岩质边坡水力驱动型顺层滑移破坏机制分析.pdf

第 2 4 卷第 l 9期 2 0 0 5 年 l O月 岩石力学与工程学报 C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g Vb1 ．24 NO． 1 9 Oc t ． ， 20 o5 岩质边坡水 力驱动型顺层滑移破坏机制分析 刘才华 ，徐健 ，曹传林 ，陈从新 ，冯夏庭 1 ．中国科学院 武汉岩土力学研究所，湖北 武汉4 3 0 0 7 1 ；2 ． 湖北沪蓉西高速公路建设指挥部，湖北 恩施4 4 5 0 0 0 摘要顺层边坡的稳定性主要取决于滑动面的物理力学性质和地下水对边坡岩体的水压力。在分析顺层边坡水力 驱动 型滑移破坏 的形成与演变的基础上 ，探讨 了地 下水对 顺层边坡稳定性 的影 响机 制；指 出地下水在边 坡后 缘张 裂隙和滑动面形成 的渗流通道 中运动 时，对滑 体将 产生 3个 方面的力学作用张裂隙静水压力 、滑动面扬压 力和 拖曳力 推导 了边坡极 限平 衡状态下张裂隙临界充水 高度 和临界降雨强度的计算 公式 。分析结果表 明，边坡 后缘 张裂隙充水高度直接决 定了 3种水压力 的大小 ，当张裂 隙充水 高度达 到临界值后，边坡在水压力作用下 发生滑移 破坏 且张裂 隙充水高度与 降雨强度 呈线性 关系。最后 建立了顺层边坡水力驱动型滑移破坏判据 。 关键词边坡工程岩质边坡；顺层滑移破坏；水力驱动 中圈分类号T D 8 2 4 ． 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 06 9 1 5 2 0 0 5 1 9 3 5 2 9 0 5 ANALYS I S OF BEDDI NG． S LI P FAI LURE M ECHANI S M oF RoCK S LoPE DUE To H YDRAULI C DRI VE LI U Ca i h ua ， XU J i a n 2 ， CAO Ch ua n l i n 2 ，CHEN Con g x i n ， FENG Xi a t i n g 1 ． I n s t i t u t eofR o c k a n dS o i l Me c h a n i c s ，C h i n e s e A c a d e m yofS c i e n c e s ，W u h a n 4 3 0 0 7 1 ，C h i n a ； 2 ． O ffic e o f Hu r o n g x i Hi g h w a y C o n s t r u c t i o n ，E n s h i 4 4 5 0 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t Th e s t a b i l i t y o f b e d d i ng r o c k s l op e i s ma i nl y a ffe c t e d by t wo f a c t or s ， wh i c h a r e ph y s i c o me c ha ni c a l p r o p e r t i e s of s l i de f a c e a n d g r o u n dwa t e r pr e s s u r e s ．Ba s e d o n a na l ys i s o f f o r m a t i on an d e v o l v e me n t o f r o c k s l o p e b e d di ng s l i p f a i l u r e d ue t o h y dr a u l i c d riv e，t h e e ffe c t me c han i s m o f g r o u nd wa t e r o n b e d di n g r oc k s l o pe s t a b i l i t y i s d i s c u s s e d． I t i s po i n t e d ou t t h a t gr o un d wa t e r flo ws t h r o u gh the pa s s a g e