降雨条件下边坡裂缝的演化机制及对边坡稳定性影响＊——以云南省双柏县丁家坟滑坡为例

刘华磊,徐则民,张 勇,王志奇

(1.昆明理工大学建筑工程学院,云南昆明 650224;2.云南省公路科学技术研究所,云南昆明 650051)

降雨是边坡失稳的主要诱发因素[1]。《中国典型滑坡》[2]一书中列举了50多个滑坡实例,95%以上的滑坡都与降雨有着密切关系。在降雨条件下,雨水增加了坡体的自重,降低了坡体岩土体的相关参数诱发滑坡,更重要的是边坡体上裂缝的发展,使得在降雨条件下,边坡的变形更加加剧。

胡爱军等[3]以湖南郴州地区为例,建立了降水型滑坡历史灾害空间分布、地质和地形等滑坡影响因子空间数据库,采用经验似然比函数对降雨型滑坡进行灾害概率风险评估;黄玉华等在文献[4]中谈到,滑坡体上的裂隙和孔洞是雨水入渗的主要途径。徐学军针对边坡失稳破坏时坡顶出现大量竖向裂缝的工程实际,推导了裂缝开展深度的弹性解,提出了坡顶存在竖向裂缝时边坡的稳定分析方法[5];祁生文从工程地质类比的角度分析了锦屏一级水电部裂缝的形成,指出区域的地壳活动水平和构造应力场强度是普斯罗沟左岸边坡深部裂缝形成的本质原因和前提条件,边坡坡体结构以及岩性组合是深部裂缝形成的物质基础[6]。金德山通过长期的野外工作,把常遇到的裂缝分为5种不同的类型进行阐述与分析[7]。

本文分析了降雨条件下,均质边坡裂缝的形成演化机制,讨论了贯通于滑动面的裂缝如何影响边坡的稳定。

1 降雨作用下裂缝的演化机制

滑坡的发生总是伴随着裂缝的发展,可以说地表裂缝是边坡变形滑坡发生的前兆。地表裂缝的产生又受到降雨的影响。下面主要讨论在降雨条件下,均质边坡裂缝是如何发展演化的。

由于边坡地表的起伏复杂性,在边坡的局部区域,特别是在降雨的情况下,地表形成的横向径流,对地表土体进行冲刷,形成小的横向冲沟,这些小的横向冲沟可把边坡体沿顺坡势分为M1和M2上下两部分。M1滑体受到的下滑力为F,底面受到的抗滑力为T,前缘合力为f1,截面AB处的合力为f2,如图1所示。

图1 裂缝发展示意图

文献[8]指出土的饱和度对渗透系数的影响因素:如果土不是完全饱和而有封闭气体存在,即使其含量很小,也会对土的渗透性产生显著影响。土中存在封闭气泡不仅减小了土的过水断面,更重要的是它可以填塞某些孔隙通道,从而降低土的渗透性。

在AB截面上,降雨情况下在A点附近形成了地表径流,由于A点附近岩土的饱和度大于边坡其它位置岩土体的饱和度,故在A点附近的渗透系数较边坡体其它部位大。根据达西定律,渗流速度v是渗透系数k与水力梯度i的乘积,即υ=ki。雨水沿AB面入渗的速度就较快,由于雨水对岩土体具有润滑,软化作用,文献[9]的实验表明,土体内摩擦角和粘聚力与含水率呈线性递减关系,这就促使AB面的强度降低较大,明显降低了截面AB的抗拉强度,f2显著降低。

另外,降雨加重了岩土体容重,滑体M1上的下滑力F增大,滑体沿顺坡势下滑的趋势增强,若滑体M1有微量下滑位移,而M2滑体保持原有的状态,将导致AB面截面积减小。假设此时f2对M1滑体的抗拉力大小不变,将导致应力增大,易使截面上处于临界强度的岩土体拉裂,形成微裂缝。

f1源于M1滑体前面滑体的抗力,对于整个滑坡体而言,若只有M1为滑体,此时在滑坡体前缘抗力f1由于受到滑体下滑趋势的影响有增大的趋势,软弱结构面上的抗滑力T的增大或减少主要取决软弱结构面的正压力的增加和粘聚力的减小程度。当F＞f1+f2+T时,M1和M2体将分离,AB面将开裂形成裂缝;若M1滑体为滑动边坡的部分,此时M1滑体前面的滑体也将具有下滑的趋势,f1的增大或减小主要取决于M1滑体和其前面滑体的下滑程度。设v0和v1分别为M1前面滑体和M1滑体的下滑速度:

