静水压力对岩体边坡稳定性的影响分析

李 钫，牛升晟，甘 柯

（1.北京市地质工程设计研究院，北京 101500；2.北京市地热研究院，北京 100143）

0 前言

在进行野外地质灾害评估与调查时，在河道和水库两岸常会发现因河道或水库水位的交替消长而发生岸边岩体的滑移与坍塌，通过长期的观察和总结，发现这种情况的发生与岩体边坡外邻水水位的消长以及岩体节理裂缝内水位的变化密切相关。在野外靠近岩体边坡的铁路、公路、民房和公共建筑附近进行地灾危险性评估时，也常遇到暴雨后，使岩体节理裂缝充水，从而使得岩体边坡存在潜在的滑移与崩塌危险性。以上种种情况都与一个十分重要的因素离不开干系，这个因素是：岩体内外水位的消长变化。此外，岩体的透水性以、岩体的节理裂缝与边坡外邻水是否存在水力联系也影响着岩体边坡的抗滑移稳定性。

1 无地下水条件下岩体边坡稳定性分析

在无地下水条件下，即不存在静水压力的情况下岩土体稳定性分析作为基准，为后面的分析做好铺垫。

例1：某很长的岩质边坡的断面形状如图1所示，岩体受一组走向与边坡平行的节理面所控制，节理面的内摩擦角φ=35°，黏聚力C =70kPa，岩体重度为23kN/m3，根据边坡稳定性系数计算公式（中华人民共和国住房和城乡建设部，2013），计算边坡沿节理面的抗滑稳定系数。

计算滑体自重：γV=23×0.5×20×40=9200kN/m

再计算抗滑移稳定系数（中华人民共和国住房和城乡建设部，2013）：

图1 不稳定岩体在无水情况下剖面示意图Fig.1 Schematic diagram of unstable rock mass without water

由上面计算可知，岩体在无地下水静压力影响条件下，岩体边坡处于临界稳定状态，抗滑力大小恰好与滑动力大小相等。在上面的基础上再分4种情况分别对岩体被水淹没时的抗滑移稳定系数进行定量分析。

2 有地下水条件下岩体边坡稳定性分析

2.1 岩体边坡透水、外界水位上涨时边坡稳定性分析

在水库或者河道岸边的不稳定岩体，由于外界水位上涨，当岩体坡面透水，使不稳定岩体受到浮力作用，不稳定岩体的自重减小，但黏聚力不变，从定性上分析得知岩体的抗滑稳定系数会增加。下面从定量上分析河道或水库水位上涨且坡面透水（节理裂缝与外界连通）条件下岩体抗滑移稳定系数的变化：

例2：基本条件同例1，但是不稳定岩体被静水淹没，节理裂隙面内的水位也跟随着外界水位的上升而上升，如图2所示，根据边坡稳定性系数计算公式，结合岩体浮力计算公式(《工程地质手册》编委会，2007)，计算滑体的抗滑稳定系数如下：

图2 不稳定岩体边坡透水时剖面示意图Fig.2 Schematic diagram of the permeability of unstable rock slope

若水位上涨至岩体高度的一半，如图2(1)所示，扣除四分之一体积的浮力后（陈晓平，2004），岩体的自重为：

抗滑移稳定系数计算为：

若岩体全部被水浸没，则如图2(2)所示，扣除全部体积的浮力后岩体自重为：

此时的抗滑移稳定系数为∶

由例2计算分析可知在外界水位上涨和岩体坡面透水的条件下，岩体浸入水中时的抗滑移稳定系数要比不浸入水中的抗滑移稳定系数要大，而且浸入水中岩体的的体积越大，抗滑移稳定系数越大。

2.2 岩体边坡不透水、外界水位上涨时边坡稳定性分析

对于水库或河道边的不透水岩体，当节理面裂隙被水底的隔水土层封堵时，节理面内无法充水，外界水位上涨时，由于作用在不稳定岩体面上静水压力的法向分力增加了岩体沿滑动面的抗滑力，同时静水压力沿岩体面的切向分力减小了岩体沿滑动面的下滑力，故岩体的抗滑移稳定系数增加，进行定量分析如下：

例3：基本条件同例1，节理缝隙因被底部隔水土层封堵而处于无水状态，坡面外邻水且坡面不透水。如图3所示，根据边坡稳定性系数计算公式，结合邻水对边坡压力计算公式（高大钊等，2014）计算滑体的抗滑稳定系数如下：

若水位上涨至岩体外边坡高度的一半时，如图3(1)所示，坡外水压力垂直作用于坡面，将静水压力Pw分解为平行于滑动面方向的切向力Tw和垂直于滑动面方向的法向力Nw进行分析（高大钊等，2014）。

