水对岩质高边坡稳定性影响分析

周俊宏

摘要：水是影响岩质高边坡稳定的重要因素，根据出流缝被堵塞和未被堵塞两种情况的水力学模型分析，从而建立了边坡滑移破坏判据，揭示了边坡在水力作用下破坏的机理，从内在变化揭示了水对岩质高边皮稳定性的影响。对岩质边坡工程设计和施工有很大的指导意义。

关键字：岩质边坡；水；稳定性

1、前言

独特的地域和地质环境使我国成为一个高边坡问题非常突出和特殊的国家。特别是随着我国西部大开发战略的实施，一批重大工程，包括交通基础设施和能源水电工程建设、矿山资源开发等，尤其是与西电东送配套的大型能源点工程的建设，它们涉及近千米的自然高边坡和数百米的人工开挖高边坡，是工程建设最为重要的工程地质问题之一。[1] 而本文主要围绕高边坡形成的动力过程和“变形稳定性”分析这一核心，以复杂岩体结构精细描述和准确的地质模型建立为基础，以卸荷条件下边坡的变形-破坏过程和机理研究为桥梁，重点研究水力作用对岩质高边坡稳定的影响，从而实现高边坡变形稳定性评价和基于变形控制理论的支护措施优化。[2-5]

大量工程实践表明，边坡失稳破坏大多与水的作用有密切关系。研究表明，90%的自然边坡和人工边坡的破坏与地下水活动有关。水与岩土体相互作用的过程简称为“水-岩”作用。在边坡地质灾害中，水岩作用包括两个方面：一是水岩之间的化学作用，二是水岩之间的力学作用。其中水岩之间的力学作用对岩质边坡稳定的影响主要通过地下水量动态剧变使边坡的应力环境恶化来体现的。且水岩之间的力学作用在其中起主要作用。[6]

2、边坡的力学模型

2.1 边坡岩体水-力耦合模型

应力（场）问题是岩体力学及岩体稳定性研究的基本问题。由于所有岩体都不同程度地发育有空隙系统，当这些空隙系统含有地下水，且水-岩体积比较大（例如边坡腐质岩体）或水-岩体积比较小，但水力梯度异常高（例如坝基岩体）时，岩体应力场研究就必须考虑渗流的作用。

根据Bernoulli方程，水头H有

（1）

式（1）是单位重力液体总机械能的一种表达方式，它和介质的应力状态之间并不是一一映射的关系，即对于一个确定的水头值可以有无数个应力值与其对应。

造成这种现象的原因在于，应力是空间位置的函数，而水头则是等势面的函数；应力场是矢量场，水头场是标量场。

由于渗流场和应力场都是非稳定场，渗流场与应力场之间的关系问题是一种动力学平衡问题。如果把时间域恰当离散，那么，在每个时间段内，渗流场和应力场的关系问题就可以视为一种近似的静力学平衡问题。 在整个时间域内，不同时段的渗流场和应力场之间存在着一一对应的关系。当一个场发生主动的明显变化时，就会诱发另一个场发生被动的协调性变化，以达到新的动态平衡，这种平衡将一直保持到两场中有一个再次发生变化。通过对时间域的适当离散，可以把渗流场和应力场之间的动态平衡关系分解为一系列渗流场的变化诱发应力场变化问题或应力场的变化诱发渗流场的变化问题。

由于渗流场-应力场的要素（水头与应力）之间并非一一对应，它们之间的关系不能用一个统一的函数（偏微分方程）来表示，而只能通过一个能够沟通两者的“桥梁”，即影响方式来反映。因此，渗流场与应力场之间是一种间接的拖带平衡关系。

2.2 水对边坡的静水压力作用

静水压力是指液体对其接触面上所作用的压力。强降雨时，地下水在边坡后缘张裂缝和潜在滑动面形成的渗流通道中运动时，对滑体将产生两个方面的静水压力作用：张裂隙静水压力、潜在滑动面静水压力。

