孟慧娟

環(huán)境水對邊坡工程穩(wěn)定性的影響研究

孟慧娟

（河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，天津300250）

在絕大多數(shù)的邊坡失穩(wěn)案例中，環(huán)境水都以不同形式、不同程度地參與其中，多以降雨入滲為主，也有新建水庫蓄水引起的，還有水庫快速泄洪引起的。環(huán)境水的作用主要體現(xiàn)在降低巖土體的抗剪強度、增加巖土體的重度和產(chǎn)生滲水壓力等方面。在不同巖性和不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的邊坡中，環(huán)境水的影響方式和影響程度也是不同的。在工程實際應(yīng)用中，正確分析出環(huán)境水對邊坡的影響方式和影響程度，能很好地指導(dǎo)邊坡工程的勘測、設(shè)計、施工和運行管理。

環(huán)境水；邊坡；穩(wěn)定性；誘發(fā)作用

地質(zhì)體的穩(wěn)定性受其物質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)條件和環(huán)境條件的綜合影響［1］，所以潛在的滑坡在滑動失穩(wěn)之前必然處于力學(xué)平衡狀態(tài)，滑動體的滑動同樣是因為之前的力學(xué)平衡發(fā)生了破壞。這種力學(xué)平衡的失衡無外乎滑動面上的剪應(yīng)力增加和抗剪強度的降低兩種情況，或二者均存在。地質(zhì)體的物質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)條件一般是不發(fā)生變化的，即使發(fā)生變化通常也是由環(huán)境條件的變化引起的。潛在的滑坡體環(huán)境條件的改變是影響其穩(wěn)定性的主要條件之一，可以說是環(huán)境條件的改變誘發(fā)了潛在滑動體的滑動失穩(wěn)。這種環(huán)境條件的改變可以概括為人為因素、地震因素和環(huán)境水因素。這里主要討論環(huán)境水的改變對滑動體穩(wěn)定性的影響。

地下水是一種重要的地質(zhì)應(yīng)力，它與巖土體的相互作用，極大地改變了巖土體的物理、化學(xué)及力學(xué)性質(zhì)［2］，是地質(zhì)環(huán)境中非?；钴S的因素；地表水和地下水存在著水力學(xué)聯(lián)系，可以互相補給，即巖土體中的地下水可以隨著其周邊的地表水的改變而改變；地下水還可受到工程措施的影響而改變。所以，地下水的變化是控制邊坡穩(wěn)定性關(guān)鍵因素之一。

自然界中水是無處不在的，水總是或多或少地以不同的形式影響著地球表層的巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)，從而影響著自然邊坡和人為邊坡的安全穩(wěn)定問題。這里所提到的環(huán)境水是指邊坡巖土體所處地質(zhì)環(huán)境中所有的地表水和地下水。

1　環(huán)境水的存在方式

自然界中的水以氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)3種形式存在著，對邊坡工程的穩(wěn)定起到影響的只有液態(tài)水。液態(tài)水按其賦存位置可分為地表水和地下水，其中地下水分布在巖土體中裂（孔）隙中，對巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)影響最大。邊坡工程周邊的地表水在條件成熟時可以入滲巖土體轉(zhuǎn)化為地下水；地表水也可以以動水的形式?jīng)_刷岸坡，形成對岸坡側(cè)向或底部的侵蝕，破壞邊坡的結(jié)構(gòu)，直接影響到邊坡穩(wěn)定；地表水還可以給邊坡施加靜水壓力，對邊坡的穩(wěn)定性有益，如庫岸工程。

2　地下水對巖土體的作用

地下水直接影響到巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)，主要體現(xiàn)在以下幾方面。

2.1提高巖土體的重度

地下水賦存在巖土體的裂隙或孔隙中，巖土體的重度隨著含水率的上升而加大，即γ飽和＞γ濕＞γ干。在邊坡工程中，尤其是滑動體重度的增加，其下滑力Wsinα相應(yīng)地增加，加大了邊坡失穩(wěn)的概率。

