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環(huán)境水對(duì)邊坡工程穩(wěn)定性的影響研究

文檔作者：孟慧娟文檔來源：河北省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年06月07日
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·50· 海河水利2016年8月
DOI：10．3969／j．issn．1004—7328．2016．04．016
環(huán)境水對(duì)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(jì)研究院，天津300250)
摘要：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(qiáng)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(shí)際應(yīng)用中，正確分析出環(huán)境水對(duì)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(jì)、施工和運(yùn)行管理。
關(guān)鍵詞：環(huán)境水；邊坡；穩(wěn)定性；誘發(fā)作用
中圖分類號(hào)：TV223．2+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7328(2016)04—0050—03
地質(zhì)體的穩(wěn)定|生受其物質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)條件和環(huán)境
條件的綜合影響川，所以潛在的滑坡在滑動(dòng)失穩(wěn)之前必
然處于力學(xué)平衡狀態(tài)，滑動(dòng)體的滑動(dòng)同樣是因?yàn)橹?
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(dòng)面上的剪應(yīng)力增加和抗剪強(qiáng)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(dòng)體的滑動(dòng)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(duì)滑動(dòng)體穩(wěn)定陛的影響。
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)翻，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(bǔ)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。
收稿日期：2016_-03—05
作者簡介：盂慧娟(1987一)，女，工程師，主要從事水利工程設(shè)計(jì)工作。
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(duì)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(duì)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(shí)可以人滲巖土體轉(zhuǎn)化為地下水；地表水也
可以以動(dòng)水的形式?jīng)_刷岸坡，形成對(duì)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(duì)邊坡的穩(wěn)定
性有益，如庫岸工程。
2地下水對(duì)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，即伽和>強(qiáng)>仵。
在邊坡工程中，尤其是滑動(dòng)體重度的增加，其下滑力
Wsin擁應(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(qiáng)度
地下水的存在以及地下水量的變化都會(huì)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(duì)水的敏感程度不同，對(duì)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(jiān)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(huì)由
萬方數(shù)據(jù)
2016．No．4 孟慧娟：環(huán)境水對(duì)邊坡工程穩(wěn)定性的影響研究·5l·
于水的存在而有顯著變化。但對(duì)于黏土類巖石，如
泥巖、頁巖等，對(duì)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(qiáng)
度顯著降低。
流動(dòng)的水對(duì)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(duì)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(qiáng)度分為黏聚力c和摩擦強(qiáng)度
or tanp。黏聚力為土體顆粒間的靜電引力、分子力、
膠結(jié)強(qiáng)度以及吸力的綜合作用，對(duì)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(qiáng)度都隨含水量的增高而呈降低的態(tài)勢。吸力
‰一‰存在非飽和土中，為土粒孑L隙中氣體和液體接
觸面處的大氣壓力‰與水壓力‰的差值；隨著含水
量的上升，吸力逐漸增大；到達(dá)某個(gè)極值后，隨著含
水量的上升，吸力開始減??；土體飽和時(shí)，吸力減小
至0。土體的摩擦強(qiáng)度中正壓力仃受地下水的影響
大。根據(jù)有效應(yīng)力原理(∥=觀一‰)，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(qiáng)度。土體的內(nèi)摩擦角9，主要受土粒的礦物成
分、密度、粒徑級(jí)配和形狀等要素的控制，地下水的
變化對(duì)其影響不大。
23對(duì)巖體產(chǎn)生浮托力
滑動(dòng)面通常都是相對(duì)隔水層“1，滑動(dòng)體中飽水
時(shí)，地下水將會(huì)對(duì)土體有浮托力y的作用。這種作
用在巖體質(zhì)邊坡中更為明顯，因?yàn)樵谏Ⅲw的滑動(dòng)體
中孔隙發(fā)育，這種浮托力易消散。當(dāng)巖質(zhì)邊坡滑動(dòng)
面上的地下水為承壓水時(shí)，浮托力顯著加大。浮托
力明顯降低了滑動(dòng)體作用在滑動(dòng)面上的正壓力，即
降低了滑動(dòng)面的抗剪強(qiáng)度。
’浮托力可以通過滑坡面上的鉆孑L中地下水上升
高度(^)求得：
V=pgh (1) 式中：1，為環(huán)境相孫黝(喲；p為環(huán)境釣撇(kg／m3)；
g為重力加速度(m／s2)；^為地下水上升高度(m)。
邊坡潛在滑動(dòng)體的安全系數(shù)F可用下式求得：
P(Wcosa-pghA)tan≯+cA r¨ ，一———百焉五■一u7
式中：矽為滑動(dòng)體的重量(kN)；a為邊坡的傾角
(。)；A為滑動(dòng)面的面積(m2)；tan≯為滑動(dòng)面摩擦力
系數(shù)；c為滑動(dòng)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(dòng)水壓力
滑動(dòng)體在滑動(dòng)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陛裂縫。在地表水填充裂