然而，这两种静水压力的大小均取决于滑动面上的水压力分布假设，由于水在边坡中的实际运动状态是未知的，如土壤、杂草或其他原因等可能使得边坡的出流缝被堵塞，从而改变滑动面的水压分布假设。鉴于此，为了研究地下水力作用对岩质边坡稳定性的影响，建立了出流缝未被堵塞和出流缝被堵塞两种情况下岩质高边坡的水力分析模型。对于出流缝被堵塞的情况，考虑静水压力的边坡的水力模型是比较明确的。

2.3 水对边坡的静水压力作用

动水压力是指地下水在边坡中流动对岩土体介质产生的一种作用力。对于边坡岩层结构来讲，无论是否有填充物，地下水在岩层层面中流动时，对其上下壁面的动水压力为

（2）

式中：b为岩层面的开度；i为沿渗流方向的水力梯度。

由于动水压力是一种体积力，用式（2）计算动水压力时，渗流的总体积可用给定范围内的岩土体体积与其给水度的乘积值。即：

（3）

式中：n为岩层面壁岩体的给水度；l为潜在滑动面的长度。

可以看出，当张裂隙充水时，不管是出流缝被堵塞还是出流缝未被堵塞的情况，顺层岩质边坡后缘张裂縫上的静水压力、层面上的静水压力以及动水压力的大小均与张裂隙的充水高度有关。因此，在对边坡稳定性进行分析时，边坡后缘张裂隙充水的高度是一个极其重要的参数。

2.4 边坡力学模型

从上述分析可知，由于出流缝被堵塞的情况下的动水压力T=0，所以，出流缝被堵塞情况下的水力学分析模型与考虑静水压力的分析模型相同。

3、边坡的稳定性系数及失稳判据

设作用在边坡滑体上的力有自重W 后缘张裂缝中的静水压力V，岩层面上的静水压力U 和动水压力T，岩层面的长度为l，岩层倾角为β，滑面内黏聚力为c，摩擦角为 ，边坡平面滑动采用刚体滑移模型进行分析，则坡体在重力作用下的抗滑力N和下滑力R分别为：

（4）

边坡稳定性系数定义为坡体抗滑力和下滑力的比值，则边坡在重力作用下的稳定性系数Fs 可表示为：

（5）

考虑水力作用时，则边坡的稳定性系数Fs为：

（6）

至此，可以根据降水强度或张裂缝临界充水高度的关系提出出流缝被堵塞和未被堵塞的岩质边坡滑移破坏的判据：当张裂缝中水位高度小于临界高度时，边坡将失稳；当张裂缝中水位高度等于临界高度时，边坡处于极限平衡状态；当张裂缝中水位高度大于临界高度时，边坡处于稳定状态。

4、结语

（1）可拓建立了出流缝未被堵塞和出流缝被堵塞种情况下的边坡水力学分析模型；推导出了边坡稳定系数和张裂隙临界充水高度的表达式；建立了可以根据降水强度或张裂缝临界充水高度的关系提出边坡滑移破坏的判据。

（2）地下水力作用下边坡稳定性系数的降低主要由静水压力U和V所致，而动水压力T的影响很小。

（3）在今后的试验研究中可以考虑通过控制裂隙中水的上升速度，进而模拟暴雨时边坡受水位急剧变化的工况，即在水—岩的耦合作用中加入时间效应。

参考文献：

[1]黄润秋.岩石高边坡稳定性工程地质分析 [M].北京：科学出版社，2012，12.

[2]夏开宗，陈从新，鲁祖德等.软硬岩互层边坡稳定性的敏感性因素分析[J]武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2013，（4） 729-732.

[3]杨治林.地下水作用下复合介质边坡岩体的位移判据研究[J]岩石力学与工程学报，2003，22（5）：820-823.

[4]胡其志，周 辉，肖本林等.水力作用下顺层岩质边坡稳定性分析[J]岩土力学，2010 ，31（11）：3594-3598.