边坡隔水层形成后的水压分布及稳定性

张平宽

(京能电力后勤服务有限公司)



边坡隔水层形成后的水压分布及稳定性

张平宽

(京能电力后勤服务有限公司)

摘要为研究边坡中形成隔水层之后的水压力分布规律及稳定性变化情况，揭示软岩边坡稳定性的变化特点，采用力学分析方法建立了隔水层形成后的水压分布模型，结合数值模拟方法揭示了隔水层形成后的边坡稳定性变化规律。以我国北方某软岩露天矿为例进行了分析，结果表明：当隔水层较薄时，边坡稳定系数呈下降趋势；当隔水层较厚时，边坡稳定系数呈现小幅增长的趋势。上述研究结果对于矿区边坡稳定分析有一定的参考价值。

关键词软岩边坡隔水层稳定性力学分析数值模拟

1露天煤矿边坡特点

露天煤矿边坡是由采矿活动逐步开挖地表岩土体形成的，受到风化、地下水、地应力、采矿活动、地震等因素的影响[1-2]。主要特点为：①边坡规模较大，高度可高达数百米，走向上可长达数千米；②边坡破坏形式以滑坡为主，边坡岩体的形成经历复杂的构造运动或沉积、变质过程，该类作用形成了具有复杂结构面的岩体，由该类岩体构成的边坡，分层极其明显，多数层间包含软弱夹层，强度指标接近第四系土；③边坡是由人工开挖形成的高大边坡，受到爆破设备振动[3]、自然风化等因素的影响，边坡岩体较破碎；④煤矿边坡频繁经受爆破作业的影响，且大吨位的运输设备对边坡台阶的影响较大[4]；⑤边坡是由采矿工程活动逐步开挖形成的，时效性较明显，不同部位的边坡服务年限也各不相同，对稳定性的要求也不一致；⑥边坡对地质条件无选择余地，仅能在特定的工程地质条件下进行开挖，无法因地质条件不良而改址。

2水对边坡稳定性的影响机理

90%以上的露天矿边坡滑坡事故发生在雨季、雨后和解冻期，水对边坡稳定具有至关重要的作用。地下水主要在3个方面对边坡岩体稳定性施加影响：①静水压力对不透水的边坡坡面施加不利影响；②由于地下水的渗透流动产生的动水压力，将对岩体中的细小颗粒产生拖拽作用；③边坡岩体中亲水性物质遇水膨胀，呈现出软化特性，大大降低了边坡岩体的抗剪强度[5-6]。

2.1静水压力作用

存在于边坡裂隙中的水，将对裂隙两壁产生静水压力，同时也对滑体施加托浮力，舒继森[7]对Hoek E等[8]有关不透水岩石边坡结构面中的水压研究成果进行了修正，修正后的水压如图1所示。

图1　张裂缝充水产生的静水压力和托浮力

沿张裂缝充水产生的水平静水压力为γwh，则总静水压力V为

(1)

式中，γw为水的容重，kN/m3；h为裂隙充水长度，m。

假设A点的水可自由流出，则该处的静水压力为0，整个结构面上的最大水压力出现在1/2水头高度处，即Hw/2时，水压力达到最大值γwHw/2。结构面上沿单位走向长度分布的总静水压力为

(2)

式中，Hw为地下水位标高，m。

由图1可知：

(3)

将式(3)代入式(2)并整理得：

(4)

地下水产生的托浮力方向沿着AB面斜向上，从而抵消了一部分作用于AB面上的正应力影响，因此，AB面上的摩擦力(即滑体的抗滑力)减小，边坡稳定性系数相应减小，边坡滑坡的概率大大增加。

2.2动水压力作用及软化作用

动水压力是水在岩体孔隙或结构面、散体物料接缝内流动时，对岩体产生的拖拽力，一般也称为渗透力。渗透力的方向沿着水流向的切线方向对边坡岩体施加推动下滑的作用，其大小可表示为

(5)

