环境水对边坡工程稳定性的影响研究

孟慧娟

环境水对边坡工程稳定性的影响研究

孟慧娟

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津300250）

在绝大多数的边坡失稳案例中，环境水都以不同形式、不同程度地参与其中，多以降雨入渗为主，也有新建水库蓄水引起的，还有水库快速泄洪引起的。环境水的作用主要体现在降低岩土体的抗剪强度、增加岩土体的重度和产生渗水压力等方面。在不同岩性和不同地质结构、水文地质结构的边坡中，环境水的影响方式和影响程度也是不同的。在工程实际应用中，正确分析出环境水对边坡的影响方式和影响程度，能很好地指导边坡工程的勘测、设计、施工和运行管理。

环境水；边坡；稳定性；诱发作用

地质体的稳定性受其物质条件、结构条件和环境条件的综合影响［1］，所以潜在的滑坡在滑动失稳之前必然处于力学平衡状态，滑动体的滑动同样是因为之前的力学平衡发生了破坏。这种力学平衡的失衡无外乎滑动面上的剪应力增加和抗剪强度的降低两种情况，或二者均存在。地质体的物质条件和结构条件一般是不发生变化的，即使发生变化通常也是由环境条件的变化引起的。潜在的滑坡体环境条件的改变是影响其稳定性的主要条件之一，可以说是环境条件的改变诱发了潜在滑动体的滑动失稳。这种环境条件的改变可以概括为人为因素、地震因素和环境水因素。这里主要讨论环境水的改变对滑动体稳定性的影响。

地下水是一种重要的地质应力，它与岩土体的相互作用，极大地改变了岩土体的物理、化学及力学性质［2］，是地质环境中非常活跃的因素；地表水和地下水存在着水力学联系，可以互相补给，即岩土体中的地下水可以随着其周边的地表水的改变而改变；地下水还可受到工程措施的影响而改变。所以，地下水的变化是控制边坡稳定性关键因素之一。

自然界中水是无处不在的，水总是或多或少地以不同的形式影响着地球表层的岩土体的物理力学性质，从而影响着自然边坡和人为边坡的安全稳定问题。这里所提到的环境水是指边坡岩土体所处地质环境中所有的地表水和地下水。

1　环境水的存在方式

自然界中的水以气态、液态和固态3种形式存在着，对边坡工程的稳定起到影响的只有液态水。液态水按其赋存位置可分为地表水和地下水，其中地下水分布在岩土体中裂（孔）隙中，对岩土体的物理力学性质影响最大。边坡工程周边的地表水在条件成熟时可以入渗岩土体转化为地下水；地表水也可以以动水的形式冲刷岸坡，形成对岸坡侧向或底部的侵蚀，破坏边坡的结构，直接影响到边坡稳定；地表水还可以给边坡施加静水压力，对边坡的稳定性有益，如库岸工程。

2　地下水对岩土体的作用

地下水直接影响到岩土体的物理力学性质，主要体现在以下几方面。

2.1提高岩土体的重度

地下水赋存在岩土体的裂隙或孔隙中，岩土体的重度随着含水率的上升而加大，即γ饱和＞γ湿＞γ干。在边坡工程中，尤其是滑动体重度的增加，其下滑力Wsinα相应地增加，加大了边坡失稳的概率。

2.2降低岩土体的抗剪强度

地下水的存在以及地下水量的变化都会影响到岩土体的物理力学性质，只是不同的成岩（土）矿物对水的敏感程度不同，对岩土体力学性质的影响程度也不同。

（1）岩体。由黏性矿物构成的大多数坚硬岩体和许多的砂质土、砾石的黏结力和摩擦特性不会由于水的存在而有显著变化。但对于黏土类岩石，如泥岩、页岩等，对水具有高度敏感性，表现为泥化现象，岩体质地变软、矿物晶体结构发生改变、抗剪强度显著降低。

流动的水对碳酸盐类的可溶性岩石具有溶蚀作用，在岩体内部形成孔洞，改变了岩体的内部结构。由于地表水的切割作用，该类岩石地区的地形陡峭，边坡破坏形式多以崩塌为主。

（2）土体。土体是由黏土矿物构成的，黏土矿物表面积大、附带有电荷，对水具有高度的吸附力，故受土体中水分的改变影响很大。

土体的抗剪强度分为黏聚力c和摩擦强度σtanφ。黏聚力为土体颗粒间的静电引力、分子力、胶结强度以及吸力的综合作用，对颗粒间含水量的变化非常敏感。其中，静电引力、分子力、颗粒间的胶结强度都随含水量的增高而呈降低的态势。吸力ua-uw存在非饱和土中，为土粒孔隙中气体和液体接触面处的大气压力ua与水压力uw的差值；随着含水量的上升，吸力逐渐增大；到达某个极值后，随着含水量的上升，吸力开始减小；土体饱和时，吸力减小至0。土体的摩擦强度中正压力σ受地下水的影响大。根据有效应力原理（σ'=σ总-uw），孔隙水力的变化直接影响着有效应力的大小，从而影响到土体摩擦强度。土体的内摩擦角φ，主要受土粒的矿物成分、密度、粒径级配和形状等要素的控制，地下水的变化对其影响不大。

