庫水對邊坡穩(wěn)定影響研究

1、庫水對邊坡穩(wěn)定性影響研究摘 要：庫水位變化是導致庫岸邊坡失穩(wěn)的重要外因之一，明確庫水位漲落導致滑坡失穩(wěn)的原因，選擇有效的計算方法進行邊坡穩(wěn)定性計算是邊坡穩(wěn)定研究的基本思路?；谒畮r相互作用機理，分析了庫水漲落對滑坡巖土體的影響。同時介紹了極限平衡法、有限元強度折減法，非飽和滲流應力耦合分析等滑坡穩(wěn)定性分析方法。在此基礎上，指出了當前研究中所存在的主要問題。關鍵詞：滑坡，水巖作用，滲流場，耦合，穩(wěn)定性評價1 引 言 邊坡失穩(wěn)是由內因與外應共同作用的，水的作用是一個重要的外在因素。Jones1等調查了Rooseveit湖附近地區(qū)在1941至1953期間年發(fā)生的一些滑坡，其中有49%發(fā)生在蓄水初期，

2、30%發(fā)生在水位驟降10-20m的情況下，其余為發(fā)生在其他時間的小型滑坡。在日本，大約60%的水庫滑坡發(fā)生在庫水位驟降時期，40%發(fā)生在水位上升時期，包括水庫蓄水初期。三峽庫區(qū)高程175 m以下滑坡體、崩滑體等有1302處，總面積15115萬m2，總體積333400萬m3。崩塌體積大于500萬m3的有127處2。因此了解與控制庫水位漲落對滑坡穩(wěn)定性的影響，就顯得尤為重要。本文主要就滑坡巖土體的水巖作用機理、滑坡穩(wěn)定性分析方法以及存在的問題等幾方面展開論述。2 庫岸邊坡的水巖作用機理2.1 水巖的相互作用 地下水普遍存在于巖土體之中，它與巖土體間的相互作用主要可歸為兩個方面1：一是地下水與巖土體

3、間發(fā)生物理、化學的相互作用，使巖土體和地下水的性質或狀態(tài)發(fā)生不斷的變化；二是地下水與巖土體間發(fā)生的力學方面的相互作用，它不斷地改變著作用雙方的力學狀態(tài)和特性。2.1.1 水對巖土體性質的影響 水對邊坡巖體的化學作用。巖體中常含有礦物成分，水的流動對碳酸鹽類物質有溶蝕作用，若水中含有某些酸或堿的成分，能對巖石的某些介質形成腐蝕，含水量反復變化能加劇巖石的風化作用。受水化學作用產生的易溶礦物則容易隨水流失，而難溶的礦物則殘留在原地，結果必然導致巖土體中的孔隙增大，巖土體也因此而變得松散不穩(wěn)。水對邊坡巖體的物理作用。在庫水位升高或暴雨期間，庫水或雨水入滲滑坡體，使浸泡部分滑坡體容重由天然容重提升到飽

4、和容重。浸泡滑坡體在高庫水位期間，因浸泡部分受到浮力作用而使滑動面上的有效自重減?。唤莼麦w在庫位降落期間，浸泡部分滑坡體由于水的滲出會導致滑坡體失去穩(wěn)定性。凝聚力和內摩擦角是決定巖土材料抗剪強度的重要參數(shù)。當飽和度增加，特別是達到飽和狀態(tài)時，粘聚力和內摩擦角的值都要降低，這會大大減少邊坡土體的抗剪強度，使邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)顯著減小。軟弱巖石，包括一些砂巖在內，當由非飽和狀態(tài)轉入飽和狀態(tài)后，其變形模量將有不同程度的降低5。2.1.2 水對巖土體力學狀態(tài)的影響 對于巖土類介質，其中的水會產生孔隙水壓力，同時由于孔隙水壓力的存在，總應力與有效應力有如下關系： （1)式中總應力與有效應力均以壓應