图3 不稳定岩体边坡外邻水上涨时剖面示意图Fig.3 Schematic diagram of the rising water adjacent to the unstable rock slope

坡面长、破裂角和坡角分别计算如下：

静水压力、静水压力沿滑动面的法向和切向的分力分别为：

岩体的抗滑移稳定系数计算如下：

若岩体外边坡全部被水淹没时，如图3(2)所示，则静水压力、静水压力沿滑动面的法向和切向的分力分别为：

抗滑移稳定系数为：

由例3计算分析可知在外界水位上涨和岩体坡面不透水（岩体节理缝隙无水）的条件下，岩体沿滑动面的抗滑移稳定系数会随着水位的不断上涨而增大，水位上涨的越高，岩体愈加稳定。

2.3岩体边坡外无水、节理裂缝充水时边坡稳定性分析

在暴雨后对沿山公路、铁路、民房和公用建筑进行地质灾害评估调查时，常常遇到受节理面充水影响的不稳定岩体，此时节理面内的静水压力抵消了部分岩体自重对滑动面的法向压力，增加了岩体自重沿滑动面的下滑力，使得抗滑力减小和下滑力增大，导致不稳定岩体的抗滑移稳定系数减小，使得岩体易发生滑动和崩塌，对生命和财产构成威胁。下面来分析在此种情况下岩体抗滑移稳定系数的变化。

例4：基本条件同例1，但是不稳定岩体的节理缝隙受暴雨影响，节理缝隙充水而边坡外无水，如图4所示，根据边坡稳定性系数计算公式，结合邻水对岩体边坡压力计算公式，计算滑体的抗滑稳定系数如下：

若节理缝隙因暴雨充水高度为岩体高度一半时，如图4(1)所示，节理缝隙内的静水将对岩体产生垂直于岩体节理面的静水压力（水压强度大小分布如图右边的小三角形所示）（吴持恭，2007），抵消了部分岩体自重对滑动面的法向压力，岩体的抗滑移稳定系数分析如下：

图4 不稳定岩体边坡节理裂缝内水位上涨时剖面示意图Fig.4 Schematic diagram of section of unstable rock slope in rising joint water level

节理缝隙中的静水压力为∶

岩体的抗滑移稳定系数计算如下：

若因暴雨，岩体节理缝隙充满水时，如图4(2)时，节理缝隙中的静水压力为：

岩体的抗滑移稳定系数计算如下：

由实际经验可知，在本例中节理裂隙是不可能充满水的，因为在充满水之前，岩体就会发生滑移和崩塌（李广信，2010）。

由例4分析可知当节理裂隙缝隙充水而外界无水时，随着裂隙充水高度的不断增加，岩体的抗滑移稳定系数是不断减小的。

2.4岩体边坡邻水与节理裂缝内水无水力联系时边坡稳定性分析

在实际情况分析中，常遇到边坡的节理充水与边坡外邻水并无直接水力联系的情况，主要表现为节理充水的高度并不等于边坡外邻水水位的高度，此种情况是将2.2与2.3的情况结合在一起，下面进行此种情况下边坡的滑动稳定性分析。

例5：基本条件同例1，但是不稳定岩体的节理缝隙的充水与边坡外邻水不存在水力联系，如图5所示，综合本文中2.2节和2.3节中的计算方法，计算滑体的抗滑稳定系数如下：

若坡外邻水水位为岩体高度一半时，岩体节理裂缝内充满水时，如图5(1)所示，将边坡外静水压力Pw分解为平行于滑动面方向的切向力Tw和垂直于滑动面方向的法向力Nw进行分析：

图5 不稳定岩体边坡外邻水与节理缝隙充水无水力联系时剖面示意图Fig. 5 Schematic diagram of the contact between the water adjacent to the slope and the joint gap

坡面长、破裂角和坡脚分别计算如下：

边坡外静水压力、及其沿滑动面的法向和切向的分力分别为：

岩体节理裂缝内的静水压力为：

岩体边坡的抗滑移稳定系数计算如下：

若坡外邻水水位上涨至岩体顶面时，岩体节理裂缝内充水高度达到岩体高度一半时，如图5(2)所示，边坡稳定性分析计算如下：

坡外静水压力及其沿滑动面的法向和切向的分力分别为：

节理缝隙中的静水压力为∶

岩体的抗滑移稳定系数为：

若坡外邻水水位上涨至岩体顶面时，岩体节理裂缝内也充满水时，如图5(3)所示，抗滑移稳定性系数计算如下：

由例5分析可知，边坡外邻水水位的上升增大了岩体边坡的抗滑移稳定性，而节理裂缝内水位的上升减小了岩体边坡的抗滑移稳定性。

值得注意的是例5中的第三种情况与例2中的第二种情况计算结果完全相同，这是因为这两种情况下岩体边坡内部和外部所受到的静水压力条件完全相同，只是根据坡内与坡外之间的静水是否连通，采用的受力计算分析方法不同。同理可知如果例5中节理裂缝内的静水位等于边坡外邻水水位且为岩体高度的一半时，其计算结果同例2中的第一种情况。