①v0＞v1,抗滑力f1减小,利于滑体后缘裂缝的产生;

②v0=v1,抗滑力f1不变,对滑体后缘裂缝的产生无影响;

③v0＜v1,抗滑力f1增大,阻碍滑体后缘裂缝的产生。

可见,滑体前缘滑体的稳定程度对滑体后缘的裂缝产生也起着显著的影响,在v0＞v1的情况下,近似于滑体前缘临空的情况,这也从侧面反映了滑体前缘临空程度越强,滑体后缘越易产生裂缝。

裂缝的发展是一个量的积累过程,并非一次降雨就会形成从地表贯通到软弱结构面的裂缝,而是在降雨综合因素影响下,一个周而复始的过程,最终形成于贯通地表与软弱结构面的裂缝,进而促成滑坡的发生。

2 裂缝的发展对土质边坡稳定性的影响

假设裂缝内积水深度为hw,水的容重为γw,地表到软弱夹层的深度为H,设上部滑体为刚体,其重量为W,坡面倾角为α,滑面倾角为β,滑面上受到有效压力N,静水压力U和抗滑力T,其力学关系如图2所示。

图2 边坡平面力学模型

假设裂缝内积水深度范围内,静水压力成三角形分布,则静水压力合力为:

滑面有效压力N为:

滑体产生的下滑力Q为:

滑面产生的抗滑力T为:

式中:c为滑面的粘聚力,φ为滑面的内摩擦角。

裂缝对边坡稳定的影响主要有如下几条。

(1)降雨后裂缝中积水,产生水平方向的静水压力F。F可分解为平行于滑面的力Fcoβs和垂直于滑面的力Fsinβ,静水压力F的分解如图3所示。

图3 静水压力分解示意图

从图3可以看出,裂缝中的积水对边坡的稳定起到负作用,静水压力F在平行于滑面方向上的分力Fcosβ增加了滑体的内滑力,垂直于滑面的分力Fsinβ减轻了滑体在滑面上的正压力,从而导致滑面上的阻力T减小,促进了滑坡的发生。

(2)裂缝中的水沿着裂缝底部渗入滑动面,促使滑面处静水压力增加,导致滑面处有效压力N减小,致使抗滑力减小,滑坡稳定系数降低。

(3)从裂缝底部渗入到滑面的水,对滑面起到了软化、润滑作用,从而降低了滑面的抗剪强度,降低边坡的稳定系数。

3 实例分析

丁家坟滑坡位于云南省双柏县南侧楚(雄)勐(醒)公路K64+200处。2008年6月,由于连续近半个月的中-暴雨,边坡开始出现大规模的滑动,滑坡基本概况见图4。

图4 滑坡示意简图

3.1 地层岩性

根据工程需要,在边坡的大致滑动范围内布置了14个钻孔(图4),据钻探揭露,地表下30 m深度范围内,边坡的地层主要由第四系人工填土、冲洪积圆砾、残坡积粘性土、含碎石角砾及侏罗系上统妥甸组上段(J3?t2)泥岩夹粉砂岩组成。根据其成因及物理力学性质差异分四大层,分述如下。

③残坡积物(Q4dl+el):褐红、紫红色含角砾粉质粘土、角砾土,按其岩性及物理力学性质又分为3个亚层残积物。

③1含角砾粉质粘土:湿,硬塑,含5%～15%的泥岩角砾及少量碎石,分布不均,控制层厚度1.10～11.50 m。

③2角砾土:湿,稍密,成分为泥岩,仅zk7和zk10揭露,控制层厚度0.80～0.90 m。

③3含角砾粉质粘土:湿,可～硬塑,含5%～15%的泥岩角砾及少量碎石。该层滑坡体滑动带,控制层厚度0.6～2.0 m。

④侏罗系上统妥甸组上段(J3?t2)紫红、灰色泥岩夹粉砂岩,岩层产状为204°∠21°,其中滑坡中上部为紫红色主,下部为灰、紫红色,按物理力学性质及风化程度分为3个亚层。

④1为全风化泥岩夹粉砂岩,呈土状或土夹石状,局部夹强风化碎石。

④2为强风化泥岩夹粉砂岩,节理裂隙发育,主要有145°∠34°、39°∠57°,岩石破碎,呈碎石、碎块状。

④3为中风化泥岩夹粉砂岩,节理裂隙发育,主要有145°∠34°、39°∠57°,岩石破碎,呈碎块状。RQD值在28.6%～66.7%。

3.2 降雨诱发的边坡裂缝产生机制

丁家坟边坡属高山山地地貌,自然地形坡度在15°～25°,其最大高差约为100 m。边坡目前处于变形阶段,图4中大致圈定了滑坡的边界,在滑坡边界范围内,如图5所示的裂缝分布广泛,开裂最为严重的部位在圈定的滑坡边界上。

