軟硬巖互層邊坡穩(wěn)定性的敏感性因素分析＊

夏開宗 陳從新 魯祖德 宋婭芬 周意超

（中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國家重點試驗室 武漢 430071）

0 引 言

軟硬巖互層型邊坡的地質(zhì)災(zāi)害對國家建設(shè)和人民的生命財產(chǎn)安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅.如侏羅系地層在長江三峽庫區(qū)廣泛出露，三峽工程庫區(qū)移民遷建工程在建設(shè)過程中形成了大量的軟硬巖互層型高陡邊坡，邊坡失穩(wěn)事故時有發(fā)生.

軟硬巖互層邊坡作為一類具有典型特點的層狀邊坡，邊坡在地質(zhì)結(jié)構(gòu)、破壞特征等方面不僅具有獨特性，而且其穩(wěn)定性影響因素與一般邊坡具有很大的差異性，當(dāng)?shù)乇硭慕胧箮r層間軟弱巖層強度降低或邊坡前緣開挖形成臨空面時，邊坡上的巖、土體在水力作用觸發(fā)下穩(wěn)定性極差［1－3］.影響此種類型的邊坡穩(wěn)定性的因素是較多的，如層面強度、巖層厚度、巖層傾角、水力作用等，掌握這些因素對邊坡穩(wěn)定性影響規(guī)律，能為滑坡的處置技術(shù)和優(yōu)化方法提供有針對性的依據(jù).

本文依托滬蓉國道主干線湖北宜昌至巴東高速公路上多處軟硬巖交互型邊坡為背景，針對這些邊坡的破壞特征，建立了邊坡力學(xué)模型，分析了層面強度、巖層厚度、巖層傾角、水力作用等各項因素對邊坡穩(wěn)定性的影響，探索這些因素對軟硬巖互層邊坡穩(wěn)定性影響的一些規(guī)律.

1 分析原理

1.1 邊坡分析模型

通過對研究區(qū)沿線20多處軟硬巖互層滑坡進行地質(zhì)調(diào)查，如妃臺山滑坡、鷹咀巖滑坡、周家坡滑坡、彭家灣路段古崩滑坡等，發(fā)現(xiàn)此種類型的邊坡變形破壞不僅取決于軟弱層面的力學(xué)性質(zhì)，而且受邊坡中地下水力作用的活動控制.因此，本次建立的邊坡穩(wěn)定性分析模型考慮了水力作用.在Hoek和Bray［4］給出的典型巖石邊坡水力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立了適合研究區(qū)軟硬巖互層邊坡如下的分析力學(xué)模型見圖1.

圖1 分析力學(xué)模型

由圖1可見，滑坡硬巖層后緣形成寬大拉裂縫，為雨水的滲入提供了有利條件.強降雨時，地下水在邊坡后緣張裂隙和潛在滑動面形成的滲流通道中運動時，對滑體將產(chǎn)生3個方面的力學(xué)作用：張裂隙靜水壓力、潛在滑動面揚壓力和動水壓力，其表達式分別為

式中：n為滑動面上面壁上巖土體的給水度；b為滑動面的層面開度；Z為后緣張裂隙的充水高度；l為滑動面的長度；γw為水的水容重.

從式（1）～（3）可以看出，強降雨時，張裂隙靜水壓力、潛在滑動面揚壓力和動水壓力的大小均取決于邊坡后緣的張裂縫充水高度，因此，邊坡穩(wěn)定性分析時后緣張裂隙充水高度是一個極其重要的參數(shù).邊坡平面滑動采用剛體滑移模型進行分析，設(shè)滑面內(nèi)摩擦角為φ、粘聚力為c，則坡體在重力作用和水力作用下的抗滑力T和下滑力R分別為

1.2 敏感度計算

敏感度分析是指通過計算一個自變量發(fā)生變化時所引起的因變量的改變率，從而分析該自變量對因變量的貢獻［5］.