2.2降低巖土體的抗剪強度

地下水的存在以及地下水量的變化都會影響到巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)，只是不同的成巖（土）礦物對水的敏感程度不同，對巖土體力學(xué)性質(zhì)的影響程度也不同。

（1）巖體。由黏性礦物構(gòu)成的大多數(shù)堅硬巖體和許多的砂質(zhì)土、礫石的黏結(jié)力和摩擦特性不會由于水的存在而有顯著變化。但對于黏土類巖石，如泥巖、頁巖等，對水具有高度敏感性，表現(xiàn)為泥化現(xiàn)象，巖體質(zhì)地變軟、礦物晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變、抗剪強度顯著降低。

流動的水對碳酸鹽類的可溶性巖石具有溶蝕作用，在巖體內(nèi)部形成孔洞，改變了巖體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。由于地表水的切割作用，該類巖石地區(qū)的地形陡峭，邊坡破壞形式多以崩塌為主。

（2）土體。土體是由黏土礦物構(gòu)成的，黏土礦物表面積大、附帶有電荷，對水具有高度的吸附力，故受土體中水分的改變影響很大。

土體的抗剪強度分為黏聚力c和摩擦強度σtanφ。黏聚力為土體顆粒間的靜電引力、分子力、膠結(jié)強度以及吸力的綜合作用，對顆粒間含水量的變化非常敏感。其中，靜電引力、分子力、顆粒間的膠結(jié)強度都隨含水量的增高而呈降低的態(tài)勢。吸力ua-uw存在非飽和土中，為土?？紫吨袣怏w和液體接觸面處的大氣壓力ua與水壓力uw的差值；隨著含水量的上升，吸力逐漸增大；到達某個極值后，隨著含水量的上升，吸力開始減??；土體飽和時，吸力減小至0。土體的摩擦強度中正壓力σ受地下水的影響大。根據(jù)有效應(yīng)力原理（σ'=σ總-uw），孔隙水力的變化直接影響著有效應(yīng)力的大小，從而影響到土體摩擦強度。土體的內(nèi)摩擦角φ，主要受土粒的礦物成分、密度、粒徑級配和形狀等要素的控制，地下水的變化對其影響不大。

2.3對巖體產(chǎn)生浮托力

滑動面通常都是相對隔水層［1］，滑動體中飽水時，地下水將會對土體有浮托力v的作用。這種作用在巖體質(zhì)邊坡中更為明顯，因為在散體的滑動體中孔隙發(fā)育，這種浮托力易消散。當巖質(zhì)邊坡滑動面上的地下水為承壓水時，浮托力顯著加大。浮托力明顯降低了滑動體作用在滑動面上的正壓力，即降低了滑動面的抗剪強度。

浮托力可以通過滑坡面上的鉆孔中地下水上升高度（h）求得：

式中：v為環(huán)境水的浮托力（N）；ρ為環(huán)境水的密度（kg/m3）；g為重力加速度（m/s2）；h為地下水上升高度（m）。

邊坡潛在滑動體的安全系數(shù)F可用下式求得：

式中：W為滑動體的重量（kN）；α為邊坡的傾角（°）；A為滑動面的面積（m2）；tanφ為滑動面摩擦力系數(shù)；c為滑動面的黏聚力（kPa）；其他變量含義同上。

2.4產(chǎn)生靜水壓力或動水壓力

滑動體在滑動之前通常在后緣與滑壁之間拉裂形成平行坡面方向上的張性裂縫。在地表水填充裂縫后，將對滑動體產(chǎn)生向坡腳的靜水壓力，加大滑動體的下滑力，導(dǎo)致滑動體從靜止到滑動的產(chǎn)生。這種現(xiàn)象在膨脹土邊坡失穩(wěn)的案例中非常常見。

滑動體中賦存的地下水在重力的作用下，向勢能低的方向流動，對滑動體產(chǎn)生動水壓力，其滑動方向平行于滑動面，可以理解為滲流因摩擦阻力而受到的水頭損失。動水壓力的計算公式為：

