鄭尚濤

（鷹潭市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，江西鷹潭335000）

0 引言

許多研究及統(tǒng)計(jì)資料表明，影響庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性失穩(wěn)破壞的重要因素是地下水。地下水的滲流作用會(huì)影響邊坡內(nèi)的滲流場(chǎng)變化，并隨之影響岸坡的穩(wěn)定性[1-3]。

在砂泥巖互層的順層巖質(zhì)邊坡中，由于砂巖和泥巖的物理力學(xué)性質(zhì)有很大的區(qū)別，很多資料表明，砂巖的強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于泥巖，通常情況下，泥巖遇水極易發(fā)生軟化作用，因此，對(duì)于這種軟硬互層的砂泥巖巖質(zhì)邊坡，滑移破壞也是一種常見的破壞形式[4]。

坡體沿著層面發(fā)生平面滑移的破壞形式為平面滑動(dòng)，在順層巖質(zhì)邊坡中是最為常見的一種破壞形式。在軟硬互層的砂泥巖巖質(zhì)邊坡中，泥巖容易遇水發(fā)生軟化作用，泥巖軟化后其抗剪強(qiáng)度將會(huì)降低，上部巖體在自重作用下，當(dāng)軟弱層面的抗剪力小于下滑力時(shí)，上部巖體將會(huì)沿著該軟弱層面發(fā)生平面滑移破壞[5]。

通過對(duì)傳統(tǒng)的裂隙水壓力分布進(jìn)行討論，提出了新的裂隙水壓力分布方法，將其運(yùn)用到砂泥巖互層的庫(kù)岸巖質(zhì)邊坡中。

1 未考慮裂隙水壓力

砂泥巖軟弱互層的巖質(zhì)邊坡，在庫(kù)水降雨等干濕循環(huán)作用下，除了泥巖遇水軟化發(fā)生崩塌外，坡體還有可能因砂巖層面的傾角而發(fā)生順層滑移失穩(wěn)，圖1為滑移穩(wěn)定性分析簡(jiǎn)圖。

圖1 砂巖滑移穩(wěn)定性分析簡(jiǎn)圖

在順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析中，坡體受到重力作用，當(dāng)抗滑力不足以抵抗下滑力時(shí)，坡體發(fā)生失穩(wěn)破壞，可以用抗滑力與下滑力的比值KS表示坡體安全系數(shù)，其計(jì)算式為：

其中：

式（1）～（2）中：FA——為抗滑力；FS——為下滑力；φ——為滑移面的內(nèi)摩擦角；c——為滑移面的黏聚力；G——為砂巖自重；τ——為滑移面的抗剪強(qiáng)度；dd——泥巖的崩解深度，即砂巖的懸空深度；dw——原風(fēng)化深度。

將式(1)和式（2）相結(jié)合，則：

從式（3）可以看出，巖層厚度越大，砂巖發(fā)生滑移的安全系數(shù)越小；巖層層面的傾角越大，砂巖發(fā)生滑移的安全系數(shù)也越??；滑移面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)c，φ越大，砂巖發(fā)生滑移的安全系數(shù)越大。

2 考慮裂隙水壓力

在砂泥巖互層的巖質(zhì)邊坡中，水是影響坡體穩(wěn)定性的一個(gè)重要的因素。泥巖一定的干濕循環(huán)次數(shù)之后，將會(huì)發(fā)生崩解，砂巖在一定的干濕循環(huán)作用下也會(huì)產(chǎn)生張拉裂縫進(jìn)而發(fā)生崩塌，而砂泥巖結(jié)構(gòu)面也會(huì)因含水率的增加其抗剪強(qiáng)度降低，從而上部砂巖由于重力的作用發(fā)生順層滑移。

Hoek和Bray[6]考慮水力作用，建立邊坡穩(wěn)定性分析模型，見圖2。

圖2 分析力學(xué)模型

圖2中，硬巖層為砂巖層，軟巖層為泥巖層，滑坡有后緣裂縫，雨水從后緣裂縫中滲入，當(dāng)發(fā)生強(qiáng)降雨時(shí)，邊坡的后緣裂縫和潛在滑移面都會(huì)產(chǎn)生水壓力，水壓力分別為：張拉裂縫靜水壓力T1、潛在滑移面揚(yáng)壓力T2和動(dòng)水壓力D，其計(jì)算式分別為：

