劉平軍

(貴州交通巖土工程有限責任公司　貴陽　550081)

降雨條件下順層巖質邊坡破壞模式及穩(wěn)定性研究

劉平軍

(貴州交通巖土工程有限責任公司貴陽550081)

摘要在降雨入滲過程中，順層巖質邊坡后緣張裂隙的充水高度應由匯入流量與地下水在層面滲流時的滲流量所共同決定。通過分析降雨作用下順層巖質邊坡的滑移-拉裂破壞模式，建立了地下水滲流量與匯入流量和張裂隙充水量之間的關系，并推導了邊坡穩(wěn)定性系數與降雨強度的計算公式，編制了相應的計算程序。并以某高速公路路塹邊坡為例，與不考慮層面滲流量的方法進行對比分析。結果表明，文中方法能夠較好地反映邊坡穩(wěn)定性隨降雨強度而變化的程度。

關鍵詞地下水順層巖質邊坡破壞模式穩(wěn)定性計算

順層巖質邊坡是交通、礦山、水電等工程領域中經常出現的邊坡地質體，對其破壞機理及穩(wěn)定性的分析也一直是研究的熱點問題。順層巖質邊坡是指邊坡的巖層傾向于斜坡面，且傾斜方向一致或接近的邊坡。降雨是造成順層邊坡破壞的主要誘發(fā)因素之一，不同的降雨量和降雨持時對邊坡的穩(wěn)定性會有不同程度的影響，主要有以下幾個方面：①降雨入滲后增加了巖體的重量，導致坡體的下滑力增加；②降雨入滲后沿坡面方面的滲流及在裂隙中形成的靜水壓力會增加邊坡的下滑力；③水對巖體有一定的軟化作用，會降低巖體及結構面的強度，致使抗滑力減小。

目前，對于降雨作用下的順層巖質邊坡穩(wěn)定性問題一些學者進行了一定的研究。劉玉梅[1]推導了后緣張裂型順層巖質邊坡在地下水作用下的穩(wěn)定系數計算公式；劉才華[2]認為后緣張裂型順層巖質邊坡在降雨過程中，裂隙的充水高度與后緣的匯入流量正相關，并推導了降雨強度和張裂隙充水高度之間的計算公式。在實際的降雨入滲過程中，后緣張裂隙的充水高度不僅取決于匯入流量，而且還應考慮地下水在層面滲流時的滲流量?；诖?，本文首先分析降雨作用下順層巖質邊坡的滑移-拉裂破壞模式，然后建立了地下水滲流量與匯入流量和張裂隙充水量之間的關系，繼而推導了邊坡穩(wěn)定性系數與降雨強度的計算公式，通過編制相應的計算程序以某高速公路路塹邊坡為例，對比分析本文方法與不考慮層面滲流量之間的結果。

1降雨作用下順層巖質邊坡的破壞模式

大量的邊坡實例[3-5]表明，降雨對邊坡的穩(wěn)定性有至關重要的作用。降雨作用下順層巖質邊坡的平面破壞形式根據其變形破壞的力學機制可分為2種地質力學模式：滑移-拉裂型與滑移-彎曲型。

滑移-拉裂型邊坡的變形破壞主要發(fā)生在邊坡已形成后緣拉裂縫、傾角不大于30°的中等傾角順層巖質邊坡中。邊坡由于開挖等因素使得坡體初始應力狀態(tài)發(fā)生改變，坡頂一定范圍內會產生卸荷裂隙。在降雨過程中，雨水會匯入卸荷裂隙中，繼而產生靜水壓力，使得卸荷裂隙進一步向下擴展，當擴展到一定程度時，與層面形成完整的滲流系統?；麦w內的地下水使得坡體中力學性質裂化，進而當滲流層面的抗剪強度小于坡體剪切應力時，斜坡巖體將沿滲流層面向臨空面方向滑動，并使滑移體拉裂解體，見圖1。根據極限平衡原理，可以計算順層巖質邊坡巖層失穩(wěn)橫向極限長度，由此進行順層推力計算，詳細計算過程見相關研究[6-7]。

圖1　滑移-拉裂破壞模式[8]

2降雨作用下順層巖質邊坡的穩(wěn)定性分析

巖質邊坡水力學理論是基于土質邊坡水力學，并繼承了土質邊坡水力學的一般規(guī)律。但由于巖質邊坡的地質結構與土質邊坡截然不同，地下水在二者中的賦存環(huán)境差異很大，這就決定了地下水對巖質邊坡的水力學作用方式及邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律有別于土質邊坡。

