降雨與邊坡穩(wěn)定分析

降雨與邊坡穩(wěn)定分析

降水是斜坡失穩(wěn)的主要原因。《中國(guó)典型滑坡》一書(shū)中列舉了50多個(gè)滑坡實(shí)例,95%以上的滑坡都與降雨有著密切關(guān)系。在降雨條件下,雨水增加了坡體的自重,降低了坡體巖土體的相關(guān)參數(shù)誘發(fā)滑坡,更重要的是邊坡體上裂縫的發(fā)展,使得在降雨條件下,邊坡的變形更加加劇。胡愛(ài)軍等以湖南郴州地區(qū)為例,建立了降水型滑坡歷史災(zāi)害空間分布、地質(zhì)和地形等滑坡影響因子空間數(shù)據(jù)庫(kù),采用經(jīng)驗(yàn)似然比函數(shù)對(duì)降雨型滑坡進(jìn)行災(zāi)害概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估;黃玉華等在文獻(xiàn)中談到,滑坡體上的裂隙和孔洞是雨水入滲的主要途徑。徐學(xué)軍針對(duì)邊坡失穩(wěn)破壞時(shí)坡頂出現(xiàn)大量豎向裂縫的工程實(shí)際,推導(dǎo)了裂縫開(kāi)展深度的彈性解,提出了坡頂存在豎向裂縫時(shí)邊坡的穩(wěn)定分析方法;祁生文從工程地質(zhì)類比的角度分析了錦屏一級(jí)水電部裂縫的形成,指出區(qū)域的地殼活動(dòng)水平和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度是普斯羅溝左岸邊坡深部裂縫形成的本質(zhì)原因和前提條件,邊坡坡體結(jié)構(gòu)以及巖性組合是深部裂縫形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。金德山通過(guò)長(zhǎng)期的野外工作,把常遇到的裂縫分為5種不同的類型進(jìn)行闡述與分析。本文分析了降雨條件下,均質(zhì)邊坡裂縫的形成演化機(jī)制,討論了貫通于滑動(dòng)面的裂縫如何影響邊坡的穩(wěn)定。1土體滲流速率因子滑坡的發(fā)生總是伴隨著裂縫的發(fā)展,可以說(shuō)地表裂縫是邊坡變形滑坡發(fā)生的前兆。地表裂縫的產(chǎn)生又受到降雨的影響。下面主要討論在降雨條件下,均質(zhì)邊坡裂縫是如何發(fā)展演化的。由于邊坡地表的起伏復(fù)雜性,在邊坡的局部區(qū)域,特別是在降雨的情況下,地表形成的橫向徑流,對(duì)地表土體進(jìn)行沖刷,形成小的橫向沖溝,這些小的橫向沖溝可把邊坡體沿順坡勢(shì)分為M1和M2上下兩部分。M1滑體受到的下滑力為F,底面受到的抗滑力為T,前緣合力為f1,截面AB處的合力為f2,如圖1所示。文獻(xiàn)指出土的飽和度對(duì)滲透系數(shù)的影響因素:如果土不是完全飽和而有封閉氣體存在,即使其含量很小,也會(huì)對(duì)土的滲透性產(chǎn)生顯著影響。土中存在封閉氣泡不僅減小了土的過(guò)水?dāng)嗝?更重要的是它可以填塞某些孔隙通道,從而降低土的滲透性。在AB截面上,降雨情況下在A點(diǎn)附近形成了地表徑流,由于A點(diǎn)附近巖土的飽和度大于邊坡其它位置巖土體的飽和度,故在A點(diǎn)附近的滲透系數(shù)較邊坡體其它部位大。根據(jù)達(dá)西定律,滲流速度v是滲透系數(shù)k與水力梯度i的乘積,即υ=ki。