5、力為正。在非飽和狀態(tài)下，孔隙壓力為負值，有效應力將增大，對邊坡有利。當介質達到飽和后，孔隙壓力由負值轉為正值，有效應力將減小，對邊坡穩(wěn)定不利。由于水力梯度的作用5，水在邊坡內緩慢流動時會形成滲流場，從而產生滲流荷載。滲流荷載由兩部分組成：與水力梯度成正比的滲透力和水下介質所受的浮托力。通常，滲透力方向與滑坡方向相同6，是使滑坡體沿滑面滑動的主要荷載，浮托力的方向向上。有些邊坡滑面臨近出口段坡度較緩，依靠其上部巖石自重來維持穩(wěn)定。當?shù)叵滤簧仙龝r，維持巖體穩(wěn)定的那部分巖體由濕重減輕為浮重，邊坡穩(wěn)定性顯著減小。2.2 庫水位漲落對邊坡巖土體的影啊水庫水位上升導致邊坡巖體的材料性質發(fā)生改變。以前出露

6、于地表的巖土體，庫岸土坡或巖質邊坡裂隙中的泥質或巖質巖層在干燥狀態(tài)下強度較高，但在庫水水位升高而受到浸濕時，就會軟化、泥化，抗剪強度就會降低，從而導致老滑坡復活2，新滑坡產生。頁巖、粘土巖、含有有機質的粘土等，親水性很強，這種變化最為顯著。巖石和土體經(jīng)水的浸泡后，其強度普遍降低，且吸水性越強，強度降低越多。庫區(qū)水位升高后，庫岸被浸沒的松散土層漸漸坍塌，因而將牽引庫岸上的土層向庫內蠕滑，最終導致滑坡。 庫水位下降對邊坡巖體的影響主要表現(xiàn)為滲透穩(wěn)定性和力學作用的影響。 (1滲透穩(wěn)定性3。地下水的流動將帶走土體中的微細顆粒，產生潛蝕作用，將使本來就較松散的土體形成較大空隙，從而使土體下沉陷落。加劇岸

7、坡變形，導致產生滑移崩塌。國內外對退水塌岸現(xiàn)象的研究和報道已屢見不鮮。 (2)力學作用4。由于庫水水位的降低，庫岸內地下水水位高于庫水位，地下水由滑坡體排出，較大的水深和水力梯度形成較大的動水壓力，加大了沿地下滲流方向的滑動力，從而引起老滑坡的復活和新滑坡的產生。但是，如果滑坡體地下水排出較慢，地下水水位下降嚴重滯后于庫水位，會形成較大的靜水壓力，也會增大下滑力，引起崩塌和滑坡發(fā)生。地下水富集地段的岸坡，由于水位的突然下降，一部分地下水排出，庫岸所受到的浮托力突然減小，致使庫岸陷落壓密，則可能激發(fā)很高的超孔隙水壓力，使壓密帶抗剪強度急劇降低而導致岸坡失穩(wěn)。3 滑坡穩(wěn)定性分析方法 用于邊坡穩(wěn)定性

8、分析的方法主要可分為兩類：極限平衡分析法和數(shù)值模擬應力應變分析法。數(shù)值模擬方注主要代表為有限元注。3.1 剛體極限平衡分析方法 極限平衡法是一種破壞分析方法，其基本假定為：視巖體為剛體，不產生變形，但傳遞力。在此假定的基礎上，通過分析在臨近破壞狀態(tài)下土體外力與內部強度所提供的抗力之間的平衡，獲取滑動面的反力，來計算相應的安全系數(shù)。它是一種考慮靜力平衡，不考慮變形協(xié)調與材料本構關系的近似方法，它不能計算巖體變形，無法描述庫水上升驟降過程中水巖相互作用，滲流場、應力場的變化及相互影響。極限平衡法無法描述其發(fā)生的過程。因此，極限平衡法用于滑坡穩(wěn)定性評價存在著許多局限性。但由于其原理簡單，物理意義明確