2.3对岩体产生浮托力

滑动面通常都是相对隔水层［1］，滑动体中饱水时，地下水将会对土体有浮托力v的作用。这种作用在岩体质边坡中更为明显，因为在散体的滑动体中孔隙发育，这种浮托力易消散。当岩质边坡滑动面上的地下水为承压水时，浮托力显著加大。浮托力明显降低了滑动体作用在滑动面上的正压力，即降低了滑动面的抗剪强度。

浮托力可以通过滑坡面上的钻孔中地下水上升高度（h）求得：

式中：v为环境水的浮托力（N）；ρ为环境水的密度（kg/m3）；g为重力加速度（m/s2）；h为地下水上升高度（m）。

边坡潜在滑动体的安全系数F可用下式求得：

式中：W为滑动体的重量（kN）；α为边坡的倾角（°）；A为滑动面的面积（m2）；tanφ为滑动面摩擦力系数；c为滑动面的黏聚力（kPa）；其他变量含义同上。

2.4产生静水压力或动水压力

滑动体在滑动之前通常在后缘与滑壁之间拉裂形成平行坡面方向上的张性裂缝。在地表水填充裂缝后，将对滑动体产生向坡脚的静水压力，加大滑动体的下滑力，导致滑动体从静止到滑动的产生。这种现象在膨胀土边坡失稳的案例中非常常见。

滑动体中赋存的地下水在重力的作用下，向势能低的方向流动，对滑动体产生动水压力，其滑动方向平行于滑动面，可以理解为渗流因摩擦阻力而受到的水头损失。动水压力的计算公式为：

式中：D为动水压力（kN）；J为水力比降；rw为水的重度（kN）；v为渗流段岩土的体积（m3）。

动水压力加大了滑动体的下滑力，是诱发边坡工程发生失稳破坏的因素之一。

2.5发挥润滑作用

滑动面上的地下水还能起到一定的润滑作用，降低滑动体和滑床之间摩擦阻力。这种作用能诱发边坡工程滑动失稳，并使滑动体滑动得更远，加剧边坡工程滑动破坏程度。

3　边坡岩土体的水文地质结构

边坡由不同的物质成分和不同结构的岩土体组成，这决定着岩土体内部渗透性的差异性；岩土体可分为相对透水层、相对隔水层，构成了岩土体的水文地质结构。不同的水文地质结构受地下水改变的影响方式和影响程度也不尽相同，对边坡稳定性影响各异。所以，搞清楚边坡岩土体尤其是岩性、结构复杂的边坡工程水文地质结构至关重要。

边坡工程岩土体的水文地质结构可以分为潜水型、层间水型和承压水型［3］。

3.1潜水型

当边坡岩土体为渗透性较好的松散堆积体时，地下水有统一的水面；滑动面通常渗透性相对较弱，为相对隔水层。这种类型为潜水型水文地质结构，地下水对岩土体只有浮托力，并不产生静水压力或动水压力。

3.2层间水型

当滑动面上部岩土体中还存在有一个或多个相对隔水层时，不管其连续性如何，就能使得岩土体中的地下水呈层状分布。这种层状分布的水体在滑坡体下端出露良好，即为层间水型。

潜水型和层间水型的水文地质结构的岩土体边坡，对地下水的敏感性主要表现在其物理力学性质改变上。这种改变是个逐渐变化的过程，多在长时间降雨后、地下水长时间浸泡情况下诱发边坡失稳破坏，为久雨型诱发破坏。

3.3承压水型

层状分布的水体在滑坡体下端无出露或出露不良，则为承压水型。

承压水型的水文地质结构岩土体边坡易发生暴雨诱发滑坡，主要是因为暴雨的入渗，岩土体地下水位快速上升，增加了承压力。这种承压力就对滑动体产生较大的托举力，减低了滑动体的有效重度，诱使潜在滑动体失稳，为突雨型诱发破坏。