雨水沿AB面入滲的速度就較快,由于雨水對(duì)巖土體具有潤(rùn)滑,軟化作用,文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)表明,土體內(nèi)摩擦角和粘聚力與含水率呈線性遞減關(guān)系,這就促使AB面的強(qiáng)度降低較大,明顯降低了截面AB的抗拉強(qiáng)度,f2顯著降低。另外,降雨加重了巖土體容重,滑體M1上的下滑力F增大,滑體沿順坡勢(shì)下滑的趨勢(shì)增強(qiáng),若滑體M1有微量下滑位移,而M2滑體保持原有的狀態(tài),將導(dǎo)致AB面截面積減小。假設(shè)此時(shí)f2對(duì)M1滑體的抗拉力大小不變,將導(dǎo)致應(yīng)力增大,易使截面上處于臨界強(qiáng)度的巖土體拉裂,形成微裂縫。f1源于M1滑體前面滑體的抗力,對(duì)于整個(gè)滑坡體而言,若只有M1為滑體,此時(shí)在滑坡體前緣抗力f1由于受到滑體下滑趨勢(shì)的影響有增大的趨勢(shì),軟弱結(jié)構(gòu)面上的抗滑力T的增大或減少主要取決軟弱結(jié)構(gòu)面的正壓力的增加和粘聚力的減小程度。當(dāng)F>f1+f2+T時(shí),M1和M2體將分離,AB面將開(kāi)裂形成裂縫;若M1滑體為滑動(dòng)邊坡的部分,此時(shí)M1滑體前面的滑體也將具有下滑的趨勢(shì),f1的增大或減小主要取決于M1滑體和其前面滑體的下滑程度。設(shè)v0和v1分別為M1前面滑體和M1滑體的下滑速度:①v0>v1,抗滑力f1減小,利于滑體后緣裂縫的產(chǎn)生;②v0=v1,抗滑力f1不變,對(duì)滑體后緣裂縫的產(chǎn)生無(wú)影響;③v0<v1,抗滑力f1增大,阻礙滑體后緣裂縫的產(chǎn)生?？梢?jiàn),滑體前緣滑體的穩(wěn)定程度對(duì)滑體后緣的裂縫產(chǎn)生也起著顯著的影響,在v0>v1的情況下,近似于滑體前緣臨空的情況,這也從側(cè)面反映了滑體前緣臨空程度越強(qiáng),滑體后緣越易產(chǎn)生裂縫。裂縫的發(fā)展是一個(gè)量的積累過(guò)程,并非一次降雨就會(huì)形成從地表貫通到軟弱結(jié)構(gòu)面的裂縫,而是在降雨綜合因素影響下,一個(gè)周而復(fù)始的過(guò)程,最終形成于貫通地表與軟弱結(jié)構(gòu)面的裂縫,進(jìn)而促成滑坡的發(fā)生。2滑坡體及裂縫對(duì)邊坡穩(wěn)定系數(shù)的影響假設(shè)裂縫內(nèi)積水深度為hw,水的容重為γw,地表到軟弱夾層的深度為H,設(shè)上部滑體為剛體,其重量為W,坡面傾角為α,滑面傾角為β,滑面上受到有效壓力N,靜水壓力U和抗滑力T,其力學(xué)關(guān)系如圖2所示。假設(shè)裂縫內(nèi)積水深度范圍內(nèi),靜水壓力成三角形分布,則靜水壓力合力為:F=12γwh2wF=12γwhw2。(1)滑面有效壓力N為:N=Wcosβ-U-Fsinβ。(2)滑體產(chǎn)生的下滑力Q為:Q=Wsinβ+Fcosβ。(3)滑面產(chǎn)生的抗滑力T為:T=cL+Ntanφ。(4)式中:c為滑面的粘聚力,φ為滑面的內(nèi)摩擦角。滑坡體的穩(wěn)定系數(shù)Fs=TQ=cL+(Wcosβ?U?γwh2w2sinβ)tanφWsinβ+12γwh2wcosβFs=ΤQ=cL+(Wcosβ-U-γwhw22sinβ)tanφWsinβ+12γwhw2cosβ。(5)裂縫對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響主要有如下幾條。