式中，D为作用于岩体单位体积上的渗透力，kN；i为水力坡度，%。

当渗透力较大时，会带走岩体破碎带及空隙中的可溶解成分，同时对裂隙中的较小岩体颗粒造成冲刷流失，使岩体中的黏聚力和内摩擦角显著减小，产生潜蚀作用，危害边坡工程的稳定性。当边坡主要由黏土质岩体组成时，水侵入岩体会造成岩体软化，强度降低，黏聚力和内摩擦角均会出现不同程度的下降，抗剪强度会下降至干燥状态下的1/4～1/20，对于坚硬的变质岩或岩浆岩构成的边坡，应特别注意地下水对边坡裂隙中大量黏土物质的软化作用。

3隔水层形成后的水压分布

边坡内部存在隔水层之后，内部自由水的渗流路径被切断，内部的水压分布也随之改变，具体体现在：①隔水层形成之后，堵塞了初始结构面水流的自由流动端，水难以顺利流出，结构面上的水压分布随之改变，下部堵塞端是静水压力最大的位置，随着高度(水头差的减小)的增大，边坡静水压力逐步减小；②动水压力增大，隔水层形成过程中，边坡体内的渗透系数逐步减小，水在流动过程中的阻力越来越大，水渗流产生的拖拽力对于边坡变形造成的影响正逐步显现。

3.1静水压力

当岩体不透水且结构面充水时，结构面上任意一点的静水压强为该点的水头高度与水容重的乘积，方向垂直于作用面。当坡脚处水可自由流出时，其水压分布如图2(a)所示；当坡脚受到表层隔水层作用而堵塞，水无法自由流出时，此时的静水压力在坡脚处达到最大，如图2(b)所示；对于不存在张裂缝的边坡，也可分为2种情况(图2(c)、图2(d))，静水压力分别在1/2水头高度和坡脚处达到最大。

边坡中不存在张裂缝，且地下水可自由排出，静水压力在1/2水头高度达到最大，此时，作用于单位走向长度结构面上的静水压力为

(6)

当地下水因出露端隔水受阻时，静水压力在坡脚处达到最大，此时，作用于单位走向长度结构面上的静水压力为

图2　平直结构面控制的边坡内部水压分布

(7)

在平面滑坡中，假定边坡岩石不透水，水仅可在结构面中流动，在坡脚出水处速度达到最大。在流动过程中，结构面裂隙对水流产生阻碍流动的摩擦力，水在流动过程中为克服阻力而引起的能量损失，称为水头损失。将不同地下水分布情况下边坡的渗流体积、静水压力值分别代入稳定系数的计算公式，可得出相应的稳定系数。在冻结滞水情况下，滑体受到的最大静水压力增大1倍，可见水压改变对于边坡的稳定性影响较大。

3.2动水压力

动水压力是指渗流水在流动过程中作用于岩石颗粒上的渗流力，属于体积力，渗流体积V的动水压力为

(8)

式中，J为水力梯度。

动水压力ΔF的方向平行于流线方向。边坡岩体中的渗流压强分布，需经水文测试、绘制流网分析得出。现给定边坡中地下水位及流网，假定边坡为圆弧滑动且给出潜在最危险滑面，水位线以下条带体积为V，静水压力ΔP作用于条块底面，方向垂直于底面，动水压力ΔF作用于V体形心上，其方向为通过V体形心的流线方向(图3)。

图3中动水压力ΔF的计算公式为

(9)

图3　渗流边坡流网分布

或

(10)

式中，h1，h2为条块两壁水头，m；l为条块宽度，m；l0为条块底面斜长，m；α为条块底面角度，(°)。

通过对冻结过程中静水压力和动水压力的分析可知，当软岩从表层因冻结或重塑胶结形成隔水层之后，边坡内部水源的自由流动端被堵塞，形成了滞水层，如此，边坡坡脚位置承受的水压非常大，无论是静水压力还是动水压力，均在坡脚位置达到最大，因此，易在坡脚位置形成起鼓变形，边坡稳定性受到严重威胁。

