地下水對邊坡穩定性影響

2018-08-30 13:35:32劉明發趙毅博

水利科技與經濟 2018年4期

劉明發，趙毅博，張靜

(1.貴州大學資源與環境工程學院，貴陽 550025； 2.南水北調中線干線建設管理局河南分局，鄭州 450000)

邊坡的破壞并不是瞬間就完成的，它是一個緩慢的過程，影響邊坡失穩的因素錯綜復雜。內在因素包括地形地貌、地質構造、地層巖性、水文地質條件、坡體物質的組成及其結構特征，這些因素決定了邊坡的破壞模式。外在因素分為不良地質現象和不良地質作用，主要包含有氣候、降雨量、地下水位的變化等。大量數據證明，地下水以多種方式對邊坡穩定性產生不利的影響，它是評價邊坡穩定時需要重點考慮的因素。趙艷[1]研究表明，地下水會使邊坡巖土體結構面上受到靜水壓力的作用，會降低滑體重量產生的法向應力，降低抗滑阻力。地下水在邊坡中排泄受到阻礙，會使巖土體的重量變大，增加坡體的下滑力。周罕[2]提出影響邊坡穩定性的因素主要包括5個方面：①地質條件；②坡體材料的物理力學參數；③邊坡的尺寸和形狀；④邊坡工作的條件，如荷載作用；⑤水的作用。葉華成[3]得出水的滲入導致土體含水量增加，使土體的強度參數降低，從而減小邊坡穩定性的結論。地下水的活動是造成滑坡發生的直接原因，也是最復雜又變化不定的影響因素。受天氣的影響，地表水會從表面滲入地下，成為地下水溶蝕和沖刷邊坡內部的裂隙或者結構面及裂隙等等。據統計，80%～90%的滑坡破壞均與水有關。許多學者就地下水對邊坡穩定性的影響方式和作用機理做了大量的研究工作[4-6]。

地下水與邊坡坡體的相互作用從類型上分為物理作用、化學作用及力學作用[7]。結合前人的研究，本文借助三軸試驗來研究不同含水率對土體抗剪強度造成影響。又以某土質邊坡為例，分別用理正5.6計算穩定性和GEO-SLOPE軟件分析不同地下水位對邊坡穩定系數的影響，研究結果可為邊坡支護提供一定的參考。

1 邊坡穩定性

邊坡一般是由巖土體或者單一的巖體和土體組成，評價穩定性時，采用的安全系數也是不一樣的。通過邊坡材料的力學參數計算邊坡穩定性系數，是評價該邊坡是否達到穩定的指標。邊坡的安全系數根據邊坡規范來確定。一般來說，巖質邊坡與均勻土質邊坡破壞形式不同，巖質邊坡破壞模式較為復雜，可能會沿著某一破壞面做折線滑動，也可能崩塌或墜落。但均勻土質邊坡大部分以某一潛在的圓弧滑動面破壞。1955年，畢肖普明確了土體穩定安全系數的定義為潛在滑面上的抗滑力與下滑力的比值，用下式表示：

(1)

式中：Fs為邊坡穩定性系數；R為某潛在滑動面上的平均抗滑力；T為某潛在滑動面上的平均下滑力。

可根據表1來評價邊坡所處的穩定狀態。表1中Fst可在邊坡規范上根據實際工程查詢。

表1 邊坡穩定性狀態

2 室內試驗及分析

2.1 室內三軸試驗

取含水率為59%、41%、35.2%、31.5%的原狀土試樣，為了更好地探討水對巖土體抗剪強度的影響，特意進行3種試驗方法的三軸壓縮試驗，即不固結不排水(UU)、固結不排水(CU)、固結排水(CD)試驗，土樣制取及試驗過程嚴格按照《土工試驗方法規程》進行，試驗圍壓為50、100、150、200、250和350 kPa。

2.2 結果分析

圖1表示不同含水率下所得到的黏聚力的變化曲線。由圖1可知，UU試驗在40%含水率之前，土體的黏聚力受含水率影響最大，含水率的變大，黏聚力削減得最快，而CU試驗和CD試驗變化趨勢相近，40%含水率以后，三者的變化趨勢比較類似。可得出結論，地下水會使土體的含水率提高，從而降低土體黏聚力，CU試驗和CD試驗降低40%，而UU試驗強度降低幅度最大，達到73%。

圖1 不同含水率下黏聚力變化曲線

圖2表示不同含水率下所得到的內摩擦角的變化曲線。UU試驗、CU試驗和CD試驗在隨著含水率的增加，摩擦角均呈減小的趨勢，大致類似于倒著的S型，代表摩擦角減小的趨勢為先增大后減小。其中，相同含水率下UU試驗測得的內摩擦角最小，而CD試驗測得的內摩擦角最大，CU試驗位于兩者中間。隨含水率的增加，CU試驗測得的內摩擦角減小速率是最慢的，其減小幅度為25%左右；UU試驗減小21%；CD試驗減小幅度最小，約11.7%。由此可得，地下水的存在會降低土體的內摩擦角，使土體的物理力學性能變差。

圖2 不同含水率下摩擦角變化曲線

3 地下水對坡體的作用

地下水邊坡巖土體的作用主要分為物理作用、化學作用和力學作用。從邊坡穩定性分析，地下水的作用最終通過兩種方式降低邊坡穩定性：①等效的增加滑坡體的重量，使下滑力增大；②潤滑潛在滑面，降低滑面的物理力學參數，減小抗滑力。