圖2為具有后緣張裂隙的典型巖質邊坡，在降雨初期，后緣張裂隙中匯入的地表水首先會沿著層面滲流，最終表現為作用在層面沿滲徑方向的面力，即拖曳力。隨著降雨的繼續(xù)，張裂隙中的裂隙水量大于層面的滲流量，繼而產生靜水壓力，包括后緣張裂隙靜水壓力和層面上的揚壓力。

巖質邊坡中層面內的滲流，不考慮地下水流動時的慣性力，地下水產生滲透壓力最終轉化為作用在巖層上下壁面上的拖曳力，由靜力平衡方程可得拖曳力為

(1)

式中：b為結構面寬度;γw為水的重度;I為沿滲流方向的水力梯度。

圖2　滑移-拉裂型邊坡穩(wěn)定性分析模型

由于巖層上下面的物理力學特征相似，在邊坡穩(wěn)定性分析中，取地下水滲流對層面上部巖體的拖曳力為總拖曳力的一半，則地下水滲流對層面上部巖體的拖曳力t為

(2)

由巖體水力學理論可知，圖2所示順層邊坡地下水在層面中滲流時的流量為

(3)

式中：k為層面滲透系數;b為層面寬度。

張裂隙匯流量可按如下公式計算[9]

(4)

式中：ψ為徑流系數;q為降雨強度;A為匯水面積。

在降雨入滲的整個過程中，張裂隙中的總匯流量應等于層面的滲流量和張裂隙內剩余流量之和，即Q0=Q+hwbd

(5)

式中：d為裂隙寬度。

則，張裂隙內充水高度hw為

(6)

根據圖2所示的穩(wěn)定性分析模型，作用在潛在滑體上的力有：滑體自重為W、后緣垂直張裂隙靜水壓力為p1、滑動面孔隙水揚壓力為p2和拖曳力為D、滑面傾角為α、滑面長度為l、后緣張裂隙充水高度為hw。

后緣張裂隙充水后，后緣垂直張裂隙靜水壓力p1為

(7)

層面上的揚壓力沿層面法向作用，揚壓力p2為

(8)

結構面的拖曳力沿滑動方向向下作用，增加了邊坡的下滑力D，由式(8)可知其表達式為

(9)

根據沿滑動方向的極限平衡關系式，可得邊坡穩(wěn)定性系數Fs為

(10)

3工程應用

3.1　工程概況

滑坡地點位于杭瑞高速公路(貴州境內遵義—畢節(jié)19合同段)YK1724+620～YK1724+733，該邊坡為硬巖順向坡，巖性為二疊系下統茅口組(P1m)灰?guī)r，滑坡前緣為褐黃色粉質粘土?；麦w內發(fā)育一逆斷層F1，寬2～3 m，沿滑坡左側后緣于YK1724+730處穿過軸線，斷層產狀為60°∠80°，其上盤巖層產狀為130°∠28°,下盤巖層產狀為150°∠20°。邊坡先后進行了2次開挖，開挖期間因連續(xù)多次暴雨，滑坡體后緣與母巖產生脫離，后緣產生大裂縫，裂縫寬10 m，深8 m，傾角85°,現滑坡處于蠕動狀態(tài)，仍在繼續(xù)向路線方向滑移,工程地質剖面圖見圖3。

圖3　A-A′剖面圖

3.2　計算模型及參數

滑坡計算模型見圖4，計算參數如下：滑動層面天然粘聚力c=15 kPa，天然內摩擦角φ=16°；飽和粘聚力c′=12 kPa，飽和內摩擦角φ′=13°。滑面長度l1，l2=27 m、42 m，寬度b為1.3 cm，滲透系數k為1.53 m/s，張裂隙橫向匯流寬度9.25 m，徑流系數ψ= 0.6，滑坡發(fā)生的暴雨強度q=9.4 mm/h。

圖4　滑坡計算模型

3.3　穩(wěn)定性計算結果分析

該滑坡屬中型-牽引式-順層巖質滑坡，局部層間夾軟弱層，后緣有一逆斷層通過，受斷層影響，其附近巖體較破碎，巖溶較發(fā)育。邊坡前緣進行開挖坡腳后，破壞了原坡體的平衡條件，加之近期連續(xù)降雨，導致坡體內巖土物理力學性質變差，從而形成大規(guī)模變形。