3 不同场景下岩体边坡稳定性的对比总结

根据以上不同场景模式、不同静水压力条件下对基本条件相同的不稳定岩体边坡的稳定性的定量计算分析数据，以岩体边坡外邻水条件为经，以岩体节理裂缝的充水条件为纬，对不同静水压力条件下岩体边坡的抗滑移稳定性进行类比分析如表1，得出以下结论：

表1 不同静水压力条件下岩体边坡抗滑稳定性数据Tab.1 the data of rock slope stability under different hydrostatic pressure

从上表1可以看出边坡邻水和节理裂缝充水对不稳定岩体边坡的抗滑移稳定性存在着显著的影响。从表1的纵向数据分析可以得出：边坡外邻水的存在增大了边坡的抗滑移稳定性；而岩体节理裂缝内静水的存在则减小了边坡的抗滑移稳定性。二者对边坡稳定性影响的大小上，从表1可以看出边坡外邻水的影响大于节理裂缝内充水的影响。因为从上表的正对角线数据可以看出，在边坡外邻水水位和节理裂缝内水位同步上升时，岩体边坡的抗滑移稳定性是不断增大的，这说明边坡邻水对岩体边坡稳定性的增大作用大于节理裂缝内静水，对岩体边坡稳定性的减小作用。

4 理论结合实际情况的思考

在野外环境地质调查工作中，常常遇到邻水不稳定岩体边坡的滑移和坍塌（刘连刚，2015）。以河岸边的不稳定岩体为例，我们会发现河边不稳定岩体的滑移与坍塌一般都发生在洪水洪峰过后河流水位急剧消退和降落的过程中，而鲜有在河水上涨的过程中发生不稳定岩体边坡的滑移与坍塌（北京市地质矿产勘查开发局等，2008；黄润秋等，2002）。

这个现象用上面的分析就可以得到很好的解释，因为根据上面的定量计算得知河水上涨的过程中，不稳定岩体外边坡的邻水水位是不断上涨的，邻水水位的上涨，无论从本文2.1节情况分析，还是从本文2.2节情况分析，都是增大了不稳定岩体的抗滑移稳定性。所以在河水上涨过程中，鲜有发生不稳定岩体的滑移与坍塌。

在洪水过后，河流水位急剧消退，边坡邻水水位很快下降，而因为暴雨积聚在岩体节理裂缝内的水位却消退很慢，这就使得岩体内外的水压力差和水力梯度值急剧增大（北京市地质调查研究所，2012），岩体节理面的原本能保持岩体稳定的平衡应力状态被打破，从而发生滑移与坍塌（丁靖洋，2017）。

从河水消退对河岸不稳定岩体边坡的影响和分析中，还可以观察到，河岸不稳定岩体的滑移和坍塌与河水水位消长的频繁程度也有非常重要的关系，因为河水水位消长愈加频繁，不稳定岩体节理面的应力状态改变也愈加频繁（韦京莲等，1994）。

5 结论

从2.1节到2.4节的分析可以看出边坡邻水和节理裂缝充水对不稳定岩体边坡的抗滑移稳定性存在着显著的影响：（1）边坡外邻水的存在增大了边坡的抗滑移稳定性；而岩体节理裂缝内静水的存在则减小了边坡的抗滑移稳定性；（2）二者对边坡稳定性影响的大小比较上，边坡外邻水的影响大于节理裂缝内充水的影响。

在边坡外邻水水位和节理裂缝内水位同步上升时，岩体边坡的抗滑移稳定性是不断增大的，这说明边坡邻水对岩体边坡稳定性的增大作用大于节理裂缝内静水对岩体边坡稳定性的减小作用。

在实际的河道、水库岸边岩体及山区岩体边坡稳定性调查中，一定要抓住主要岩体节理裂缝分布对岩质边坡稳定性的影响，查明不稳定岩体裂缝与外界的水力联系条件，必要时要以灌浆等工程措施消除灌注岩体的节理裂缝，以防止节理裂缝因充水而降低岩体边坡的稳定性。