地下水对边坡稳定性影响

2018-08-30刘明发赵毅博

水利科技与经济 2018年4期

刘明发，赵毅博，张静

(1.贵州大学资源与环境工程学院，贵阳 550025； 2.南水北调中线干线建设管理局河南分局，郑州 450000)

边坡的破坏并不是瞬间就完成的，它是一个缓慢的过程，影响边坡失稳的因素错综复杂。内在因素包括地形地貌、地质构造、地层岩性、水文地质条件、坡体物质的组成及其结构特征，这些因素决定了边坡的破坏模式。外在因素分为不良地质现象和不良地质作用，主要包含有气候、降雨量、地下水位的变化等。大量数据证明，地下水以多种方式对边坡稳定性产生不利的影响，它是评价边坡稳定时需要重点考虑的因素。赵艳[1]研究表明，地下水会使边坡岩土体结构面上受到静水压力的作用，会降低滑体重量产生的法向应力，降低抗滑阻力。地下水在边坡中排泄受到阻碍，会使岩土体的重量变大，增加坡体的下滑力。周罕[2]提出影响边坡稳定性的因素主要包括5个方面：①地质条件；②坡体材料的物理力学参数；③边坡的尺寸和形状；④边坡工作的条件，如荷载作用；⑤水的作用。叶华成[3]得出水的渗入导致土体含水量增加，使土体的强度参数降低，从而减小边坡稳定性的结论。地下水的活动是造成滑坡发生的直接原因，也是最复杂又变化不定的影响因素。受天气的影响，地表水会从表面渗入地下，成为地下水溶蚀和冲刷边坡内部的裂隙或者结构面及裂隙等等。据统计，80%～90%的滑坡破坏均与水有关。许多学者就地下水对边坡稳定性的影响方式和作用机理做了大量的研究工作[4-6]。

地下水与边坡坡体的相互作用从类型上分为物理作用、化学作用及力学作用[7]。结合前人的研究，本文借助三轴试验来研究不同含水率对土体抗剪强度造成影响。又以某土质边坡为例，分别用理正5.6计算稳定性和GEO-SLOPE软件分析不同地下水位对边坡稳定系数的影响，研究结果可为边坡支护提供一定的参考。

1 边坡稳定性

边坡一般是由岩土体或者单一的岩体和土体组成，评价稳定性时，采用的安全系数也是不一样的。通过边坡材料的力学参数计算边坡稳定性系数，是评价该边坡是否达到稳定的指标。边坡的安全系数根据边坡规范来确定。一般来说，岩质边坡与均匀土质边坡破坏形式不同，岩质边坡破坏模式较为复杂，可能会沿着某一破坏面做折线滑动，也可能崩塌或坠落。但均匀土质边坡大部分以某一潜在的圆弧滑动面破坏。1955年，毕肖普明确了土体稳定安全系数的定义为潜在滑面上的抗滑力与下滑力的比值，用下式表示：

(1)

式中：Fs为边坡稳定性系数；R为某潜在滑动面上的平均抗滑力；T为某潜在滑动面上的平均下滑力。

可根据表1来评价边坡所处的稳定状态。表1中Fst可在边坡规范上根据实际工程查询。

表1 边坡稳定性状态

2 室内试验及分析

2.1 室内三轴试验

取含水率为59%、41%、35.2%、31.5%的原状土试样，为了更好地探讨水对岩土体抗剪强度的影响，特意进行3种试验方法的三轴压缩试验，即不固结不排水(UU)、固结不排水(CU)、固结排水(CD)试验，土样制取及试验过程严格按照《土工试验方法规程》进行，试验围压为50、100、150、200、250和350 kPa。

2.2 结果分析

图1表示不同含水率下所得到的黏聚力的变化曲线。由图1可知，UU试验在40%含水率之前，土体的黏聚力受含水率影响最大，含水率的变大，黏聚力削减得最快，而CU试验和CD试验变化趋势相近，40%含水率以后，三者的变化趋势比较类似。可得出结论，地下水会使土体的含水率提高，从而降低土体黏聚力，CU试验和CD试验降低40%，而UU试验强度降低幅度最大，达到73%。

图1 不同含水率下黏聚力变化曲线

图2表示不同含水率下所得到的内摩擦角的变化曲线。UU试验、CU试验和CD试验在随着含水率的增加，摩擦角均呈减小的趋势，大致类似于倒着的S型，代表摩擦角减小的趋势为先增大后减小。其中，相同含水率下UU试验测得的内摩擦角最小，而CD试验测得的内摩擦角最大，CU试验位于两者中间。随含水率的增加，CU试验测得的内摩擦角减小速率是最慢的，其减小幅度为25%左右；UU试验减小21%；CD试验减小幅度最小，约11.7%。由此可得，地下水的存在会降低土体的内摩擦角，使土体的物理力学性能变差。

图2 不同含水率下摩擦角变化曲线

3 地下水对坡体的作用

地下水边坡岩土体的作用主要分为物理作用、化学作用和力学作用。从边坡稳定性分析，地下水的作用最终通过两种方式降低边坡稳定性：①等效的增加滑坡体的重量，使下滑力增大；②润滑潜在滑面，降低滑面的物理力学参数，减小抗滑力。