邊坡穩(wěn)定性的敏感度分析主要是研究影響邊坡穩(wěn)定性的各因素與相應(yīng)的穩(wěn)定性系數(shù)之間的相互關(guān)系.它由各因素的相對變化率與邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的相對變化率之間的比值來進行衡量，即第i個影響因素的敏感度Si可表示如下［6－7］

式中：｜ΔXi／Xi｜為影響因素 Xi的相對變化率；｜ΔKi／Ki｜為穩(wěn)定性系數(shù)Ki的相對變化率.

2 邊坡敏感性分析

2.1 層面強度的敏感性分析

計算的物理力學(xué)參數(shù)如下：c＝100kPa，φ＝20°，a＝16°，巖體容重γ＝26kPa／m3，h＝25m.圖2～3分別為a＝16°時邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨層內(nèi)內(nèi)摩擦角和粘聚力變化的關(guān)系.可以看出，邊坡的穩(wěn)定性隨層面內(nèi)摩擦角或粘聚力的提高顯著提高；不同巖層厚度或粘聚力情況下，內(nèi)摩擦角與穩(wěn)定性系數(shù)基本上保持線性關(guān)系，對邊坡穩(wěn)定的影響規(guī)律是一致的，而粘聚力對邊坡穩(wěn)定性的影響與巖層厚度有一定的關(guān)系，巖層厚度越小，圖3中曲線斜率越大，粘聚力對邊坡穩(wěn)定性影響越顯著，此時，粘聚力對邊坡穩(wěn)定性貢獻越大.當(dāng)保持其他參數(shù)不變時，改變粘聚力c（變化范圍為10～330 kPa），計算求得粘聚力的敏感度為Si＝0.149；改變內(nèi)摩擦角φ（5°～45°），計算求得內(nèi)摩擦角的敏感度為Si＝1.007 1，可見內(nèi)摩擦角的敏感度比粘聚力的大得多.

圖2 邊坡安全系數(shù)與層面粘聚力的關(guān)系曲線圖

圖3 邊坡安全系數(shù)與層面內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線圖

從滑坡的原理上看，層面的粘聚力和內(nèi)摩擦角越高，則構(gòu)成沿層面的抗滑動力越大，邊坡的穩(wěn)定性就越好；反之，值越低，邊坡的穩(wěn)定性就越差.所以，軟硬交互型巖質(zhì)邊坡是否能滑坡實質(zhì)上受層面粘聚力和內(nèi)摩擦角控制.因此，在對軟硬交互型巖質(zhì)邊坡的滑坡進行處置技術(shù)和優(yōu)化方法選擇時，應(yīng)重點放在如何直接或間接地提高層面的粘聚力和內(nèi)摩擦角的措施上，從而達到提高坡體穩(wěn)定性的目的.

2.2 層面厚度的敏感性分析

巖層厚度是影響邊坡穩(wěn)定性的一個重要因素，設(shè)W＝hlγ，則式（5）變?yōu)?/p>

式中：h為巖層厚度；γ為巖體的容重.

由式（8）可知，巖層厚度越大，邊坡穩(wěn)定性越低，其原因主要有兩方面：一方面，在不考慮水力作用時，由式（8）可化簡得：

所以，邊坡在自身重力下隨著巖層厚度增加，其穩(wěn)定性降低.

另一方面，從式（8）可知，貫通巖層層面的揚壓力和后緣張裂縫靜水壓力沿潛在滑動面上的有效法向應(yīng)力均減小了邊坡的抗滑力；張裂隙靜水壓力潛在滑動面向上的分力和巖層面上的動水壓力增加了邊坡的下滑力.而這3種力的大小均取決于邊坡后緣張裂隙充水高度，由于巖層厚度與后緣張裂縫充水高度有著直接的關(guān)系，所以，巖層厚度越大，水力作用對邊坡穩(wěn)定性不利作用表現(xiàn)得越強烈，穩(wěn)定性系數(shù)降低得越多.圖4為層面傾角a＝16°，層面粘聚力c＝100kPa為繪制的邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)與巖層厚度的關(guān)系.