t ha t c o n s i s t s o f the s l i d e f a c e an d t h e t o p s p l a y f r a c t u r e of a r o c k s l o p e pr o du c e s s t a t i c wa t e r pr e s s u r e o f s pl a y f r a c t u r e， flo t a g e an d h a u l a ge o f s l i d e f a c e ． Eq ua t i on s f o r c a l c u l a t i n g th e c rit i c a l wa t e r hi g h n e s s i n the s p l a y f r a c t u r e a n d the c r i t i c a l r a i nf a l l i n t e ns i t y are d e v e l o p e d ． I t i s s h o wn t h a t 1 wa t e r p r e s s u r e s a b o v e i n c r e a s e wi th i n c r e a s i n g the wa t e r h i g h n e s s o f the s p l a y f r a c t u r e ； 2 t h e s l o p e wi l l l o s e i t s s t a b i l i t y o n c e t h e wa t e r h i g h n e s s o f the s p l a y f r a c t u r e r e a c h e s t o a c rit i c a l v a l u e and 3 the wa t e r h i g h n e s s o f t h e s p l a y f r a c t u r e i s l i n e ar wi t h t h e r a i n f all i n t e n s i t y ．Th e b e d d i n g s l i p f ail u r e c rit e rio n s o fr o c k s l o p earep u tfo r wa r d a t l e n g th ． Ke y wo r ds s l o pe e n g i n e e rin g； r o c k s l o p e； be d di n g s l i p f ail u r e； h y d r a u l i c d riv e 1 引 言 岩质边坡稳定性问题在交通、水 电及矿山等工 程领域普遍存在，是制约工程建设进程与成败 的重 要因素之一。随着近年来我 国高速公路网的建设， 沿线岩质边坡 的灾变 问题 正 日益成为人们重点关注 的对象，岩质边坡失稳机制研究已成为一个急需解 决的重大科研与工程课题。 顺层边坡作为岩质边坡的一种类型，其失稳模 收稿 日期l 2 0 0 5一 O l_ 3 1 修回日期 l 2 0 0 5 0 3 2 3 基金项 目t国家 自然科学基金重点项目 5 0 2 3 9 0 7 0 国家重点基础研究发展规划 9 7 3 项 目 2 0 0 2 C B 4 1 2 7 0 4 ；中国科学院武汉岩土力学研究所领域前沿 基金项 目 Q1 1 0 2 1 7 1 作者筲介t刘才华 1 9 7 4一 ，男，1 9 9 7年毕业于重庆建筑大学建筑工程系岩土工程 专业 ，现任助理研究员，主要从事岩土工程及裂 隙岩体渗流 方面 的研究工作 。E ． ma i l c h l i u w h r s m． a c ． c a 。 维普资讯 3 5 3 0 岩石力学与工程学报 2 0 0 5 钷 式一般可分为 3种顺层滑移破坏、溃 曲破坏及弯 折 一崩塌破坏。顺层滑移破坏 多发生在坡脚具有临 空面的缓倾或中倾层状边坡，溃 曲破坏发生在所谓 的插入式的顺层边坡 ，而弯折 一崩塌破坏为直立或 近直立的顺层边坡破坏方式。 