水力作用下近水平边坡变形力学机制分析

周晓宇 向章波 范志军 周治平 刘 明

(中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074)



水力作用下近水平边坡变形力学机制分析

周晓宇 向章波 范志军 周治平 刘 明

(中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074)

通过分析斜坡的水力作用，建立了出水口未被堵塞和出水口堵塞两种水力学模型，探讨了在水力作用影响下斜坡稳定性变化规律，推导出出水口堵塞前后安全系数Fs表达式，研究表明，当斜坡出水口被堵塞后，前缘岩土体安全系数降低幅度较大，后缘岩土体安全系数变化较小；出水口堵塞后，当斜坡体形态适当，斜坡前缘失稳概率较大，容易发生牵引式变形破坏。

斜坡，水力作用，稳定性，变形破坏

岩质边坡普遍存在，天然状态下，此种边坡由于岩层倾角小于层面内摩擦角，边坡在自然条件下仍能保持稳定状态，即使有工程活动影响边坡也不会发生破坏，但在地下水作用影响下发生变形破坏，具有突发性和隐蔽性。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的活动有关[1,2]。

1 斜坡体力学模型

水对边坡的静水压力作用。坡体内水位高于滑面时，对滑面以上岩土体产生静水压力；同时岩质边坡张拉裂隙内充水时也会对岩土体产生静水压力。在静水压力下，边坡稳定性下降，发生破坏。在工程活动中，容易把前缘岩土体中的排水通道堵塞，使前缘岩土体内水位升高，从而改变斜坡的水力性质。为了有效分析解决类似问题，建立出水口未被堵塞和堵塞2种水力模型进行分析。出水口未被堵塞水力模型如图1所示。

工程实例中，斜坡前缘水位并不与剪出口保持在同一高程上，而是高于剪出口。基于此，提出滑体底部静水压力呈现梯形分布。当a无限小时即为三角形分布。图1中N为滑体底部的等效静水压力，F为坡体后缘裂隙中充水后的等效静水压力，其值分别为:

(1)

其中，N为水对滑体底部的静水压力；γw为水重度；a为前缘水头距离滑面高度；b为后缘水头距离滑面高度；L为滑面长度；α为滑面倾角；F为后缘裂隙中的静水压力。

坡体前缘出水通道容易被改变，当斜坡前缘出水口被堵塞时，堵塞部分水位会逐渐升高，从而导致静水压力的改变。斜坡前缘出水口被堵塞时的水力模型如图2所示。

出水口被堵塞时，斜坡静水压力值也会随之改变，静水压力值会随着水位变化对斜坡的影响范围l的变化而变化，堵塞后的静水压力值为：

(2)

其中，a*为出水口堵塞后前缘水头距离滑面高度；b为出水口堵塞后后缘水头距离滑面高度；L为滑面长度；l为出水口堵塞后水位变化影响的滑面长度(0≤l≤L)；c为出水口堵塞后水位变化的上限水头距离滑面距离(水位未变化的下限水头)。

2 边坡失稳及稳定性分析[7]

设滑体自重W，张裂缝中的静水压力F，岩层面上的静水压力N和动水压力T，岩层面的长度为L，岩层倾角为α，滑面粘聚力为c，摩擦角为φ，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X和下滑力Y分别为：

(3)

边坡在重力作用下的稳定性系数Fs可表示为：

(4)

考虑水力作用下边坡稳定性系数：

(5)

出水口未被堵塞时斜坡安全系数：

(6)

考虑出水口被堵塞的情况：

(7)

3 力学模型分析

斜坡在水力作用下改变斜坡安全系数，影响斜坡稳定。当L趋近于0时，斜坡的力学模型如图3所示，只考虑重力、静水压力和动水压力作用，则可建立出水口堵塞前后滑面各部位安全系数Fs表达式:

(8)

通过对斜坡体进行无限切割，分成若干单元体，对各单元体进行稳定性分析可以得出出水口堵塞前后滑面各部位的安全系数值变化情况，如图4所示。

由此可以得出，当前缘岩土体中出水口被堵塞后，安全系数的变化受到水位变化影响，当水位变化影响区域l≤L时，后缘岩土体受前缘水位变化影响较小，前缘岩土体受到影响较大，安全系数降低幅度较大，影响程度与水位上升高度有关。