圖4 穩(wěn)定性系數(shù)與巖層厚度關(guān)系曲線

從圖4可以看出，在巖層厚度較薄時，圖中曲線的斜率較大，隨著巖層厚度的增大，曲線逐步變?yōu)榻綘睿涣硗猓^察φ＝15°曲線，在巖層厚度較薄時，邊坡是穩(wěn)定的，巖層厚度超過6m后，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài).這說明了滑帶的發(fā)展與巖層厚度有關(guān)，即存在一臨界巖層厚度hmax，當(dāng)巖層厚度大于hmax，軟弱結(jié)構(gòu)面才可能發(fā)展成為滑帶.

改變巖層厚度h（變化范圍為5～45m），計算求得巖層厚的度敏感度為Si＝0.278 1.

2.3 層面傾角的敏感性分析

巖層傾角是軟硬巖互層邊坡穩(wěn)定性分析的重要指標(biāo).圖5為層面摩擦角＝20°，巖體重度γ＝26 kPa／m3，不同巖層厚度下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與巖層傾角的關(guān)系曲線.圖5a）表示潛在滑動面維軟弱層面粘聚力較小的情形，圖5b）表示潛在滑動面為軟弱層間錯動帶或泥化夾層、粘聚力較大情形，邊坡的穩(wěn)定性與巖層傾角的關(guān)系.可以看出，在其他參數(shù)不變的情況下，邊坡穩(wěn)定性隨著巖層傾角的增加而急劇降低，所以邊坡穩(wěn)定性對層面傾角較為敏感.改變巖層傾角（變化范圍5°～45°），計算求得巖層傾角的敏感度為Si＝1.022 5.

圖5 邊坡的穩(wěn)定性與巖層傾角的關(guān)系

從圖5a）可以看出，當(dāng)巖層傾角略大于16°（小于層面內(nèi)摩擦角20°）時，邊坡即達到臨界穩(wěn)定狀態(tài)，按理說，此時的巖層傾角應(yīng)該和層面內(nèi)摩擦角基本上相等，究其原因是：邊坡中的水力作用能使得邊坡的穩(wěn)定下降，其對邊坡穩(wěn)定性不利作用的貢獻約等于層面傾角與層面內(nèi)摩擦角之差的角度對邊坡穩(wěn)定性的貢獻程度.所以，不考慮邊坡中的水力作用，當(dāng)邊坡處于臨界狀態(tài)時，此時的巖層傾角應(yīng)該和層面內(nèi)摩擦角基本上相等，見表1.而從圖5b）可以看出，在層面粘聚力較大時，邊坡破壞時的層面傾角遠(yuǎn)大于層面內(nèi)摩擦角.

表1 不同巖層傾角的邊坡安全系數(shù)（c＝200kPa時）

2.4 水力作用的敏感性分析

上述在討論層面強度、層面厚度和層面傾角對邊坡的敏感性因素分析時，均考慮在強降水的情況下，即后緣張裂縫充滿水后.而大多數(shù)情況下，邊坡后緣的張裂縫中不一定都充滿水.現(xiàn)在來討論邊坡對水力作用的敏感性，也就是假設(shè)后緣張裂縫在不同程度的充水情況下水力作用對邊坡穩(wěn)定性的影響.當(dāng)不考慮邊坡中地下水的水力作用時，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)Fs為1.36，當(dāng)考慮張裂縫中水深變化時水力作用對邊坡穩(wěn)定性的影響時，計算結(jié)果見圖6.

圖6 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與張裂縫中水深的關(guān)系

從圖6可知，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)在水力作用的影響下隨張裂縫中水深的變化而急劇下降.當(dāng)水位深度為5m時，水力作用使穩(wěn)定系數(shù)降低了2.48%；當(dāng)水位深度為10m時，水力作用使穩(wěn)定系數(shù)降低5.19%；當(dāng)水位深度為15m時，水力作用使穩(wěn)定系數(shù)降低了8.12%；當(dāng)水位深度為20 m時，水力作用使穩(wěn)定系數(shù)降低了11.23%；當(dāng)水位深度為25m時，水力作用使穩(wěn)定系數(shù)降低了14.53%所以，水力作用對邊坡穩(wěn)定性的影響較大，是觸發(fā)邊坡失穩(wěn)的關(guān)鍵因素.計算求得水力作用的敏感度為Si＝0.149 8.