3.1 物理作用

地下水对岩土体的物理作用，主要表现为润滑、软化和泥化[8]。地下水的润滑作用会冲刷坡面的松散物质，当坡体有软弱夹层时，这种侵蚀作用表现更强烈，会使部分坡体临空，从而失去支撑后发生破坏。地下水对坡体的软化作用主要对边坡体的软岩或极软岩产生作用，其作用效果与泥化作用类似，均是降低岩体的力学参数。地下水的流动类型和流速也会破坏岩土体，紊流比层流破坏强度大，破坏的能量与速度的二次方成正比。

3.2 化学作用

地下水与边坡接触产生的化学作用不断改变岩土体的性质和强度特性，影响边坡稳定性。水中有一些酸性或碱性成分，与岩土体发生水解、溶解和碳酸化等作用，会破坏土体内部细微的结构，改变土体的结构特性，进而影响其力学性能。赵鹏[9]对某铝厂碱对红黏土的物理力学性质的影响进行研究，得出在碱的作用下，红黏土物理力学性质存在物理性质变好、力学性质变差的结论。具体表现为红黏土物理性质整体变好，黏聚力、内摩擦角减小。温度降低时，岩土体与水会产生一些结晶作用，当温度升高时，某些物质中的水就会流出，使岩土体的变得松散软弱。

3.3 力学作用

地下水对岩土体的力学作用主要为静水压力和动水压力。当岩土体内部赋存有地下水时，水会对周围的岩土体产生静水压力，水头越高，压力越大，静水压力随深度的增加呈三角形分布。当存在裂缝或者孔隙时，地下水从某个位置流出，形成统一潜水位面，则静水压力为零。静水压力的大小由水头差决定。地下水对岩土体产生的动水压力，是水在岩土体裂隙或结构面中流动而产生。如果岩土体之间存在细小的颗粒，在一定条件下，可能引起管涌和流沙。

4 边坡稳定性系数计算

4.1 工程概况

某建筑拟建在山脚，对坡脚进行一定的开挖，其剖面图见图3。已知上层为约36 m的红黏土，下层为强风化泥岩。结合工程实际，采用固结不排水试验的物理力学指标对该边坡进行稳定性评价。

图3 工程地质剖面图

红黏土随含水率变化，固结不排水试验得到的抗剪强度参数见表2。

表2 土体物理力学参数

4.2 理正计算

该边坡的高度H=31.12 m，属于土质边坡，破坏后果很严重，边坡的工程安全等级为一级，属于永久性边坡。在自然工况下，Fst取1.35。

计算项目：复杂土层土坡稳定计算 1

[计算简图]见图4

图4 计算简图

[控制参数]

采用规范:通用方法

计算目标:安全系数计算

滑裂面形状:圆弧滑动法

不考虑地震

[坡面信息]

坡面线段数 9

坡面线号水平投影(m) 竖直投影(m) 超载数 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

不考虑水的作用

[计算条件]

圆弧稳定分析方法:Bishop法

土条重切向分力与滑动方向反向时:当下滑力对待

稳定计算目标:自动搜索最危险滑裂面

条分法的土条宽度:1.000(m)

搜索时的圆心步长:1.000(m)

搜索时的半径步长:0.500(m)

计算结果:

[计算结果图]见图5

图5 圆弧滑动法计算图

最不利滑动面:

滑动圆心=(10.002,49.216)(m)

滑动半径=50.223(m)

滑动安全系数=1.633

总的下滑力=5560.392(kN)

总的抗滑力=9082.745(kN)

土体部分下滑力=5560.392(kN)

土体部分抗滑力=9082.745(kN)

在不考虑地下水作用的情况下，用理正5.6计算得边坡的稳定系数为1.633>1.35，边坡处于稳定状态。

4.3 GeoStudio 2007计算及结果分析

利用GeoStudio 2007计算边坡稳定系数，见图6和图7。边坡在无地下水作用时，稳定性系数为1.748，边坡处于稳定状态，比用理正5.6计算的结果偏大。

图6 计算稳定性系数时搜索最危险滑动面

图7 最危险滑动面

地下水位发生变化时，结合试验，地下水位以下，取含水率为59%的抗剪强度参数进行计算；地下水位以上，取含水率为32.5%的参数计算。边坡稳定性系数的计算见图8～图19。

图8 地下水位2 m

图9 地下水位4 m

图10 地下水位6 m

图11 地下水位8 m

图12 地下水位10 m

图13 地下水位12 m

图14 地下水位14 m

图15 地下水位16 m

图16 地下水位18 m

图17 地下水位20 m

图18 地下水位22 m

图19 地下水位24 m

当地下水位从0～20 m变化时，边坡的稳定系数一直在下降,在地下水位从10～12m和16～18 m变化时，稳定系数下降平缓。从20～22 m变化时，会有所升高。地下水位在22～24 m时，边坡的稳定性系数继续呈下降趋势。水位在6 m及以上，边坡处于基本稳定状态；在6 m以下，边坡处于稳定状态；在没有地下水的作用时，边坡的稳定性系数最高，此时边坡相对最稳定。地下水位为20 m时，稳定系数为1.094，稳定系数最低。最终得出结论，地下水会影响岩体的力学性能，降低边坡的稳定性。因此，在评价边坡稳定性时，需要详细查明地下水的情况，才能保证边坡达到稳定要求。见图20。