4 工程应用

以某边坡为例。该斜坡基岩出露，该边坡在人工开挖切坡后，造成前缘排水系统出水口被堵塞，斜坡前缘岩土体变形破坏速度较后缘岩土体快，前缘岩土体变形速率是后缘岩土体的10倍，分析可知该斜坡沿着基岩面发生牵引式顺层滑动，滑面平整，滑体厚度3 m～18 m不等，如图5所示。

设岩体天然重度γw=26.46 kg/m3，饱和重度γw=26.66 kg/m3，裂隙水距离滑面距离b=9 m，前缘剪出口水位距离滑面a=1 m，岩层倾角α=9°。同时，滑带的抗剪强度参数为：粘聚力c=15.6 kPa，内摩擦角φ=9.2°；饱和状态下粘聚力c=12.6 kPa，内摩擦角φ=7.2°，滑面长度L=180 m，滑体厚度H=12 m，a=1 m≤a*≤12 m，0≤l≤100 m。根据实际情况，建立如图6所示的计算模型。

通过图7～图12分析得知，工程施工影响，堵塞斜坡自然排水，地下水位上升，影响斜坡稳定。水位上升前缘岩土稳定系数降低幅度大，发生变形破坏，进而影响后缘岩土稳定，斜坡易发生牵引式破坏。

5 结语

1)推导出斜坡安全系数与出水口堵塞后水位上升之间的函数表达式，斜坡前缘岩土体安全系数对出水口堵塞表现敏感。

2)出水口被堵塞后，主要影响前缘岩土稳定，使前缘岩土体安全系数降低，当斜坡形态适当，易引发牵引式破坏，出水口堵塞对后缘岩土体稳定性影响较小。

3)水力作用对斜坡体稳定性至关重要，静水压力、动水压力对岩土体稳定起主导作用，同时，水的软化作用也是引起岩土体力学性质变化的重要因素。

4)通过实例运用分析，当前缘出水口堵塞后，前缘岩土体安全系数会降低50%～80%，所以斜坡水路系统对于边坡稳定至关重要，在工程施工中要注意保护斜坡固有排水系统。

[1] 张作辰.滑坡地下水作用研究与防治工程实践[J].工程地质学报，1996,4(4):80-85.

[2] 汤 平,李 刚,徐卫军.水及开挖卸荷对岩质边坡稳定性影响分析[J].岩土力学,2005,26(S2):21-24.

[3] 夏开宗，陈从新，鲁祖德,等.考虑水力作用的顺层岩质边坡稳定性图解分析[J].岩土力学,2014,35(10):2986-2987.

[4] 陈碧君,曾 静,艾东海.蠕变三轴仪的改装与验证[J].土工基础,2012(3):95-97.

[5] 何满潮.直剪试验中的有效面积校正[J].露天开采,1986(2):16-19.

[6] 刘海波,张丽华,林大超,等.直剪试验有效剪切面积动态变化的改进计算[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2010,26(3):503-506.

[7] 谭龙金，张海娜，盛韩微，等.水力作用下缓倾顺层岩质边坡滑移破坏机制分析[J].长江科学院院报,2014,31(9):49-50.

Mechanics failure of nearly horizontal slope due to hydraulic pressure

Zhou Xiaoyu Xiang Zhangbo Fan Zhijun Zhou Zhiping Liu Ming

(CollegeofEngineering,ChinaUniversityofGeosciences(Wuhan),Wuhan430074,China)

By the analysis of the hydraulic effect on slope, the hydraulic pressure model of slope in both cases that the outflow seam is blocked or not are established. Analysising the slope stability under the influence of hydraulic effection,Fs, the safety coefficient expression, is deduced in both cases that the outflow seam is blocked or not are established. It is show that when the slope outlet is blocked, safety coefficient of front slope mass reduction is bigger than trailing edge. When the slope body form is appropriate, the front of slope is instability probability bigger than trailing edge after the outlet is plug. The pull-type deformation damage is likely to occur.

slope, hydraulic action, stability, deformation and failure

1009-6825(2016)18-0061-03

2016-04-20

周晓宇(1990- )，男，在读硕士

TU443

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