根據計算式(10)，編制相應的穩(wěn)定性計算程序。以降雨強度為變量計算得到不同降雨強度下的邊坡穩(wěn)定性情況，見圖5。

圖5　不同降雨強度與邊坡穩(wěn)定性關系曲線圖

由圖5可見，邊坡的穩(wěn)定性隨著降雨強度的增加而降低，具體來說，在小雨至中雨階段邊坡的穩(wěn)定性成指數形降低，在中雨至大雨階段，邊坡穩(wěn)定性變化趨勢成線性，在大雨至暴雨階段，邊坡穩(wěn)定性處于臨界狀態(tài)。邊坡2次開挖均有降雨，第1次開挖時，邊坡有一定程度的變形，1 h降雨強度約為q=8.4 mm/h，對應圖5的穩(wěn)定性系數可知，其值接近于極限平衡值，處于潛在不穩(wěn)定狀態(tài)；第2次開挖時，滑坡發(fā)生的1 h降雨強度為q=9.6 mm/h，對應圖5的穩(wěn)定性系數小于1，屬于不穩(wěn)定性狀態(tài)。本文的穩(wěn)定性計算公式能較正確地反映邊坡隨降雨強度而變化的程度。

同一降雨強度下，對比分析考慮與不考慮層面滲流量的邊坡穩(wěn)定性情況，見表1。

表1　不同降雨強度下2種方法的穩(wěn)定性系數值

由表1可見，在降雨強度為8 mm/h時，本文方法的穩(wěn)定性系數為1.30，不考慮層面滲流的計算結果為1.13；在滑坡發(fā)生的降雨強度為9.6 mm/h時，本文方法的穩(wěn)定性系數為0.92，而不考慮層面滲流的計算結果為0.79。由此說明，不考慮層面滲流的穩(wěn)定性系數普遍較本文方法有所減小，主要原因在于不考慮層面滲流時，其張裂隙的充水高度比本文方法的充水高度要高，所提供的下滑力較大所致。因此，考慮層面滲流的穩(wěn)定性計算公式能夠較真實地反應邊坡實際的穩(wěn)定性情況。

4結論

(1) 計算順層邊坡后緣拉裂縫的充水高度時，不僅需要考慮匯入流量，而且還應考慮地下水在層面滲流時的滲流量。通過與不考慮層面滲流量的計算結果對比可以看出，本文方法更符合實際情況。

(2) 通過分析邊坡穩(wěn)定性系數與坡體內水力情況的關系，給出了以降雨強度考慮邊坡穩(wěn)定性情況的依據，具有一定的工程應用價值。

參考文獻

[1]劉玉梅,楊振凱.飽水巖體邊坡抗滑穩(wěn)定系數計算[J].巖土力學,2003,24(S):329-331.

[2]劉才華,徐健,曹傳林,等.巖質邊坡水力驅動型順層滑移破壞機制分析[J].巖石力學與工程學報,2005,24(19):3529-3533.

[3]何滿朝,姚愛軍,鹿粗.邊坡巖體水力學作用的研究[J].巖石力學與工程學報,1998,17(6):662-666.

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[5]何滿朝,姚愛軍,鹿粗.邊坡巖體水力學作用的研究[J].巖石力學與工程學報,1998,17(6):662-666.

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[7]馮君,周德培,江南,等.順層巖質邊坡順層滑動巖體范圍分析[J].山地學報, 2007,25(3):376-379.

[8]張倬元,王士天,王蘭生.工程地質分析原理[M].北京：地質出版社,1994.

[9]JT J018-97公路排水設計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社， 1997.

Study on the Bedding Rock Slope Failure Mode and Stability Under the Condition of Rainfall

LiuPingjun

(Guizhou Transportation Geotechnical Engineering Co.,Ltd., Guiyang 550081, China)

Abstract：In the actual process of rainfall infiltration, the water filling height of bedding rock slope trailing edge tension fissure should be decided by import flow and seepage flow when underground water in the level of seepage. Through analyzing the sliding-tension failure mode of bedding rock slope under the condition of rainfall, we established the relationship between the groundwater seepage, import flow and the tension fissure filling water., A formula to calculate the coefficient of stability of slope and rainfall intensity was derived. The corresponding calculation program was compiled. We comparatively analyzed considering the level seepage flow method or not considering the level seepage flow method based on highway cutting slope. Results show that this method can better reflect the slope stability varies with rainfall intensity degree.

Key words:underground water； bedding rock slope； failure mode；stability calculation