式中：D為動水壓力（kN）；J為水力比降；rw為水的重度（kN）；v為滲流段巖土的體積（m3）。

動水壓力加大了滑動體的下滑力，是誘發(fā)邊坡工程發(fā)生失穩(wěn)破壞的因素之一。

2.5發(fā)揮潤滑作用

滑動面上的地下水還能起到一定的潤滑作用，降低滑動體和滑床之間摩擦阻力。這種作用能誘發(fā)邊坡工程滑動失穩(wěn)，并使滑動體滑動得更遠，加劇邊坡工程滑動破壞程度。

3　邊坡巖土體的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)

邊坡由不同的物質(zhì)成分和不同結(jié)構(gòu)的巖土體組成，這決定著巖土體內(nèi)部滲透性的差異性；巖土體可分為相對透水層、相對隔水層，構(gòu)成了巖土體的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)。不同的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)受地下水改變的影響方式和影響程度也不盡相同，對邊坡穩(wěn)定性影響各異。所以，搞清楚邊坡巖土體尤其是巖性、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的邊坡工程水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。

邊坡工程巖土體的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)可以分為潛水型、層間水型和承壓水型［3］。

3.1潛水型

當邊坡巖土體為滲透性較好的松散堆積體時，地下水有統(tǒng)一的水面；滑動面通常滲透性相對較弱，為相對隔水層。這種類型為潛水型水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，地下水對巖土體只有浮托力，并不產(chǎn)生靜水壓力或動水壓力。

3.2層間水型

當滑動面上部巖土體中還存在有一個或多個相對隔水層時，不管其連續(xù)性如何，就能使得巖土體中的地下水呈層狀分布。這種層狀分布的水體在滑坡體下端出露良好，即為層間水型。

潛水型和層間水型的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的巖土體邊坡，對地下水的敏感性主要表現(xiàn)在其物理力學(xué)性質(zhì)改變上。這種改變是個逐漸變化的過程，多在長時間降雨后、地下水長時間浸泡情況下誘發(fā)邊坡失穩(wěn)破壞，為久雨型誘發(fā)破壞。

3.3承壓水型

層狀分布的水體在滑坡體下端無出露或出露不良，則為承壓水型。

承壓水型的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)巖土體邊坡易發(fā)生暴雨誘發(fā)滑坡，主要是因為暴雨的入滲，巖土體地下水位快速上升，增加了承壓力。這種承壓力就對滑動體產(chǎn)生較大的托舉力，減低了滑動體的有效重度，誘使?jié)撛诨瑒芋w失穩(wěn)，為突雨型誘發(fā)破壞。

4　地表水對邊坡穩(wěn)定性的影響

地表水可分為靜水和動水，分別對邊坡工程有著不同的作用方式，產(chǎn)生不同的作用效果。

4.1靜止地表水對邊坡工程的影響

這種現(xiàn)象在庫岸工程最為常見。庫水對庫岸邊坡產(chǎn)生靜水壓力，方向垂直于庫岸。這種靜水壓力可以分解垂直于滑動面的分力，加大滑動面上的正壓力，即增加滑動面上摩擦阻力，提高庫岸工程的穩(wěn)定性。

4.2流動地表水對邊坡工程的影響

這種作用方式在河岸工程最為常見，流水對邊坡工程產(chǎn)生平行于坡面的沖刷、掏空作用。而這種沖刷、掏空作用都發(fā)生在坡腳處；被侵蝕到一定程度后，坡腳處巖土體就形成凌空狀態(tài)，邊坡就失去了坡腳的支撐，產(chǎn)生牽引式破壞或傾覆式破壞。

5　庫水位上升或下降對邊坡的影響

5.1庫水位上升對邊坡的影響

新建水庫開始蓄水過程中，地表水開始補給地下水，其產(chǎn)生的動水壓力指向岸坡，對岸坡的穩(wěn)定性是有利的；地下水位上升，巖土體開始浸濕直到飽和。對邊坡巖土體的影響主要表現(xiàn)在增加巖土體的重度和降低巖土的抗剪強度方面。