(1)降雨后裂縫中積水,產(chǎn)生水平方向的靜水壓力F。F可分解為平行于滑面的力Fcosβ和垂直于滑面的力Fsinβ,靜水壓力F的分解如圖3所示。從圖3可以看出,裂縫中的積水對(duì)邊坡的穩(wěn)定起到負(fù)作用,靜水壓力F在平行于滑面方向上的分力Fcosβ增加了滑體的內(nèi)滑力,垂直于滑面的分力Fsinβ減輕了滑體在滑面上的正壓力,從而導(dǎo)致滑面上的阻力T減小,促進(jìn)了滑坡的發(fā)生。(2)裂縫中的水沿著裂縫底部滲入滑動(dòng)面,促使滑面處?kù)o水壓力增加,導(dǎo)致滑面處有效壓力N減小,致使抗滑力減小,滑坡穩(wěn)定系數(shù)降低。(3)從裂縫底部滲入到滑面的水,對(duì)滑面起到了軟化、潤(rùn)滑作用,從而降低了滑面的抗剪強(qiáng)度,降低邊坡的穩(wěn)定系數(shù)。3不同公路k64+200對(duì)丁家墳滑坡位于云南省雙柏縣南側(cè)楚(雄)勐(醒)公路K64+200處。2008年6月,由于連續(xù)近半個(gè)月的中-暴雨,邊坡開(kāi)始出現(xiàn)大規(guī)模的滑動(dòng),滑坡基本概況見(jiàn)圖4。3.1層序界面ssr根據(jù)工程需要,在邊坡的大致滑動(dòng)范圍內(nèi)布置了14個(gè)鉆孔(圖4),據(jù)鉆探揭露,地表下30m深度范圍內(nèi),邊坡的地層主要由第四系人工填土、沖洪積圓礫、殘坡積粘性土、含碎石角礫及侏羅系上統(tǒng)妥甸組上段(J3?t2)泥巖夾粉砂巖組成。根據(jù)其成因及物理力學(xué)性質(zhì)差異分四大層,分述如下。①人工填土(Qml44ml):褐灰、褐黃、紫紅色,稍密～松散,濕,成分為碎石、碎磚及粘性土。鉆孔控制層厚1.20m。②圓礫(Qal44al):褐紅、紫紅色,飽和,稍～中密,成分為泥巖、粉砂巖,含量60%～80%,粒徑1～3cm,局部夾卵石、漂石,砂土充填,僅丁家河鉆孔揭露。③殘坡積物(Qdl+el44dl+el):褐紅、紫紅色含角礫粉質(zhì)粘土、角礫土,按其巖性及物理力學(xué)性質(zhì)又分為3個(gè)亞層殘積物。③1含角礫粉質(zhì)粘土:濕,硬塑,含5%～15%的泥巖角礫及少量碎石,分布不均,控制層厚度1.10～11.50m。③2角礫土:濕,稍密,成分為泥巖,僅zk7和zk10揭露,控制層厚度0.80～0.90m。③3含角礫粉質(zhì)粘土:濕,可～硬塑,含5%～15%的泥巖角礫及少量碎石。該層滑坡體滑動(dòng)帶,控制層厚度0.6～2.0m。④侏羅系上統(tǒng)妥甸組上段(J3?t2)紫紅、灰色泥巖夾粉砂巖,巖層產(chǎn)狀為204°∠21°,其中滑坡中上部為紫紅色主,下部為灰、紫紅色,按物理力學(xué)性質(zhì)及風(fēng)化程度分為3個(gè)亞層。④1為全風(fēng)化泥巖夾粉砂巖,呈土狀或土夾石狀,局部夾強(qiáng)風(fēng)化碎石。④2為強(qiáng)風(fēng)化泥巖夾粉砂巖,節(jié)理裂隙發(fā)育,主要有145°∠34°、39°∠57°,巖石破碎,呈碎石、碎塊狀。④3為中風(fēng)化泥巖夾粉砂巖,節(jié)理裂隙發(fā)育,主要有145°∠34°、39°∠57°,巖石破碎,呈碎塊狀。RQD值在28.6%～66.7%。3.2邊坡表面雨水環(huán)境及邊坡裂縫產(chǎn)生原因分析丁家墳邊坡屬高山山地地貌,自然地形坡度在15°～25°,其最大高差約為100m。