目前，一些学者对顺 层边坡稳定性机制进行了研究【 J J ，但主要是针对 溃 曲破坏和弯折 一崩塌破坏 2种模式，由于顺层边 坡滑移破坏可以采用刚体极限平衡法等传统方法进 行分析 ，其研究工作反而开展得不多。一般情况下， 岩质边坡 的顺层滑移破坏根据其变形破坏的力学机 制可分为 2种模式滑移 一拉裂型和水力驱动型 。 前者受边坡中的软弱层面控制 ，由于岩层层面粘聚 力相对较小 ，层面抗剪 强度 主要取决于其 内摩 擦 角。当软弱层面倾角大于其等效 内摩擦角时，软弱 层面上坡体的下滑力将超过其抗剪强度，一旦坡脚 揭露临空，边坡极有可能因蠕变作用在后缘形成拉 裂缝，进而导致失稳破坏。后者多发生在岩层倾角 小于层面内摩擦角且具有后缘张裂隙的缓倾层状边 坡，天然状态下 ，此类边坡在坡脚开挖后仍能保持 稳定状态。岩质边坡变形破坏不仅取决于软弱层面 的产状和力学性质，而且受边坡中地下水的活动控 制I4 5 1 。在降雨条件下，此类边坡受后缘张裂隙和 潜在滑面 中的水压力驱动 ，有可能发生滑移失稳破 坏 。本文在分析顺层边坡中地下水水力作用特性的 基础上 ，对顺层边坡水力驱动型滑移破坏机制及其 稳定性判据进行 了探讨。 2 顾层滑移破坏机制 2 ． 1 边坡岩体水力作用 地下水对边坡的作用包括 3个方面地下水对 边坡 的物理化学作用 降低 了潜在滑动面的抗剪 强 度 、静水压 力作用 和渗透压 力作用【 6 ’ 7 1 。对 于如 图 1所示具有后缘张裂隙的典型岩质边坡【 8 】 ，静 水压力包括后缘张裂 隙静水压力和潜在滑动面上的 扬压力 ，滑带的渗透压力最终表现为作用在滑面沿 渗径方向的面力拖曳力。 后缘张裂 隙静水压力和滑面扬压力呈三角形分 布 ，其极值为 y w h 为水的重度 ，h为张裂隙充水 高度 ，拖曳力 f 在滑面上均匀分布，下面推导其计 算公式 。 地下水在岩层层面 中流动时，对其周围骨架会 产生渗透压力，取如图 2所示一沿渗流方向的单宽 图 1 水压力作用模 型 F i g． 1 M o de l of wa t e r p r e s s ur e 图 2 拖 曳力计算单元 F i g ． 2 Ca l c u l a t i o n u n i t o f h a u l a g e f o r c e 微元体，以该微元体中的水体作为研究对象，微 元 体长 ，截面面积 A，孔隙率为 n ，高取层面宽度 b ，则沿流线方向作用在微元体内水流上的力有 1 孔隙水压力 微元体两端面所受的孔隙水压力分别为 P和 尸 d P，其差量为 d P d hd z y w A d hd z y w b 1 式中 ， I z 分别为两端面的水头差和高度差； 为水的重度 。 2 水流 自重 微元体水流 自重沿渗流方 向的分力为 d ， z b d l d z 2 3 骨架浮力 微元体骨架浮力的反作用力沿渗流方 向的分力 为 维普资讯 第 2 4卷第 l 9期 刘才华等． 岩质边坡水力驱动型顺层滑移破坏机制分析 3 5 三 1 ． d 7 w 1 ～ b d l d df z 3 4 渗透压力 骨架对微元体水流施加的阻力，其反作用力即 水流对骨架的渗透压力 ，记 ，为微元体水流受到的 单位阻力 ，则骨架对微元体水流的阻力为 d F一 f b d l 4 不考虑地下水流动时的惯性力，建立如图 2所 示微元体水流的静力平衡关系，有 d Pd 丁d d F0 5 即 d |} z d z y w n d d zy w 1 一九 d f dz d z f b d f _o 6 可以求 出骨架施加的单位阻力为 ， 7 则水流对骨架的单位渗透压力为 f ， 8 式中， 为沿渗流方向的水力梯度。 对于岩层结构而言，无论是否有充填物 ，地下 水产 生渗透压力最终转化为作用在岩层上下壁面上 的拖曳力，即 t 0 b y y w b I 9 在边坡稳定性分析中，本文所关心的是地下水 渗流对层面上部岩体的拖曳力，精确 的计算该力的 大小比较困难 ，也没有太大意义 。由于岩层上下面 的物理力学特征近似 ，取地下水渗流对层面上部岩 体的拖曳力为总拖曳力的一半比较符合工程实际。 则地下水渗流对层面上部岩体的拖曳力为 1 f 。 1 1 o 。 0 2 ． 2 边坡滑移破坏 的形成与演变 由于工程切坡开挖 ，边坡坡脚 出现 临空面 ，改 变 了边坡岩体 的平衡状态 。同时，边坡后缘存在与 岩层层面贯通 的垂直张裂隙，使边坡具备 了顺层滑 移破坏 的条件 。