式（4）～（6）中：γW——為水的容重；l——為滑動(dòng)面長(zhǎng)度；Z——后緣張裂縫充水高度；b——滑動(dòng)面的層面開度；n——滑動(dòng)面上巖土體的給水度。

坡體受到重力和水壓力作用，穩(wěn)定性系數(shù)FS計(jì)算式為：

式（8）中：W——上覆巖土體重力；T——抗滑力；R——下滑力；c——黏聚力；φ——內(nèi)摩擦角。

在Hoek的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析中，裂隙常分為潛滑裂隙和張開裂隙兩部分，張開裂隙為垂直于地表的裂隙，而滑移裂隙為傾斜滑移面的裂隙。如圖3所示，傳統(tǒng)的裂隙水壓力分布中，張開裂隙的水壓力分布為線性分布，從上到下依次增大，潛滑裂隙中水壓力從下端出口到上端依次增大，潛滑裂隙上端的靜水壓力與張拉裂隙下端的靜水壓力相等。

圖3 傳統(tǒng)裂隙水壓力分布規(guī)律

如果在裂隙巖體中，按照傳統(tǒng)的水壓力分布規(guī)律考慮，這在理論上是無法解釋的。在張拉裂隙中，如果計(jì)算水壓力，則坡體的下滑力增加，抗滑力減小，因此坡體的安全系數(shù)減小。而在實(shí)際工程中，裂隙不一定貫通，水壓力也不一定照此分布，對(duì)于水壓力的計(jì)算錯(cuò)誤，勢(shì)必會(huì)使安全系數(shù)的計(jì)算產(chǎn)生誤差。

圖4 地下水位低于垂直張拉裂隙下端

對(duì)于具有張拉裂隙的巖體，如圖4所示，當(dāng)?shù)叵滤坏陀趶埨芽p下端時(shí)，則張拉裂縫的水位為零，其水壓也為零。但是如果按照傳統(tǒng)水壓力分布形式分析，則潛滑裂隙AD中的水壓力也為零，這與事實(shí)是不符的，而按照傳統(tǒng)的方法計(jì)算坡體穩(wěn)定性時(shí)是偏于危險(xiǎn)的[7-10]。

無充填裂隙的巖質(zhì)邊坡中水壓力既有靜水壓力因素，也含有因水的流動(dòng)而產(chǎn)生的動(dòng)水壓力因素，而對(duì)裂隙的不同貫穿情況其水壓力分布也將不同。

1）水壓力分布a：對(duì)于具有充分泄水能力的巖體裂隙，即巖體裂隙下端的泄水能力大于張拉裂隙上端補(bǔ)水能力的情形，裂隙中不會(huì)形成穩(wěn)定的水位，因此在坡體穩(wěn)定性分析時(shí)可不考慮水壓力作用。

2）水壓力分布b：對(duì)于潛滑裂隙下端具有較大的泄水速度，但泄水能力不大于張拉裂隙上端補(bǔ)給能力，即在裂隙中保持有穩(wěn)定水位的情形，鑒于水面與泄水口出的水壓力均為零，宜取裂隙全高的中點(diǎn)處為水壓力最大點(diǎn)，其水壓力的大小按靜水壓力計(jì)算方法計(jì)算，其水壓力分布如圖5所示。

圖5 潛滑裂隙下端水壓力圖

當(dāng)坡體的水壓力為分布形式b時(shí)，此時(shí)張拉裂縫靜水壓力、潛在滑移面揚(yáng)壓力和動(dòng)水壓力的計(jì)算式分別為：

式（9）～（11）中：h——為潛滑裂隙的豎直高度，即AD兩點(diǎn)之間的豎直高度。

則坡體安全系數(shù)Fsb計(jì)算式為：

當(dāng)坡體的水壓力為分布形式c時(shí)，此時(shí)張拉裂縫靜水壓力、潛在滑移面揚(yáng)壓力和動(dòng)水壓力的計(jì)算式分別為：

則坡體安全系數(shù)Fsc計(jì)算式為：

3 工程案例分析

某庫(kù)岸在水庫(kù)蓄水、大氣降雨等不利因素作用下，處于欠穩(wěn)定～不穩(wěn)定狀態(tài)，可能產(chǎn)生滑移型、剝蝕侵蝕型庫(kù)岸，易產(chǎn)生塌岸破壞。因此，開展該段庫(kù)岸的治理工作十分必要。對(duì)研究區(qū)勘察資料進(jìn)行整理，選取庫(kù)岸邊坡的某個(gè)典型斷面進(jìn)行分析，對(duì)坡面進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。該庫(kù)岸邊坡為典型的砂泥巖互層邊坡，坡體從上到下依次為為粉質(zhì)黏土層、砂巖層、泥巖層和砂質(zhì)基巖層。

