wěn)，故本文假定滑體為均一的巖體。

（4）對(duì)比3和5可知，兩種工況的穩(wěn)定性系數(shù)相等，工況5節(jié)理縫隙有水，坡面外一半高度浸水，且壩坡面不透水，坡底為隔水土層，本條件考慮水庫水位上漲和降雨綜合作用的計(jì)算模型，且坡面不透水，降雨與水位上漲在坡內(nèi)外高度一致。工況3為不穩(wěn)定巖體高度的一半被靜水淹沒〈節(jié)理縫隙的一半也充水〉，此條件考慮水庫水位上漲的計(jì)算模型，且坡面透水?？芍祟惽樾蜗?，滑體0.25倍的體積在水下，受到水的浮力作用，故工況5降雨與水位上漲在坡內(nèi)外高度一致時(shí)，才會(huì)和工況3的穩(wěn)定狀態(tài)一致，如果降雨強(qiáng)度小，裂縫中水位遠(yuǎn)小于庫區(qū)水位上漲，此時(shí)穩(wěn)定性系數(shù)大于1.06，無限接近1.33，即工況4情形；如果降雨強(qiáng)度大，裂縫中水位遠(yuǎn)大于庫區(qū)水位上漲，此時(shí)穩(wěn)定性系數(shù)小于1.06，無限接近0.76，即工況 2。

（5）縱觀多種工況下邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)數(shù)值可知，對(duì)于極限狀態(tài)的滑體，降雨和水庫水位抬升均會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定性系數(shù)數(shù)值減小，進(jìn)而誘發(fā)滑體失穩(wěn)。如在坡體表面作一定防滲處理后可以提高岸坡的穩(wěn)定性，為滑坡治理提供理論參考。坡表防滲與排水降低后緣裂縫和滑面上的水位，可有效提高岸坡穩(wěn)定性。

本文為內(nèi)江職業(yè)技術(shù)學(xué)院2018年度院級(jí)教科研課題“不同透水條件公路邊坡穩(wěn)定性研究”研究成果（NZ2018C11）。