由于水力驱动型顺层边坡层面倾角 小于其 内摩擦角，边坡在 自身重力作用下还不具备 失稳的可能，其滑移破坏的实现取决于外界的触发 因素，而降雨尤其是暴雨的作用最为突出。在 降雨 条件下，边坡后缘张裂隙之上的地表径流汇流于张 裂隙中，在贯通 的岩层层面和张裂隙中形成承压水 流 ，这种承压水对贯通面上的岩体产生的孔隙水压 力和动水压力增加 了边坡的下滑力，从而降低边坡 的稳定性 。从上面 的分析可以看出，边坡后缘张裂 隙中充水高度越大 ，边坡中地下水 的不利作用越强 烈，而边坡后缘高度又取决于降雨雨强的大小。当 降雨雨强达到一个临界值后，边坡 中承压水就产生 足够的驱动力，导致边坡发生失稳破坏。 3 滑移失稳判据 图 3 为顺层边坡水力驱动滑移破坏 的力学模 型 ，作用在潜在滑体上的力有滑体 自重 w、后缘 垂直张裂隙静水压力 、滑动面孔隙水扬压力 和 拖曳力 D、滑面倾角 、滑面长 、张裂隙充水高 度 h 。沿滑动方向的极 限平衡关系式为 W c o s a-T 2 -T1 s i na t a nc L 1 f 1 1 W s i n C O S D 式中c ， 分别为滑面的饱和粘聚力和内摩擦角。 图 3 稳定性分析力学模型 Fi g ． 3 M e c h a n i c a l mo d e l f o r s t a b i l i t y a n a l y s i s 由丽 回 的 分 析 口 J 知 |} z 1 2 1 1 3 。 ly w b LIl y w b |} z 1 4 将式 1 2 ～ 1 4 代入式 1 1 q b ，可求出关于极限 平衡状态下坡体后缘张裂隙临界充水高度 的表 汰 式 维普资讯 3 53 2 1 岩石力学与工程学报 2 0 0 5 年 Lt a n 嘉 c c ⋯ sin n W c o s t r t a nq 9 c L-W s i nc ol - b L tan qg } c 5 由岩体水力学理论可知，图 3所示顺层边坡地 下水在层面中渗流时的流量为 ab h 1 6 式中k为层面渗透系数。 可以看 出，层面渗流流量与张裂 隙充水高度成 正 比。当边坡处于临界稳定状态时，其临界流量为 a o L 1 7 一 旦张裂隙的补给水量一 汇流量 Q 0 大于 临界 流量 Q c r ，则张裂隙充水高度 h大于其临界高度 ， 边坡 即发生滑移破坏 。 边坡后缘张裂隙和滑动面形成了一个完整的截 排水体 系，按文[ 1 O 1 中有关水文计算的规定，张裂 隙汇流量可按如下公式计算 a o 1 6 ． 6 7 q A 1 8 式中 为径流系数，q为降雨强度，A为面积。 令 a o 1 9 将式 1 9 代入式 1 8 ，可得 出临界降雨强度 和张裂隙临界充水高度 的关系式 g b k 2 。 将式 1 5 代入式 2 O ，可得 b k ‘ ， c r 一 3 3 ． 3 4 L A c o s s i n t r t a n L ta n 嘉 cc ⋯ sin n W c o s tr tan go cL - 卜b L tan q9 } 2 1 至此，可以根据 临界降雨强度 或张裂隙临 界充水高度 的关系提出边坡滑移破坏 的判据 q 边坡发生滑移破坏J 上述分析 是针 对顺层边坡 表层岩体 的滑移 破 坏，对于潜在破坏面为下部岩层层面 的边坡 ，其滑 移破坏体不是单一表层岩层， 而是 由多个岩层组成， 此时，本文对潜在滑体稳定性的力学分析及张裂隙 临界充水高度 的计算式 式 1 5 仍然适用，但渗 流流量应按下式计算 L Q ∑b ,k 2 3 L 式中b i ，k ，， l i ，厶分别为潜在滑动面 以上第 i 个 有效计算层面的层面宽度、渗透系数、张裂隙充水 高度和滑面长度 。 4 算例分析 滑 坡地 点位 于沪 蓉 西 高速 公路 宜 昌一 恩施 段 K5 8 7 9 5 K 5 9 0 3 0 ，该边坡为硬岩顺 向坡，基 岩 出露 ，岩性为弱风化微晶灰岩 ，NW3 5 2 。 Z2 5 。 ， 滑坡侧边 界节理 陡立，风化严重，内充填 2 0 4 0 c m的粘土，滑体后缘张裂隙近似陡立，倾角 8 5 。 ， 滑动层面平直，可见 明显的风化痕迹如图 4所示。 