邊坡目前處于變形階段,圖4中大致圈定了滑坡的邊界,在滑坡邊界范圍內(nèi),如圖5所示的裂縫分布廣泛,開(kāi)裂最為嚴(yán)重的部位在圈定的滑坡邊界上。滑坡區(qū)域地處亞熱帶高原季風(fēng)氣候區(qū),干濕季節(jié)分明,年平均氣溫15℃,年降雨量700～800mm,其中5-10月為雨季,降雨量占全年的80%?；聟^(qū)后緣由于受到公路的影響,降雨時(shí)(特別是在暴雨情況下)路面(瀝青路面)無(wú)雨水入滲,雨水沿路面橫向流動(dòng),直到路基邊坡坡腳,加上路基邊坡在此區(qū)域較陡,首先在邊坡區(qū)一些區(qū)域就形成了小的沖溝,在沖溝區(qū)域內(nèi),邊坡巖土體處于飽和狀態(tài),降雨入滲嚴(yán)重。受地形影響,整個(gè)滑坡區(qū)的后緣區(qū)域的臨空條件較好,加上雨水對(duì)地表部分區(qū)域的嚴(yán)重侵蝕,使雨水易達(dá)到邊坡體內(nèi)部,軟化巖土體的強(qiáng)度參數(shù)。雨水反復(fù)作用和好的邊坡臨空條件,最終在圖4邊坡的后緣區(qū)域形成了近南北方向的裂縫。在邊坡東北區(qū)域內(nèi)形成的東南西北走向的裂縫,受到滑坡后緣的推力作用和滑坡區(qū)域的南西方向較好臨空條件,促使了貫通裂縫的產(chǎn)生。邊坡裂縫的產(chǎn)生受多種因素的影響,上述因素對(duì)裂縫的產(chǎn)生起到了推動(dòng)的作用。另外,邊坡巖土體在長(zhǎng)期干旱的情況下,也易形成干裂,這些裂隙在降雨情況下雨水沿其入滲到邊坡體內(nèi)部,加上邊坡體局部好的臨空和巖土體強(qiáng)度參數(shù)的降低,也可能導(dǎo)致大的貫通裂縫的產(chǎn)生。3.3滑坡區(qū)的殘坡積物及變形機(jī)理?yè)?jù)勘察知,丁家墳邊坡在③和④層交界處附近存在軟弱夾層。人工填土僅在公路邊坡附近處存在,圓礫層也僅在邊坡坡腳丁家河揭露,邊坡上巖土體以殘坡積物為主?；麦w主要為殘坡積物,鉆孔zk1～zk2揭露殘坡積物厚度5.0～7.0m,鉆孔zk3～zk5揭露殘坡積物厚度9.0～11.0m,鉆孔zk6～zk9揭露殘坡積物厚度6.0～7.5m,鉆孔zk10～zk14揭露殘坡積物厚度4.0～5.0m?；聟^(qū)后緣殘坡積物較厚且后緣裂縫已貫通,裂縫跨度0.1～0.4m,后壁高0.5～1.5m。滑坡后緣區(qū)裂縫將是促使滑坡惡化發(fā)展的主要原因。降雨條件下,裂縫內(nèi)積水,雨水沿裂縫入滲(強(qiáng)降雨條件下,雨水可直達(dá)軟弱夾層面),在裂縫內(nèi)形成靜水壓力,增大了邊坡的下滑力。裂縫內(nèi)積水也弱化了裂縫截面土體的強(qiáng)度參數(shù),使后緣土體對(duì)前緣土體的抗拉強(qiáng)度降低。入滲到滑面的雨水也增加了滑面的靜水壓力,使滑面處的有效應(yīng)力減小,邊坡的穩(wěn)定系數(shù)減小?；潞缶墔^(qū)域殘坡積物厚度較大,邊坡又較陡,加上貫通裂縫的發(fā)展,降雨條件下首先會(huì)引起邊坡后緣區(qū)失穩(wěn),失穩(wěn)的滑體對(duì)前緣滑體產(chǎn)生推力,將最終使整個(gè)滑坡體從坡腳處剪出。4幾種區(qū)域邊坡的土體入滲能力增強(qiáng)本文以土質(zhì)邊坡為例,闡述了在降雨條件下裂縫的演化機(jī)制及其裂縫的發(fā)展對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。在降雨條件下,