魏 来，唐红梅

(重庆交通大学岩土工程研究所，重庆400074)

中国是世界上滑坡灾害分布最广、危害最严重的国家之一［1］。每年滑坡灾害给中国带来巨大的人员伤亡和经济损失。岩质滑坡具有突发性、发生规模大、滑速快等特点，例如意大利瓦伊昂水库库岸滑坡、云南昭通头寨沟滑坡、三峡库区千将坪滑坡，都对人们的生命财产造成极大破坏。国内外一些学者对降雨诱发土质滑坡的启动机理进行了深入的研究［2-8］，但是针对岩质滑坡的启动机制研究不多，对发生大型岩质滑坡的机理缺乏清晰认识［9-13］，特别是暴雨诱发岩质滑坡的水力启动机制研究较少，专门针对软弱破裂面形成机理鲜有研究。陈喜昌，等［10］认为岩质滑坡的产生主要跟雨后地下水压力升高有关;胡其志，等［12］指出降雨由后缘裂缝渗入顺层边坡结构面，产生静水压力和下渗力是滑坡产生的关键条件;吴永，等［13］则提出岩质边坡在震后出现裂缝，降雨导致裂缝的扩展直至与软弱夹层贯通，水降低了软弱夹层的物理参数，从而引起滑坡。

岩质滑坡的形成须满足力学失稳条件，在相应水力条件下外除了拥有软弱结构、还必须具有外倾贯通软弱破裂面［9］，而外倾软弱破裂面的形成又和岩质边坡物理、裂缝裂隙、水力条件息息相关。当降雨渗入岩质边坡裂缝时，将造成结构面处水压力升高，从而促使节理裂隙的扩展、贯通及泥化。裂隙的扩展又降低了地下水头的损失，延缓水压力的衰减，使局部水压力增加从而又促进软弱破裂带的形成，增加地下水扬压力和下渗力，使滑坡更易发生。

水力劈裂效应是地下水改造岩体结构的一个重要方式，近几十年随着大型水利、交通、石油工程的建设，并在断裂损伤力学的发展下取得了很大的研究成果，其成果已经在工程上广泛应用［14-17］。笔者以水力学和断裂力学为基础，将结构面裂纹的受力模型和岩质边坡水力模型结合，从力学机制上解释了岩质边坡结构面水力劈裂的形成过程，推导了临界水头公式，为深入研究岩质滑坡启动机理提供科学依据。

1 岩质边坡结构面水力劈裂分析

岩质边坡结构面水力模型采用Hoek和Bray给出的典型岩石边坡横坡面图，假设破裂滑动面为一平面且滑动面倾角小于坡角，后缘张裂缝垂直并且走向与坡面走向一致，降雨可沿着后缘张裂缝入渗至滑动面，见图1。

图1 岩质边坡结构面水力模型Fig.1 The hydraulic model of structure plane in rock slope

岩质边坡岩体中有大量的节理裂隙，现先取滑面处据滑坡顶面竖直距离h处的裂纹进行受力分析。假设岩体发生脆性断裂，应力满足断裂力学条件时裂纹将会扩展贯通。将岩体内的三维裂纹概化为二维的平面闭合单裂纹，取竖直方向剖面研究，受力分析可见图2。

图2 含裂纹岩体受力分析Fig.2 Stress analysis of cracked rock mass

岩质滑坡一般发生的深度不大，受到的构造应力有限，因此只有自重应力场的作用。因此，图2中垂直应力σv，水平应力σh计算公式分别为:

式中:N0为岩体的侧压力系数，其值通常小于1;γ为岩体重度;h为岩体厚度。

裂纹长度为2a，和垂直主应力σv作用平面夹角为α，裂纹内作用有孔隙水压力p，并假设其沿各方向相等。由图2可知:

由于在断裂力学中拉为正，所以在式(2)前面加负号。裂纹面上既有正应力σn，又有剪应力σs，因此可以知道此裂纹扩展方式为Ι-ΙΙ复合型。当σn＞0时为拉剪复合，σn＜0为压剪复合。

拉剪复合型时，利用工程近似断裂准则［18］，失稳判别式可表示为:

式中:KΙc为裂纹Ι型断裂的断裂韧度，KΙ和KΙΙ可以分别用式(5)、式(6)表示:

式中:a为裂纹半长。

将式(2)、式(3)分别代入式(5)、式(6)，再将结果代入式(4)可得:

从式(7)中可推导出压剪裂纹失稳临界水压力pc为:

再将式(1)代入式(8)可得:

当σn＜0时为压剪复合型，此时在工程上可以近似认为属于纯ΙΙ型裂纹断裂问题，KΙ=0。因为裂纹面受压力闭合，产生摩擦力σntanφ和凝聚力c，因此有效剪应力为:

式中:φ为裂纹面内摩擦角，根据断裂力学中ΙΙ型裂纹破坏判据可知:

式中:σ's为有效剪应力;KΙΙc为 ΙΙ型断裂的断裂韧度。

联立式(2)，式(3)，式(10)，式(11)，整理可得拉剪破坏时临界水压力pc:

再将式(1)代入式(12)可得:

若岩体内裂纹不是一条，而是一些列周期分布的等长、等间距的平行共线裂纹(图3)，则可由文献［18］知断裂韧度 K'Ιc、K'ΙΙc计算表达式如下:

式中:η为裂纹连通率，η=a/b。

图3 周期性平行共线裂纹示意Fig.3 Schematic diagram of periodic parallel collinear cracks

分别将式(16)，式(17)代入式(9)，式(13)可得:

拉剪破坏时临界水压力pc':

压剪破坏时临界水压力p＇c:

当降雨沿着后缘张裂缝入渗至滑动面，会对周围产生孔隙水压力p，假设在某处(见图1中的h1点)恰好达到临界水压力pc，裂缝开裂:

将式(20)分别代入式(18)，式(19)可得:

拉剪破坏时临界水高度h'1:

当等式右边除α角以外的值都已知，则相同临界水高度h'1下最易发生水力劈裂效应的裂纹角度:

即 α =22.5°。

压剪破坏时临界水高度h'1:

当等式右边除α角以外的值都已知，则相同临界水高度h'1下最易发生水力劈裂效应的裂纹角度:

式中:H为坡体总高度;h0为后缘裂缝高度;h1为临界水高度。若厚度是均布的，则h为常数。水高度大于h1都会发生水力劈裂。

若滑坡体为如图1，则由几何关系可知:

2 实例分析

将以上数据代入式(21)，并取α=22.5°可得:

由此可见，相同裂纹半长a，连通率η越大发生拉剪断裂所需h'1越大。由于h'1＞h0，此边坡结构面将不会产生拉剪型水力劈裂。

进一步做出不同连通率下裂纹半长和临界水头之间的关系，见图4。

图4 不同连通率下裂纹半长与临界水头之间的关系Fig.4 The relationship between half-length crack and critical water head under different connectivity rates

由图4可见，相同裂纹半长a，发生压剪破坏所需水头h'1随着η的增加而减少，并随着η趋近于1而锐减。理论上此边坡可以发生压剪型水力劈裂，当η=0.5时，发生水力劈裂的最大裂纹半长为0.000 01 m;当η=0.95时，发生水力劈裂的最大裂纹半长为0.000 073 m。

3 结论

1)岩质边坡后缘裂缝在暴雨条件下产生的高水头结合岩质边坡结构面中的节理裂隙结构是岩质边坡产生水力劈裂效应的主要因素。利用文中推导的临界水头公式并结合实例证明结构面裂隙在一定水头条件下将会发生水力劈裂。

2)若发生拉剪型水力劈裂破坏，与最大主应力作用面夹角呈22.5°的裂纹最先发生破坏，若发生压剪型水力劈裂破坏，与最大主应力面夹角呈45+φ/2的裂纹最先发生破坏。随着水力劈裂现象的发生，结构面裂隙扩展，贯通。而裂隙的扩展会加强地下水的下渗作用，水头损失减少，扬压力进一步加大，将更容易诱发滑坡。

3)岩质边坡结构面贯通，结构面软化，岩质滑坡发生之间的机理十分复杂。笔者推导的临界水头公式在解决该类问题方面具有一定的参考价值，但是选取参数、公式还不够严谨，有待进一步验证改进。

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