4　地表水对边坡稳定性的影响

地表水可分为静水和动水，分别对边坡工程有着不同的作用方式，产生不同的作用效果。

4.1静止地表水对边坡工程的影响

这种现象在库岸工程最为常见。库水对库岸边坡产生静水压力，方向垂直于库岸。这种静水压力可以分解垂直于滑动面的分力，加大滑动面上的正压力，即增加滑动面上摩擦阻力，提高库岸工程的稳定性。

4.2流动地表水对边坡工程的影响

这种作用方式在河岸工程最为常见，流水对边坡工程产生平行于坡面的冲刷、掏空作用。而这种冲刷、掏空作用都发生在坡脚处；被侵蚀到一定程度后，坡脚处岩土体就形成凌空状态，边坡就失去了坡脚的支撑，产生牵引式破坏或倾覆式破坏。

5　库水位上升或下降对边坡的影响

5.1库水位上升对边坡的影响

新建水库开始蓄水过程中，地表水开始补给地下水，其产生的动水压力指向岸坡，对岸坡的稳定性是有利的；地下水位上升，岩土体开始浸湿直到饱和。对边坡岩土体的影响主要表现在增加岩土体的重度和降低岩土的抗剪强度方面。

5.2库水位快速下降对边坡的影响

库水位的下降首先是不再对库岸产生静水压力作用，静水压力对库岸稳定性有益贡献不再存在。

再者，库水位的下降势必会产生地下水补给库水的现象，这就会在岸坡的岩土体中产生动水压力。库水位下降速率越大，地下水响应滞后就越显著；地下水位线形态整体越陡，水力比降就越大；对滑坡体作用的动水压力越大，对其稳定性影响就越不利［4］。

6　边坡工程勘察和运行针对环境水的重点及处理措施

6.1边坡工程勘察和运行针对环境水的重点

在边坡工程的前期勘察、施工和后期的运行过程中，都要针对环境水诱发作用有所重视和采取相应的处理措施。笔者认为采取措施的重点就是尽可能地保持环境水不改变或放缓改变的速率。

收集工程场区的气象条件和水环境资料，弄清环境水变化的原因、类型和强度。勘察要查明边坡岩土体的水文地质结构，分清地下水储存、补给和排泄条件以及地下水对潜在滑动体的影响方式；查明滑动带岩土体对地下水的敏感性，和饱水后岩土体的物理力学性质的改变。对新建水库，须做好库岸稳定性的调查，做好库水上升对环境的影响；对库岸所处的地貌、构造、地质条件、水文条件做出详细调查；并预测施工期和运行期失稳的可能性、失稳模式和机制，分析其危害性，并提出加固处理措施的建议。

6.2工程处理措施

（1）在边坡工程潜在的滑动体外侧布设排水沟，将地表水引开，减少地表水的入渗，便可减小地下水量上升对边坡工程岩土体的影响。

（2）在边坡工程岩土体中布设排水通道，将地下水引出，能有效地提高岩土体的抗剪强度和降低地下水的浮托力。

（3）在新开挖形成边坡的坡面挂网喷击混凝土，能阻止雨水的入渗，还能及时封闭岩体，阻止岩体风化作用的深入。这种方式对提高边坡的稳定性作用重大。

（4）水库泄洪时，必须控制水面下降速率，保证库岸地下水能及时排出，降低地下水的水力梯度就能降低地下水动力。

7　结语

地质体的物质和结构条件是影响其稳定性的内因，也是决定性因素；地质体所处的地质环境的改变是影响地质体稳定性的外因，能改变地质体的物理力学性质，诱使稳定性受到破坏。环境水就是地质体的地质环境中非常活跃的因素，其作用主要变现为：软化岩土体，降低其抗剪强度；增加岩土体的重度，加大岩土体的下滑力；使静水压力和动水压力上升，降低岩土体的有效应力，增加岩土体的下滑力。

［1］徐卫亚.边坡及滑坡环境岩石力学与工程研究［M］.北京：中国环境科学出版社，2000.

［2］陈仲颐，周景星，王洪瑾.土力学［M］.北京：清华大学出版社，1994.

［3］徐卫亚，谢守益.降雨诱发滑坡机制研究［J］.武汉水利电力大学学报，1999（1）：21-24.

［4］柳群义，朱自强，何现启，等.水位涨落对库岸滑坡孔隙水压力影响的非饱和渗流分析［J］.岩土力学，2008（11）：85-89.

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1004-7328（2016）04-0050-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2016.04.016

2016—03—05

孟慧娟（1987—），女，工程师，主要从事水利工程设计工作。