图5 滑坡范围内裂缝

滑坡区域地处亚热带高原季风气候区,干湿季节分明,年平均气温15℃,年降雨量700～800 mm,其中5-10月为雨季,降雨量占全年的80%。

滑坡区后缘由于受到公路的影响,降雨时(特别是在暴雨情况下)路面(沥青路面)无雨水入渗,雨水沿路面横向流动,直到路基边坡坡脚,加上路基边坡在此区域较陡,首先在边坡区一些区域就形成了小的冲沟,在冲沟区域内,边坡岩土体处于饱和状态,降雨入渗严重。受地形影响,整个滑坡区的后缘区域的临空条件较好,加上雨水对地表部分区域的严重侵蚀,使雨水易达到边坡体内部,软化岩土体的强度参数。雨水反复作用和好的边坡临空条件,最终在图4边坡的后缘区域形成了近南北方向的裂缝。在边坡东北区域内形成的东南西北走向的裂缝,受到滑坡后缘的推力作用和滑坡区域的南西方向较好临空条件,促使了贯通裂缝的产生。

边坡裂缝的产生受多种因素的影响,上述因素对裂缝的产生起到了推动的作用。另外,边坡岩土体在长期干旱的情况下,也易形成干裂,这些裂隙在降雨情况下雨水沿其入渗到边坡体内部,加上边坡体局部好的临空和岩土体强度参数的降低,也可能导致大的贯通裂缝的产生。

3.3 边坡稳定性分析

据勘察知,丁家坟边坡在③和④层交界处附近存在软弱夹层。人工填土仅在公路边坡附近处存在,圆砾层也仅在边坡坡脚丁家河揭露,边坡上岩土体以残坡积物为主。

滑坡体主要为残坡积物,钻孔zk1～zk2揭露残坡积物厚度5.0～7.0 m,钻孔zk3～zk5揭露残坡积物厚度9.0～11.0 m,钻孔zk6～zk9揭露残坡积物厚度6.0～7.5 m,钻孔zk10～zk14揭露残坡积物厚度4.0～5.0 m。滑坡区后缘残坡积物较厚且后缘裂缝已贯通,裂缝跨度0.1～0.4 m,后壁高0.5～1.5 m。

滑坡后缘区裂缝将是促使滑坡恶化发展的主要原因。降雨条件下,裂缝内积水,雨水沿裂缝入渗(强降雨条件下,雨水可直达软弱夹层面),在裂缝内形成静水压力,增大了边坡的下滑力。裂缝内积水也弱化了裂缝截面土体的强度参数,使后缘土体对前缘土体的抗拉强度降低。入渗到滑面的雨水也增加了滑面的静水压力,使滑面处的有效应力减小,边坡的稳定系数减小。

滑坡后缘区域残坡积物厚度较大,边坡又较陡,加上贯通裂缝的发展,降雨条件下首先会引起边坡后缘区失稳,失稳的滑体对前缘滑体产生推力,将最终使整个滑坡体从坡脚处剪出。

4 结论

本文以土质边坡为例,阐述了在降雨条件下裂缝的演化机制及其裂缝的发展对边坡稳定性的影响。在降雨条件下,边坡表面的局部区域形成的地表横向径流,这些区域边坡土体处于饱和状态,雨水入渗能力增强。在雨水入渗的截面上,岩土体的强度参数明显低于边坡内非径流区域,综合边坡的临空条件等因素影响,边坡在这些区域形成微裂缝,这些微裂缝的形成,更增强了雨水的下渗通道,在重复降雨和边坡临空条件因素的影响下,边坡的后缘区域等易形成贯通于边坡内部软弱结构面的拉裂缝。这些裂缝为雨水进入软弱结构面形成了通道,使在降雨条件下边坡内部软结构的强度参数明显降低,边坡稳定系数减小,易导致滑坡的发生。

[1] 戚国庆.降雨诱发滑坡机理及其评价方法研究[D].成都:成都理工大学,2004.

[2] 中国岩石力学与工程学会地面岩石工程专业委员会,中国地质学会工程专业委员会.中国典型滑坡[M].北京:科学出版社,1988.

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[8] 王珊.岩土工程新技术实用全书[M].北京:银声音像出版社,2005.

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