9、，計算方便，參數(shù)和安全系數(shù)可由室內外試驗結合工程經(jīng)驗和設計規(guī)范確定。就工程應用而言，目前，極限平衡法是庫岸滑坡穩(wěn)定性評價中應用最廣泛的方法，常用的具體計算方法7有Janbu法、B ishop法、Spence法、Sauna法、Moigenstem-Price法和剩余推力法。但都需要事先假定滑動面位置和形狀。3.2 有限元強度折減法 在計算機和計算方法不斷發(fā)展的背景下，以有限元為代表的數(shù)值分析方法在20世紀70年代已逐步在巖土工程中推廣應用，并發(fā)展成為一種強有力的計算分析工具。有限元法可模擬復雜的地質地形邊界條件、材料的應力，應變的非線性行為、初始地應力、水壓力、地震荷載的耦合分析等等。因此，能更

10、好地模擬庫水漲落過程中，水巖的物理、力學作用，滲流應力相互之間的耦合作用，從而更客觀具體地從量化的角度反映出庫岸邊坡的水巖作用機制，及其失穩(wěn)破壞的全過程。然而有限元數(shù)值分析方法一般只是得出邊坡應力、位移、塑性區(qū)等，不能直接與邊坡穩(wěn)定建立定量關系。 Zienk iew icz等8首先提出的強度折減技術為此提供了一個有效途徑，其基本原則是將材料的強度參數(shù)值同時除以一個折減系數(shù)RF (Reduction Factor)得到一組新的值，然后作為新的材料參數(shù)進行試算，通過不斷地增加折減系數(shù)RF，通過有限元計算邊坡的應力應變，直至其達到臨界破壞，此時得到的折減系數(shù)即為安全系數(shù)，其分析方程為： (2) (3

11、)式中，為粘聚力，為折減后的粘聚力，為內摩擦角，為折減后的內摩擦角。4 非飽和滲流應力耦合分析 滑坡地下水滲流數(shù)值計算從客觀上反映了水巖作用對巖土體的影響：滲透系數(shù)的改變，滲流荷載的作用，滲流場應力場的相互影響。通過滲流計算得出孔隙水壓力和有效應力，采用有限元強度折減法進行滑坡穩(wěn)定性分析。由于建立合理的滲流模型，確定邊界條件和參數(shù)均存在種種困難，且滲流數(shù)值計算工作量很大。目前，關于庫水位漲落對滑坡穩(wěn)定性的影響，在工程應用中大多采用簡化模型，二維單一的滲流場數(shù)值模擬，忽略了滲流場與應力場的相互作用，要比較真實地反映庫水位升降對滑坡穩(wěn)定性的影響，就必須進行滲流應力耦合分析法。 張有天9最先提出四自

12、由度全耦合分析方法，將滲流場與應力場直接藕合求解。從幾何方程、本構方程、平衡微分方程、滲流連續(xù)性方程等基本方程出發(fā)，將位移表示的平衡微分方程與滲流水壓力表示的滲流方程聯(lián)立，建立同時以u,v,w,p為未知量的基本方程組，與有限元法結合，最后可以建立同時以結點位移和結點滲流水壓力為未知值的耦合有限元方程組。4.1 非飽和滲流應力耦合 巖土體非飽和特性對滑坡穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)在基質吸力對土體抗剪強度的影響上，其本質問題是非飽和土中應力狀態(tài)的描述。對于非飽和應力狀態(tài)的描述目前有Fred lund和Morgenstem所提出的雙應力變量理論，即取凈法向應力和基質吸力作為獨立的應力狀態(tài)變量。Fred l