该边坡在便道开挖后，因降雨产生顺层滑脱，滑体 厚 2 m左右。各计算参数如下滑动层面天然粘聚 力 c 2 5 k P a ，天然 内摩擦角 2 1 。 饱和粘聚力 C 1 2 k P a ，饱和 内摩擦角 1 8 。 。滑面长度 L 1 6 I r l ，层面渗透系数从上至下依次为 0 ． 2 3 ，0 ． 1 7和 1 ． 5 3 m ／ s ，层面宽度分别为 0 ． 5 ，0 ． 4和 1 ． 3 c m，张裂 隙横 向汇流宽度 9 ． 2 5 I I 1 、径流系数 0 ． 7 5 ，滑坡 发生时 1 0 mi n降雨强度 q1 ． 3 7 mm ／ mi n 。 图 4 边坡 失稳 模型 Fi g． 4 I n s t a bi l i t y mo d el of a be dd i n g r o ck s l op e 由稳定性分析可知，天然状态下 ，该边坡的稳 定系数为 1 ． 9 6 ，而在滑坡发生时的强降雨条件下 ， 其稳定系数仅为 O ． 9 1 ， 边坡的稳定系数降低了 5 4 ％。 若不考虑降雨条件下边坡 中的水力作用，仅考虑滑 维普资讯 第 2 4卷第 1 9期 刘才华等．岩质边坡水力驱动型顺层滑移破坏机制分析 3 5 3 3 面的力学参数取饱和值，则边坡的稳定系数为 1 ． 1 l ， 边坡中的水力作用使其稳定系数降低 了0 ． 2 0 。 根据文中所给 的计算模型进行计算 ，边坡后缘 张裂 隙临界充水高度 1 ． 2 6 I T I ，临界 降雨强度 q 0 ． 9 8 mm／ mi n ，小于滑坡发生时 1 0 m i n降雨强 度 q 1 ． 3 7 mm／ mi n ，从而导致滑移破坏的发生。 5 结语 1 顺层边坡 的水力驱动型滑移破坏多发生在 由于人为开挖坡脚后形成临空面的坡体，边坡岩层 层面 和 后缘 张裂 隙形 成 了贯通 面 ，地 表水 汇流 于 张 裂隙中形成承压水流，产生指 向坡外的驱动力 ，导 致滑移破坏发生。 2 地 下水在顺层边坡中运动 时将对坡体施加 3种作用力张裂隙静水压力、潜在滑面扬压力和 拖曳力，这些作用力的大小直接取决于张裂隙的充 水高度。一旦张裂隙的充水高度达到某个临界值， 边坡即发生顺层滑移破坏 。 3 降雨 是顺 层边坡滑 移破 坏 的直接 诱发 因 素，当边坡后缘形成贯通的张裂隙时 ，张裂隙和潜 在滑面 软弱层面 形成 了一个完整 的截排水系统， 降雨强度越大，张裂隙汇流量越大 ，此 时张裂隙充 水高度也随之增大。 4 本文通过分析张裂隙充水高度和 降雨强度 的关系 ，提 出了以临界降雨强度作为边坡顺层滑移 失稳的判据，具有一定的工程应用价值 。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 2 ] 张天军，李云鹏 ． 直立顺层边坡 的黏弹性稳定分析[ J ] ．力学与实 践 ，2 0 0 3，2 5 6 5 l一5 4 ． Z h a n g T i a n j a n ，L i Y u n p e n g ．L i n e a r v i s c o e l a s ti c i t y s t a b i l i t y a n a l y s i s o f b l u ff r o c k s lo p e [ J ] ．Me c h a n i c s i n E n g i n e e r i n g，2 0 0 3，2 5 6 5l一5 4 ． i n Ch i n e s e 李云鹏，杨治林，王芝银． 顺层边坡岩体结构稳定性位移理论⋯ ． 岩石力学与工程学报，2 0 0 0 ，1 9 6 7 4 7 7 5 0 ． L i Y u n p e n g ．Y a n g Zh i l i n ， W a n g Z hiy i n ．Di s p l a c e me n t a n a l y s i s o f s t r u c t u r e s t a b i l i t y f o r r ock ma s s b e dd i n g s l o p e [ J ] ． Ch i n e s e J o u r n a l o f 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