裂隙水压力作用下砂泥岩互层库岸边坡稳定性分析

2018-10-24郑尚涛

东北水利水电 2018年10期

关键词：互层岩质坡体

郑尚涛

（鹰潭市水利电力勘测设计院，江西鹰潭335000）

0 引言

许多研究及统计资料表明，影响库岸边坡稳定性失稳破坏的重要因素是地下水。地下水的渗流作用会影响边坡内的渗流场变化，并随之影响岸坡的稳定性[1-3]。

在砂泥岩互层的顺层岩质边坡中，由于砂岩和泥岩的物理力学性质有很大的区别，很多资料表明，砂岩的强度要远远高于泥岩，通常情况下，泥岩遇水极易发生软化作用，因此，对于这种软硬互层的砂泥岩岩质边坡，滑移破坏也是一种常见的破坏形式[4]。

坡体沿着层面发生平面滑移的破坏形式为平面滑动，在顺层岩质边坡中是最为常见的一种破坏形式。在软硬互层的砂泥岩岩质边坡中，泥岩容易遇水发生软化作用，泥岩软化后其抗剪强度将会降低，上部岩体在自重作用下，当软弱层面的抗剪力小于下滑力时，上部岩体将会沿着该软弱层面发生平面滑移破坏[5]。

通过对传统的裂隙水压力分布进行讨论，提出了新的裂隙水压力分布方法，将其运用到砂泥岩互层的库岸岩质边坡中。

1 未考虑裂隙水压力

砂泥岩软弱互层的岩质边坡，在库水降雨等干湿循环作用下，除了泥岩遇水软化发生崩塌外，坡体还有可能因砂岩层面的倾角而发生顺层滑移失稳，图1为滑移稳定性分析简图。

图1 砂岩滑移稳定性分析简图

在顺层岩质边坡稳定性分析中，坡体受到重力作用，当抗滑力不足以抵抗下滑力时，坡体发生失稳破坏，可以用抗滑力与下滑力的比值KS表示坡体安全系数，其计算式为：

其中：

式（1）～（2）中：FA——为抗滑力；FS——为下滑力；φ——为滑移面的内摩擦角；c——为滑移面的黏聚力；G——为砂岩自重；τ——为滑移面的抗剪强度；dd——泥岩的崩解深度，即砂岩的悬空深度；dw——原风化深度。

将式(1)和式（2）相结合，则：

从式（3）可以看出，岩层厚度越大，砂岩发生滑移的安全系数越小；岩层层面的倾角越大，砂岩发生滑移的安全系数也越小；滑移面的抗剪强度参数c，φ越大，砂岩发生滑移的安全系数越大。

2 考虑裂隙水压力

在砂泥岩互层的岩质边坡中，水是影响坡体稳定性的一个重要的因素。泥岩一定的干湿循环次数之后，将会发生崩解，砂岩在一定的干湿循环作用下也会产生张拉裂缝进而发生崩塌，而砂泥岩结构面也会因含水率的增加其抗剪强度降低，从而上部砂岩由于重力的作用发生顺层滑移。

Hoek和Bray[6]考虑水力作用，建立边坡稳定性分析模型，见图2。

图2 分析力学模型

图2中，硬岩层为砂岩层，软岩层为泥岩层，滑坡有后缘裂缝，雨水从后缘裂缝中渗入，当发生强降雨时，边坡的后缘裂缝和潜在滑移面都会产生水压力，水压力分别为：张拉裂缝静水压力T1、潜在滑移面扬压力T2和动水压力D，其计算式分别为：