13、and發(fā)展了非飽和強度理論，即: （4）式中，表示由基質吸力增加引起抗剪強度增加的吸力摩擦角，為土的抗剪強度，為孔隙氣壓力，為孔隙水壓力，為法向總應力，為粘聚力，為內摩擦角?；聨r土體的非飽和滲流沿襲飽和土的滲流理論，即非飽和土中水的運移。非飽和土的滲流與飽和滲流類似，服從達西定律和連續(xù)方程。不同在于孔壓的數(shù)值和土體水力參數(shù)。非飽和土中孔壓為負值，導水系數(shù)是吸力或飽和度的非線性函數(shù)。將達西定律帶入連續(xù)方程，忽略滲透過程中總應力的改變和土顆粒骨架的變形，并以總水頭作為未知量，當滲透力的主方向與坐標軸一致時，非飽和土二維滲流微分方程9可表示為： （5）式中，和分別為和方向的滲透系數(shù)，為水的容重，為

14、體積含水量，為基質吸力，為時間。 隨著庫水位下降，滑體內的浸潤線位置仍較高，不能與坡外水位同時降落，滑體內將產生對滑坡穩(wěn)定性不利的非穩(wěn)定滲流。同時，滑體孔隙水壓力減小，土體由飽和狀態(tài)轉化為非飽和狀態(tài)；降雨入滲滑坡表層使巖土體中含水率升高，并可能導致滯水發(fā)生，形成大片飽和區(qū)，以致巖土體中原有的吸力及其抗剪強度貢獻降低甚至完全喪失，滑坡安全系數(shù)因此降低。進行滑坡非飽和非穩(wěn)定滲流分析，其流量邊界的確定、非飽和巖土體中的初始地下水位及初始孔壓場的確定等均存在技術困難，且非飽和土水力特性隨著吸力的變化而改變，非飽和土導水系數(shù)也難以確定，目前國內外在此方面的研究成果非常缺乏。目前，還未見有非飽和滲流應力耦

15、合分析在滑坡工程中的應用實例。5存在的問題 （1）水庫蓄水前后，缺乏巖土體物理力學性質的對比分析試驗。庫水位漲落過程中，水巖作用對滑坡巖土體的影響主要表現(xiàn)為抗剪強度參數(shù)值的降低，滲透穩(wěn)定性的改變，靜水壓力、動水壓力的改變。目前，對抗剪強度參數(shù)降低的程度及滲透系數(shù)的變化等均缺乏量化研究。開展水庫蓄水前后的巖土體物理力學性質參數(shù)對比試驗分析，對于明確庫水位漲落過程中巖土體的水巖作用機理必將有很大幫助。 （2）滑坡穩(wěn)定性評價方法不夠完善。極限平衡法在滑坡穩(wěn)定性分析中應用最為廣泛，但無法慮但庫水位上升驟降過程中水巖相互作用，滲流場、應力場的變化及相互影響，更無法反映庫水位上升下降速率的快慢對滑坡穩(wěn)定性

16、的影響，且確定浸潤線也缺乏科學的理論依據(jù)。新近發(fā)展起來的有限元強度折減法克服了極限平衡法的不足，目前還未廣泛應用。 （3）滲流應力耦合分析目前還處于初級階段。庫水位漲落對滑坡穩(wěn)定性的力學作用，主要表現(xiàn)在水力學、滲流荷載的作用上。目前滲流數(shù)值模擬主要以二維飽和滲流數(shù)值模擬為主，只有較少數(shù)采用間接非飽和滲流的例子。滑坡巖土體的水巖作用，庫水下降和降雨入滲形成非飽和區(qū)，都存在著滲流場應力場的相互影響，滲流應力耦合的數(shù)值模擬有待于進一步的探討。參考文獻：1 田野 郭愛清.水工巖石力學J.中國水利水電出版社. 2004.2 周瑜江.水對英雄水庫壩體滑坡的復活作用初探J.四川水利 1999 (5).3 袁中友, 唐曉春.蓄水和水位變動對三峽庫區(qū)崩塌滑坡的影響及對策J 熱帶地理, 2003 23 (1).4 朱冬林, 任光明, 聶德新. 庫水位變化下對水庫滑坡穩(wěn)定性影響的