3.1 不考慮裂隙水壓力作用

當(dāng)不考慮裂隙水壓力分布時(shí)，參照Hoek所提出的順層巖質(zhì)邊坡計(jì)算方法，根據(jù)式（3）分析該砂泥巖互層邊坡的滑移穩(wěn)定性。假定滑移面為上部砂巖和泥巖接觸面，式（3）中表明，坡體穩(wěn)定性與巖層重度、巖層厚度、巖層傾角、滑移面黏聚力、滑移面內(nèi)摩擦角和滑移面的長(zhǎng)度有關(guān)?，F(xiàn)場(chǎng)勘探及鉆孔資料顯示，泥巖厚度為20～100 cm，砂巖厚度為10～150 cm，依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)以及規(guī)范[11]，對(duì)巖土體相關(guān)物理參數(shù)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)取值，表1為坡體相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)。

表1 坡體相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)

當(dāng)不考慮裂隙水壓力分布時(shí)，將式（3）簡(jiǎn)化得到坡體穩(wěn)定性計(jì)算式為：

式（17）中：W——為滑移面上部砂巖巖層和粉質(zhì)黏土的重力。將表1中的數(shù)據(jù)帶入式（17）中，得到坡體的安全系數(shù)為2.597。

3.2 考慮裂隙水壓力作用

根據(jù)上述對(duì)裂隙水壓力分布形式的分析，不采用Hoek所提出的水壓力分布形式，地勘資料表明，坡體上部尚未發(fā)現(xiàn)有張拉裂縫，擬采用下面2種水壓力分布形式進(jìn)行分析坡體穩(wěn)定性。

1）水壓力分布b：對(duì)于無張拉裂隙的坡體，其水壓力分布如圖6所示。

圖6 無張拉裂隙時(shí)潛滑裂隙下端水壓力圖

當(dāng)坡體無張拉裂隙且潛滑裂隙下端有泄水口時(shí)，參照式（12），則坡體安全系數(shù)計(jì)算式為：

將表1中的數(shù)據(jù)帶入式（18）中，得到坡體的安全系數(shù)為1.433。

2）水壓力分布c：對(duì)于無張拉裂縫的坡體，其水壓力分布如圖6所示。

根據(jù)圖6中水壓力分布圖可知，當(dāng)坡體無張拉裂隙時(shí)，水壓力分布形式b和水壓力分布形式c所計(jì)算得到的最大水壓力相同，因此所計(jì)算得到的最危險(xiǎn)穩(wěn)定系數(shù)相同。但是假如坡體有張拉裂隙時(shí)，2種水壓力分布形式計(jì)算得到的坡體穩(wěn)定性系數(shù)是不同的。

4 結(jié)論

通過研究砂泥巖互層巖質(zhì)邊坡結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理，來了解砂泥巖互層的破壞形式。砂巖屬于硬巖，泥巖屬于軟巖，砂泥巖互層的邊坡屬于軟硬互層邊坡，由于泥巖的膨脹性等作用，在長(zhǎng)期的干濕循環(huán)作用下，極易發(fā)生崩塌破壞，而砂泥巖接觸面雨水易風(fēng)化，抗剪強(qiáng)度降低，容易發(fā)生順層滑移失穩(wěn)。

傳統(tǒng)的順層巖質(zhì)邊坡滑移失穩(wěn)的水壓力分布形式存在缺陷，通過對(duì)巖體裂隙結(jié)構(gòu)的討論，提出了新的水壓力分布形式，不同裂隙結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)采用不同的水壓力分布形式分析，并將其運(yùn)用到砂泥巖互層的巖質(zhì)邊坡中。

當(dāng)坡體無張拉裂隙時(shí)，對(duì)于潛滑裂隙下端具有較大的泄水速度，即在裂隙中保持有穩(wěn)定的水位的情形，以及當(dāng)坡體無張拉裂隙且潛滑裂隙下端無泄水口時(shí)，兩種水壓力分布情況下所計(jì)算得到的最大水壓力相同，因此所計(jì)算得到的坡體安全系數(shù)相同。