式（4）～（6）中：γW——为水的容重；l——为滑动面长度；Z——后缘张裂缝充水高度；b——滑动面的层面开度；n——滑动面上岩土体的给水度。

坡体受到重力和水压力作用，稳定性系数FS计算式为：

式（8）中：W——上覆岩土体重力；T——抗滑力；R——下滑力；c——黏聚力；φ——内摩擦角。

在Hoek的岩质边坡稳定性分析中，裂隙常分为潜滑裂隙和张开裂隙两部分，张开裂隙为垂直于地表的裂隙，而滑移裂隙为倾斜滑移面的裂隙。如图3所示，传统的裂隙水压力分布中，张开裂隙的水压力分布为线性分布，从上到下依次增大，潜滑裂隙中水压力从下端出口到上端依次增大，潜滑裂隙上端的静水压力与张拉裂隙下端的静水压力相等。

图3 传统裂隙水压力分布规律

如果在裂隙岩体中，按照传统的水压力分布规律考虑，这在理论上是无法解释的。在张拉裂隙中，如果计算水压力，则坡体的下滑力增加，抗滑力减小，因此坡体的安全系数减小。而在实际工程中，裂隙不一定贯通，水压力也不一定照此分布，对于水压力的计算错误，势必会使安全系数的计算产生误差。

图4 地下水位低于垂直张拉裂隙下端

对于具有张拉裂隙的岩体，如图4所示，当地下水位低于张拉裂缝下端时，则张拉裂缝的水位为零，其水压也为零。但是如果按照传统水压力分布形式分析，则潜滑裂隙AD中的水压力也为零，这与事实是不符的，而按照传统的方法计算坡体稳定性时是偏于危险的[7-10]。

无充填裂隙的岩质边坡中水压力既有静水压力因素，也含有因水的流动而产生的动水压力因素，而对裂隙的不同贯穿情况其水压力分布也将不同。

1）水压力分布a：对于具有充分泄水能力的岩体裂隙，即岩体裂隙下端的泄水能力大于张拉裂隙上端补水能力的情形，裂隙中不会形成稳定的水位，因此在坡体稳定性分析时可不考虑水压力作用。

2）水压力分布b：对于潜滑裂隙下端具有较大的泄水速度，但泄水能力不大于张拉裂隙上端补给能力，即在裂隙中保持有稳定水位的情形，鉴于水面与泄水口出的水压力均为零，宜取裂隙全高的中点处为水压力最大点，其水压力的大小按静水压力计算方法计算，其水压力分布如图5所示。

图5 潜滑裂隙下端水压力图

当坡体的水压力为分布形式b时，此时张拉裂缝静水压力、潜在滑移面扬压力和动水压力的计算式分别为：

式（9）～（11）中：h——为潜滑裂隙的竖直高度，即AD两点之间的竖直高度。

则坡体安全系数Fsb计算式为：

当坡体的水压力为分布形式c时，此时张拉裂缝静水压力、潜在滑移面扬压力和动水压力的计算式分别为：

则坡体安全系数Fsc计算式为：

3 工程案例分析

某库岸在水库蓄水、大气降雨等不利因素作用下，处于欠稳定～不稳定状态，可能产生滑移型、剥蚀侵蚀型库岸，易产生塌岸破坏。因此，开展该段库岸的治理工作十分必要。对研究区勘察资料进行整理，选取库岸边坡的某个典型断面进行分析，对坡面进行适当简化。该库岸边坡为典型的砂泥岩互层边坡，坡体从上到下依次为为粉质黏土层、砂岩层、泥岩层和砂质基岩层。

3.1 不考虑裂隙水压力作用

当不考虑裂隙水压力分布时，参照Hoek所提出的顺层岩质边坡计算方法，根据式（3）分析该砂泥岩互层边坡的滑移稳定性。假定滑移面为上部砂岩和泥岩接触面，式（3）中表明，坡体稳定性与岩层重度、岩层厚度、岩层倾角、滑移面黏聚力、滑移面内摩擦角和滑移面的长度有关。现场勘探及钻孔资料显示，泥岩厚度为20～100 cm，砂岩厚度为10～150 cm，依据相关试验以及规范[11]，对岩土体相关物理参数进行经验取值，表1为坡体相关物理力学参数。