文獻［8］通過物理實驗研究表明：隨著注水的進行，邊坡巖體位移均保持增長.第一層注水時，邊坡巖體的位移均較小，邊坡均未發(fā)現(xiàn)裂縫；而在第二層軟巖注水約121h，測點的變形發(fā)生明顯的突變，坡體變形加速，位移均較大，此時在邊坡前緣存在明顯的裂隙.在注水約196h后，模型體后緣自軟化層起的以上部分開始脫離框架.當(dāng)改變巖層傾角時，邊坡即發(fā)生前緣的剪切破壞.說明明層面傾角和軟弱層面的強度參數(shù)（內(nèi)摩擦角）對邊坡穩(wěn)定性起主要控制作用，巖層厚度對的穩(wěn)定性也有明顯的影響.所以物理模型試驗所得的對軟硬巖邊坡穩(wěn)定性影響的規(guī)律與本文所得規(guī)律的是一致的.

3 結(jié) 論

1）考慮軟硬巖的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，針對影響軟硬巖互層邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵性因素，建立了符合此種類型邊坡的穩(wěn)定性分析力學(xué)模型，推導(dǎo)了邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的表達式.

2）各影響因素中，敏感度由大到小為：層面傾角＞層面內(nèi)摩擦角＞層面厚度＞邊坡中水力作用＞層面粘聚力，說明層面傾角和軟弱層面的強度參數(shù)（內(nèi)摩擦角）對邊坡穩(wěn)定性起主要控制作用，巖層厚度對的穩(wěn)定性也有明顯的影響.

3）邊坡中的水力作用隨著巖層厚度的增大，對邊坡的穩(wěn)定性不利作用表現(xiàn)得越強烈；緩傾倒軟硬巖互層邊坡由于巖層內(nèi)摩擦角大于層面傾角，在天然條件下即使在邊坡坡腳開挖后仍能保持穩(wěn)定狀態(tài)，但在水力作用驅(qū)動作用下，有可能發(fā)生滑移失穩(wěn)破壞，造成大規(guī)模的地質(zhì)災(zāi)害.

4）室內(nèi)模型試驗所得結(jié)果與本文所得的影響邊坡穩(wěn)定性的規(guī)律比較接近.所得的這些規(guī)律，能為滑坡的處置技術(shù)和優(yōu)化方法提供有針對性的依據(jù).

［1］劉才華，徐 健，曹傳林，等.巖質(zhì)邊坡水力驅(qū)動型順層滑移破壞機制分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24（19）：3529－3533.

［2］胡其志，周 輝，肖本林，等.水力作用下順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析［J］.巖土力學(xué)，2010，31（11）：3594－3598.

［3］舒繼森，唐 震，才慶祥.水力學(xué)作用下順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性研究［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012，41（4）：521－525.

［4］HOEK E，BRAY J W.Rock slope engineering［M］.London：Revised Second Edition，1977.

［5］龔文惠，王 平，陳 峰.順層巖質(zhì)路塹邊坡穩(wěn)定性的敏感性因素分析［J］.巖土力學(xué)，2007，28（4）：812－816.

［6］羅常青，陳征宙，李文勇，等.某加筋土邊坡穩(wěn)定性系數(shù)影響因素的敏感性分析［J］.防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報，2008，28（4）：479－483.

［7］繆世賢，陳征宙.順傾巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性影響因素的敏感度分析［J］.中國水運，2009，9（10）：154－158.

［8］中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所.宜巴高速公路軟硬巖互層型滑坡（邊坡）失穩(wěn)機理與處治技術(shù)研究－物理模型試驗［R］.武漢：中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，2013.