縫后，將對(duì)滑動(dòng)體產(chǎn)生向坡腳的靜水壓力，加大滑動(dòng)
體的下滑力，導(dǎo)致滑動(dòng)體從靜止到滑動(dòng)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(dòng)體中賦存的地下水在重力的作用下，向勢
能低的方向流動(dòng)，對(duì)滑動(dòng)體產(chǎn)生動(dòng)水壓力，其滑動(dòng)方
向平行于滑動(dòng)面，可以理解為滲流因摩擦阻力而受
到的水頭損失。動(dòng)水壓力的計(jì)算公式為：
D=Jx，。×v (3)
式中：D為動(dòng)水壓力(kN)；J為水力比降；，。為水
的重度(kN)；v為滲流段巖土的體積(m3)。
動(dòng)水壓力加大了滑動(dòng)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(dòng)面上的地下水還能起到一定的潤滑作用，
降低滑動(dòng)體和滑床之間摩擦阻力。這種作用能誘發(fā)
邊坡工程滑動(dòng)失穩(wěn)，并使滑動(dòng)體滑動(dòng)得更遠(yuǎn)，加劇邊
坡工程滑動(dòng)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(duì)透水層、相對(duì)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(duì)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【3l。
3．1 潛水型
當(dāng)邊坡巖土體為滲透性較好的松散堆積體時(shí)，
地下水有統(tǒng)一的水面；滑動(dòng)面通常滲透性相對(duì)較弱，
為相對(duì)隔水層。這種類型為潛水型水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，
地下水對(duì)巖土體只有浮托力，并不產(chǎn)生靜水壓力或
動(dòng)水壓力。
3。2層間水型
當(dāng)滑動(dòng)面上部巖土體中還存在有一個(gè)或多個(gè)相
對(duì)隔水層時(shí)，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(duì)地下水的敏感性主要表現(xiàn)在其物理力學(xué)性質(zhì)
萬方數(shù)據(jù)
·52· 海河水利2016年8月
改變上。這種改變是個(gè)逐漸變化的過程，多在長時(shí)
間降雨后、地下水長時(shí)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?yàn)楸┯甑娜藵B，巖土體地下水
位快速上升，增加了承壓力。這種承壓力就對(duì)滑動(dòng)
體產(chǎn)生較大的托舉力，減低了滑動(dòng)體的有效重度，誘
使?jié)撛诨瑒?dòng)體失穩(wěn)，為突雨型誘發(fā)破壞。
4地表水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響
地表水可分為靜水和動(dòng)水，分別對(duì)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(duì)邊坡工程的影響
這種現(xiàn)象在庫岸工程最為常見。庫水對(duì)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(dòng)面的分力，加大滑動(dòng)面上的正壓力，
即增加滑動(dòng)面上摩擦阻力，提高庫岸工程的穩(wěn)定性。
4．2流動(dòng)地表水對(duì)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(duì)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(duì)邊坡的影響
5．1庫水位上升對(duì)邊坡的影響
新建水庫開始蓄水過程中，地表水開始補(bǔ)給地
下水，其產(chǎn)生的動(dòng)水壓力指向岸坡，對(duì)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(duì)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(qiáng)度方面。
5．2庫水位快速下降對(duì)邊坡的影響
庫水位的下降首先是不再對(duì)庫岸產(chǎn)生靜水壓力
作用，靜水壓力對(duì)庫岸穩(wěn)定性有益貢獻(xiàn)不再存在。
再者，庫水位的下降勢必會(huì)產(chǎn)生地下水補(bǔ)給庫水
的現(xiàn)象，這就會(huì)在岸坡的巖土體中產(chǎn)生動(dòng)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(duì)滑坡體作
用的動(dòng)水壓力越大，對(duì)其穩(wěn)定性影響就越不利H。
6邊坡工程勘察和運(yùn)行針對(duì)環(huán)境水的重點(diǎn)及處理
措施
6．1 邊坡工程勘察和運(yùn)行針對(duì)環(huán)境水的重點(diǎn)
在邊坡工程的前期勘察、施工和后期的運(yùn)行過
程中，都要針對(duì)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(rèn)為采取措施的重點(diǎn)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(qiáng)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(chǔ)存、補(bǔ)給和排泄條
件以及地下水對(duì)潛在滑動(dòng)體的影響方式；查明滑動(dòng)帶
巖土體對(duì)地下水的敏感性，和飽水后巖土體的物理力
學(xué)f生質(zhì)的改變。對(duì)新建水庫，須做好庫岸穩(wěn)定性的調(diào)
查，做好庫水上升對(duì)環(huán)境的影響；對(duì)庫岸所處的地貌、
構(gòu)造、地質(zhì)條件、水文條件做出詳細(xì)調(diào)查；并預(yù)測施工
期和運(yùn)行期失穩(wěn)的可能性、失穩(wěn)模式和機(jī)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(dòng)體外側(cè)布設(shè)排水溝，
將地表水引開，減少地表水的人滲，便可減小地下水
量上升對(duì)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(qiáng)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
阻止雨水的人滲，還能及時(shí)封閉巖體，阻止巖體風(fēng)化
作用的深入。這種方式對(duì)提高邊坡的穩(wěn)定性作用重大。
(4)水庫泄洪時(shí)，必須控制水面下降速率，保證
庫岸地下水能及時(shí)排出，降低地下水的水力梯度就
能降低地下水動(dòng)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(qiáng)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(dòng)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。
參考文獻(xiàn)
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