5.2庫水位快速下降對邊坡的影響

庫水位的下降首先是不再對庫岸產(chǎn)生靜水壓力作用，靜水壓力對庫岸穩(wěn)定性有益貢獻不再存在。

再者，庫水位的下降勢必會產(chǎn)生地下水補給庫水的現(xiàn)象，這就會在岸坡的巖土體中產(chǎn)生動水壓力。庫水位下降速率越大，地下水響應(yīng)滯后就越顯著；地下水位線形態(tài)整體越陡，水力比降就越大；對滑坡體作用的動水壓力越大，對其穩(wěn)定性影響就越不利［4］。

6　邊坡工程勘察和運行針對環(huán)境水的重點及處理措施

6.1邊坡工程勘察和運行針對環(huán)境水的重點

在邊坡工程的前期勘察、施工和后期的運行過程中，都要針對環(huán)境水誘發(fā)作用有所重視和采取相應(yīng)的處理措施。筆者認為采取措施的重點就是盡可能地保持環(huán)境水不改變或放緩改變的速率。

收集工程場區(qū)的氣象條件和水環(huán)境資料，弄清環(huán)境水變化的原因、類型和強度?？辈煲槊鬟吰聨r土體的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，分清地下水儲存、補給和排泄條件以及地下水對潛在滑動體的影響方式；查明滑動帶巖土體對地下水的敏感性，和飽水后巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)的改變。對新建水庫，須做好庫岸穩(wěn)定性的調(diào)查，做好庫水上升對環(huán)境的影響；對庫岸所處的地貌、構(gòu)造、地質(zhì)條件、水文條件做出詳細調(diào)查；并預(yù)測施工期和運行期失穩(wěn)的可能性、失穩(wěn)模式和機制，分析其危害性，并提出加固處理措施的建議。

6.2工程處理措施

（1）在邊坡工程潛在的滑動體外側(cè)布設(shè)排水溝，將地表水引開，減少地表水的入滲，便可減小地下水量上升對邊坡工程巖土體的影響。

（2）在邊坡工程巖土體中布設(shè)排水通道，將地下水引出，能有效地提高巖土體的抗剪強度和降低地下水的浮托力。

（3）在新開挖形成邊坡的坡面掛網(wǎng)噴擊混凝土，能阻止雨水的入滲，還能及時封閉巖體，阻止巖體風(fēng)化作用的深入。這種方式對提高邊坡的穩(wěn)定性作用重大。

（4）水庫泄洪時，必須控制水面下降速率，保證庫岸地下水能及時排出，降低地下水的水力梯度就能降低地下水動力。

7　結(jié)語

地質(zhì)體的物質(zhì)和結(jié)構(gòu)條件是影響其穩(wěn)定性的內(nèi)因，也是決定性因素；地質(zhì)體所處的地質(zhì)環(huán)境的改變是影響地質(zhì)體穩(wěn)定性的外因，能改變地質(zhì)體的物理力學(xué)性質(zhì)，誘使穩(wěn)定性受到破壞。環(huán)境水就是地質(zhì)體的地質(zhì)環(huán)境中非?；钴S的因素，其作用主要變現(xiàn)為：軟化巖土體，降低其抗剪強度；增加巖土體的重度，加大巖土體的下滑力；使靜水壓力和動水壓力上升，降低巖土體的有效應(yīng)力，增加巖土體的下滑力。

［1］徐衛(wèi)亞.邊坡及滑坡環(huán)境巖石力學(xué)與工程研究［M］.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2000.

［2］陳仲頤，周景星，王洪瑾.土力學(xué)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1994.

［3］徐衛(wèi)亞，謝守益.降雨誘發(fā)滑坡機制研究［J］.武漢水利電力大學(xué)學(xué)報，1999（1）：21-24.

［4］柳群義，朱自強，何現(xiàn)啟，等.水位漲落對庫岸滑坡孔隙水壓力影響的非飽和滲流分析［J］.巖土力學(xué)，2008（11）：85-89.

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2016—03—05

孟慧娟（1987—），女，工程師，主要從事水利工程設(shè)計工作。