3.1 物理作用

地下水對巖土體的物理作用，主要表現為潤滑、軟化和泥化[8]。地下水的潤滑作用會沖刷坡面的松散物質，當坡體有軟弱夾層時，這種侵蝕作用表現更強烈，會使部分坡體臨空，從而失去支撐后發生破壞。地下水對坡體的軟化作用主要對邊坡體的軟巖或極軟巖產生作用，其作用效果與泥化作用類似，均是降低巖體的力學參數。地下水的流動類型和流速也會破壞巖土體，紊流比層流破壞強度大，破壞的能量與速度的二次方成正比。

3.2 化學作用

地下水與邊坡接觸產生的化學作用不斷改變巖土體的性質和強度特性，影響邊坡穩定性。水中有一些酸性或堿性成分，與巖土體發生水解、溶解和碳酸化等作用，會破壞土體內部細微的結構，改變土體的結構特性，進而影響其力學性能。趙鵬[9]對某鋁廠堿對紅黏土的物理力學性質的影響進行研究，得出在堿的作用下，紅黏土物理力學性質存在物理性質變好、力學性質變差的結論。具體表現為紅黏土物理性質整體變好，黏聚力、內摩擦角減小。溫度降低時，巖土體與水會產生一些結晶作用，當溫度升高時，某些物質中的水就會流出，使巖土體的變得松散軟弱。

3.3 力學作用

地下水對巖土體的力學作用主要為靜水壓力和動水壓力。當巖土體內部賦存有地下水時，水會對周圍的巖土體產生靜水壓力，水頭越高，壓力越大，靜水壓力隨深度的增加呈三角形分布。當存在裂縫或者孔隙時，地下水從某個位置流出，形成統一潛水位面，則靜水壓力為零。靜水壓力的大小由水頭差決定。地下水對巖土體產生的動水壓力，是水在巖土體裂隙或結構面中流動而產生。如果巖土體之間存在細小的顆粒，在一定條件下，可能引起管涌和流沙。

4 邊坡穩定性系數計算

4.1 工程概況

某建筑擬建在山腳，對坡腳進行一定的開挖，其剖面圖見圖3。已知上層為約36 m的紅黏土，下層為強風化泥巖。結合工程實際，采用固結不排水試驗的物理力學指標對該邊坡進行穩定性評價。

圖3 工程地質剖面圖

紅黏土隨含水率變化，固結不排水試驗得到的抗剪強度參數見表2。

表2 土體物理力學參數

4.2 理正計算

該邊坡的高度H=31.12 m，屬于土質邊坡，破壞后果很嚴重，邊坡的工程安全等級為一級，屬于永久性邊坡。在自然工況下，Fst取1.35。

計算項目：復雜土層土坡穩定計算 1

[計算簡圖]見圖4

圖4 計算簡圖

[控制參數]

采用規范:通用方法

計算目標:安全系數計算

滑裂面形狀:圓弧滑動法

不考慮地震

[坡面信息]

坡面線段數 9

坡面線號水平投影(m) 豎直投影(m) 超載數 11.7401.2500 26.1806.3200 34.8702.2600 45.8906.0300 54.0001.3100 64.1403.7800 74.5800.0000 89.8909.8100 95.1600.0000

不考慮水的作用

[計算條件]

圓弧穩定分析方法:Bishop法

土條重切向分力與滑動方向反向時:當下滑力對待

穩定計算目標:自動搜索最危險滑裂面

條分法的土條寬度:1.000(m)

搜索時的圓心步長:1.000(m)

搜索時的半徑步長:0.500(m)

計算結果:

[計算結果圖]見圖5

圖5 圓弧滑動法計算圖

最不利滑動面:

滑動圓心=(10.002,49.216)(m)

滑動半徑=50.223(m)

滑動安全系數=1.633

總的下滑力=5560.392(kN)

總的抗滑力=9082.745(kN)

土體部分下滑力=5560.392(kN)

土體部分抗滑力=9082.745(kN)

在不考慮地下水作用的情況下，用理正5.6計算得邊坡的穩定系數為1.633>1.35，邊坡處于穩定狀態。

4.3 GeoStudio 2007計算及結果分析

利用GeoStudio 2007計算邊坡穩定系數，見圖6和圖7。邊坡在無地下水作用時，穩定性系數為1.748，邊坡處于穩定狀態，比用理正5.6計算的結果偏大。

圖6 計算穩定性系數時搜索最危險滑動面

圖7 最危險滑動面

地下水位發生變化時，結合試驗，地下水位以下，取含水率為59%的抗剪強度參數進行計算；地下水位以上，取含水率為32.5%的參數計算。邊坡穩定性系數的計算見圖8～圖19。

圖8 地下水位2 m

圖9 地下水位4 m

圖10 地下水位6 m

圖11 地下水位8 m

圖12 地下水位10 m

圖13 地下水位12 m

圖14 地下水位14 m

圖15 地下水位16 m

圖16 地下水位18 m

圖17 地下水位20 m

圖18 地下水位22 m

圖19 地下水位24 m

當地下水位從0～20 m變化時，邊坡的穩定系數一直在下降,在地下水位從10～12m和16～18 m變化時，穩定系數下降平緩。從20～22 m變化時，會有所升高。地下水位在22～24 m時，邊坡的穩定性系數繼續呈下降趨勢。水位在6 m及以上，邊坡處于基本穩定狀態；在6 m以下，邊坡處于穩定狀態；在沒有地下水的作用時，邊坡的穩定性系數最高，此時邊坡相對最穩定。地下水位為20 m時，穩定系數為1.094，穩定系數最低。最終得出結論，地下水會影響巖體的力學性能，降低邊坡的穩定性。因此，在評價邊坡穩定性時，需要詳細查明地下水的情況，才能保證邊坡達到穩定要求。見圖20。