4采场软岩边坡稳定性性分析

由图4可知：边坡表面形成隔水层时的稳定系数为1.159，大于无隔水层时的稳定系数(1.194)，可见由于隔水层的形成，使得边坡内部的水无法自由流出，边坡内部的应力结构也随之改变，边坡整体的稳定系数随之降低。

图的稳定性分析结果

由于隔水层的厚度随时间不断发展，随着隔水层厚度的增加，边坡的稳定系数仍会发生改变，对此，本研究对不同厚度隔水层的边坡稳定性进行了分析，结果见图5。

图5　隔水层厚度与边坡稳定系数的关系

由图5可知：①随着隔水层厚度的增大，边坡稳定系数先减小后增大，开始减小主要是由于隔水层形成之后，水的渗透性降低，水压开始增加；②随着隔水层厚度的逐渐增加，渗透系数进一步降低，边坡的稳定系数也不断下降；③当隔水层厚度达到一定程度，其物理力学强度大于一般岩层，隔水层的强度对边坡稳定性起到了较好的提升作用，因此，后半段的边坡稳定系数又表现出增长趋势。

5结语

以我国北方某露天煤矿为例，对露天煤矿边坡特征进行了详细分析，明确了其结构特点和影响因素，并分析了水对于边坡稳定性的影响机理，基于常规边坡静水压力和动水压力的计算模型，分析了边坡表面形成隔水层之后的水压分布规律，并进行了模型对比分析和力学表达式的修正。在此基础上，对软岩边坡表面隔水层形成过程中的稳定性进行了分析，揭示了隔水层对于边坡稳定性的影响规律，对于矿区边坡稳定性研究有一定的借鉴价值。

参考文献

[1]姬长生.我国露天煤矿开采工艺发展状况综述[J].采矿与安全工程学报，2008，25(3)：297-300.

[2]梁冰，白国良，王岩，等.露天开采对地下水的环境效应与风险预测[J].中国矿业大学学报，2007，36(3)：315-319.

[3]韦伟，李怀刚，黄军浩.基于车辆载荷的露天矿道路边坡稳定性分析[J].矿业研究与开发，2014，34(7)：16-19.

[4]任月龙，才庆祥，舒继森.爆破震动及结构面渐进破坏对边坡稳定性影响[J].采矿与安全工程学报，2014，31(3)：435-440.

[5]赵炼恒，罗强，李亮，等.地下水位变化对边坡稳定性影响的上限分析[J].公路交通科技，2010，27(7)：1-7.

[6]林鸿州，于玉贞，李广信，等.降雨特性对土质边坡失稳的影响[J].岩石力学与工程学报，2009，28(1)：198-204.

[7]舒继森，王兴中，周毅勇.岩石边坡中滑动面水压分布假设的改进[J].中国矿业大学学报，2004，33(5)：509-512.

[8]Heok E， Bray J W.岩石边坡工程[M].北京：冶金工业出版社，1983.

(收稿日期2016-05-03)

Analysis of the Water Pressure Distribution and Slope Stability after the Formation of Water-resisting Layer

Zhang Pingkuan

(Beijing Energy Power Logistics Co., Ltd.)

AbstractIn order to study the the water pressure distribution and the stability change rule of the slope after the formation of water-resisting layer, and reveal the variation characteristics of the soft rock slope stability. The water pressure distribution model after the water-resisting layer formed is established based on the mechanics analysis results, and the slope stability change law of the slope is revealed by the numerical simulation method.Taking a soft rock open-pit mine that is located in north of China as research example,the research results show that when water-resisting layer is thin, the slope stability coefficient show out a downward trend;when water-resisting layer is thick, slope stability coefficient show out a trend of small growth.The above research results can provide the reference for the slope stability analysis in mining area.

KeywordsSoft rock slope, Water-resisting layer, Stability, Mechanical analysis, Numerical simulation

张平宽(1973—)，男，高级工程师，高级经济师，010020 内蒙古自治区呼和浩特市。