裂隙水壓力作用下砂泥巖互層庫岸邊坡穩(wěn)定性分析

鄭尚濤

（鷹潭市水利電力勘測設計院，江西鷹潭335000）

0 引言

許多研究及統(tǒng)計資料表明，影響庫岸邊坡穩(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影響邊坡內的滲流場變化，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邊坡中，由于砂巖和泥巖的物理力學性質有很大的區(qū)別，很多資料表明，砂巖的強度要遠遠高于泥巖，通常情況下，泥巖遇水極易發(fā)生軟化作用，因此，對于這種軟硬互層的砂泥巖巖質邊坡，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，在順層巖質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度將會降低，上部巖體在自重作用下，當軟弱層面的抗剪力小于下滑力時，上部巖體將會沿著該軟弱層面發(fā)生平面滑移破壞[5]。

通過對傳統(tǒng)的裂隙水壓力分布進行討論，提出了新的裂隙水壓力分布方法，將其運用到砂泥巖互層的庫岸巖質邊坡中。

1 未考慮裂隙水壓力

砂泥巖軟弱互層的巖質邊坡，在庫水降雨等干濕循環(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)定性分析簡圖。

圖1 砂巖滑移穩(wěn)定性分析簡圖

在順層巖質邊坡穩(wěn)定性分析中，坡體受到重力作用，當抗滑力不足以抵抗下滑力時，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——為滑移面的抗剪強度；dd——泥巖的崩解深度，即砂巖的懸空深度；dw——原風化深度。

將式(1)和式（2）相結合，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??；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邊坡中，水是影響坡體穩(wěn)定性的一個重要的因素。泥巖一定的干濕循環(huán)次數(shù)之后，將會發(fā)生崩解，砂巖在一定的干濕循環(huán)作用下也會產生張拉裂縫進而發(fā)生崩塌，而砂泥巖結構面也會因含水率的增加其抗剪強度降低，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，當發(fā)生強降雨時，邊坡的后緣裂縫和潛在滑移面都會產生水壓力，水壓力分別為：張拉裂縫靜水壓力T1、潛在滑移面揚壓力T2和動水壓力D，其計算式分別為：

式（4）～（6）中：γW——為水的容重；l——為滑動面長度；Z——后緣張裂縫充水高度；b——滑動面的層面開度；n——滑動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——內摩擦角。

在Hoek的巖質邊坡穩(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。而在實際工程中，裂隙不一定貫通，水壓力也不一定照此分布，對于水壓力的計算錯誤，勢必會使安全系數(shù)的計算產生誤差。

圖4 地下水位低于垂直張拉裂隙下端

對于具有張拉裂隙的巖體，如圖4所示，當?shù)叵滤坏陀趶埨芽p下端時，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，這與事實是不符的，而按照傳統(tǒng)的方法計算坡體穩(wěn)定性時是偏于危險的[7-10]。

無充填裂隙的巖質邊坡中水壓力既有靜水壓力因素，也含有因水的流動而產生的動水壓力因素，而對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水能力的情形，裂隙中不會形成穩(wěn)定的水位，因此在坡體穩(wěn)定性分析時可不考慮水壓力作用。

2）水壓力分布b：對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處為水壓力最大點，其水壓力的大小按靜水壓力計算方法計算，其水壓力分布如圖5所示。

圖5 潛滑裂隙下端水壓力圖

當坡體的水壓力為分布形式b時，此時張拉裂縫靜水壓力、潛在滑移面揚壓力和動水壓力的計算式分別為：

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

則坡體安全系數(shù)Fsb計算式為：

當坡體的水壓力為分布形式c時，此時張拉裂縫靜水壓力、潛在滑移面揚壓力和動水壓力的計算式分別為：

則坡體安全系數(shù)Fsc計算式為：

3 工程案例分析

某庫岸在水庫蓄水、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)，可能產生滑移型、剝蝕侵蝕型庫岸，易產生塌岸破壞。因此，開展該段庫岸的治理工作十分必要。對研究區(qū)勘察資料進行整理，選取庫岸邊坡的某個典型斷面進行分析，對坡面進行適當簡化。該庫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黏土層、砂巖層、泥巖層和砂質基巖層。

3.1 不考慮裂隙水壓力作用

當不考慮裂隙水壓力分布時，參照Hoek所提出的順層巖質邊坡計算方法，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、滑移面內摩擦角和滑移面的長度有關?，F(xiàn)場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)相關試驗以及規(guī)范[11]，對巖土體相關物理參數(shù)進行經驗取值，表1為坡體相關物理力學參數(shù)。

表1 坡體相關物理力學參數(shù)

當不考慮裂隙水壓力分布時，將式（3）簡化得到坡體穩(wěn)定性計算式為：

式（17）中：W——為滑移面上部砂巖巖層和粉質黏土的重力。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行分析坡體穩(wěn)定性。

1）水壓力分布b：對于無張拉裂隙的坡體，其水壓力分布如圖6所示。

圖6 無張拉裂隙時潛滑裂隙下端水壓力圖

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

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，當坡體無張拉裂隙時，水壓力分布形式b和水壓力分布形式c所計算得到的最大水壓力相同，因此所計算得到的最危險穩(wěn)定系數(shù)相同。但是假如坡體有張拉裂隙時，2種水壓力分布形式計算得到的坡體穩(wěn)定性系數(shù)是不同的。

4 結論

通過研究砂泥巖互層巖質邊坡結構的破壞機理，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化，抗剪強度降低，容易發(fā)生順層滑移失穩(wěn)。

傳統(tǒng)的順層巖質邊坡滑移失穩(wěn)的水壓力分布形式存在缺陷，通過對巖體裂隙結構的討論，提出了新的水壓力分布形式，不同裂隙結構時，應采用不同的水壓力分布形式分析，并將其運用到砂泥巖互層的巖質邊坡中。

當坡體無張拉裂隙時，對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，以及當坡體無張拉裂隙且潛滑裂隙下端無泄水口時，兩種水壓力分布情況下所計算得到的最大水壓力相同，因此所計算得到的坡體安全系數(shù)相同。