水力作用下近水平邊坡變形力學(xué)機(jī)制分析

周曉宇 向章波 范志軍 周治平 劉 明

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

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水力作用下近水平邊坡變形力學(xué)機(jī)制分析

周曉宇 向章波 范志軍 周治平 劉 明

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

通過分析斜坡的水力作用，建立了出水口未被堵塞和出水口堵塞兩種水力學(xué)模型，探討了在水力作用影響下斜坡穩(wěn)定性變化規(guī)律，推導(dǎo)出出水口堵塞前后安全系數(shù)Fs表達(dá)式，研究表明，當(dāng)斜坡出水口被堵塞后，前緣巖土體安全系數(shù)降低幅度較大，后緣巖土體安全系數(shù)變化較小；出水口堵塞后，當(dāng)斜坡體形態(tài)適當(dāng)，斜坡前緣失穩(wěn)概率較大，容易發(fā)生牽引式變形破壞。

斜坡，水力作用，穩(wěn)定性，變形破壞

巖質(zhì)邊坡普遍存在，天然狀態(tài)下，此種邊坡由于巖層傾角小于層面內(nèi)摩擦角，邊坡在自然條件下仍能保持穩(wěn)定狀態(tài)，即使有工程活動影響邊坡也不會發(fā)生破壞，但在地下水作用影響下發(fā)生變形破壞，具有突發(fā)性和隱蔽性。大量工程實踐表明，邊坡失穩(wěn)破壞大多與水的作用有密切關(guān)系。研究表明，90%的自然邊坡和人工邊坡的破壞與地下水的活動有關(guān)[1,2]。

1 斜坡體力學(xué)模型

水對邊坡的靜水壓力作用。坡體內(nèi)水位高于滑面時，對滑面以上巖土體產(chǎn)生靜水壓力；同時巖質(zhì)邊坡張拉裂隙內(nèi)充水時也會對巖土體產(chǎn)生靜水壓力。在靜水壓力下，邊坡穩(wěn)定性下降，發(fā)生破壞。在工程活動中，容易把前緣巖土體中的排水通道堵塞，使前緣巖土體內(nèi)水位升高，從而改變斜坡的水力性質(zhì)。為了有效分析解決類似問題，建立出水口未被堵塞和堵塞2種水力模型進(jìn)行分析。出水口未被堵塞水力模型如圖1所示。

工程實例中，斜坡前緣水位并不與剪出口保持在同一高程上，而是高于剪出口。基于此，提出滑體底部靜水壓力呈現(xiàn)梯形分布。當(dāng)a無限小時即為三角形分布。圖1中N為滑體底部的等效靜水壓力，F(xiàn)為坡體后緣裂隙中充水后的等效靜水壓力，其值分別為:

(1)

其中，N為水對滑體底部的靜水壓力；γw為水重度；a為前緣水頭距離滑面高度；b為后緣水頭距離滑面高度；L為滑面長度；α為滑面傾角；F為后緣裂隙中的靜水壓力。

坡體前緣出水通道容易被改變，當(dāng)斜坡前緣出水口被堵塞時，堵塞部分水位會逐漸升高，從而導(dǎo)致靜水壓力的改變。斜坡前緣出水口被堵塞時的水力模型如圖2所示。

出水口被堵塞時，斜坡靜水壓力值也會隨之改變，靜水壓力值會隨著水位變化對斜坡的影響范圍l的變化而變化，堵塞后的靜水壓力值為：

(2)

其中，a*為出水口堵塞后前緣水頭距離滑面高度；b為出水口堵塞后后緣水頭距離滑面高度；L為滑面長度；l為出水口堵塞后水位變化影響的滑面長度(0≤l≤L)；c為出水口堵塞后水位變化的上限水頭距離滑面距離(水位未變化的下限水頭)。

2 邊坡失穩(wěn)及穩(wěn)定性分析[7]

設(shè)滑體自重W，張裂縫中的靜水壓力F，巖層面上的靜水壓力N和動水壓力T，巖層面的長度為L，巖層傾角為α，滑面粘聚力為c，摩擦角為φ，邊坡平面滑動采用剛體滑移模型進(jìn)行分析，則坡體在重力作用下的抗滑力X和下滑力Y分別為：

(3)

邊坡在重力作用下的穩(wěn)定性系數(shù)Fs可表示為：

(4)

考慮水力作用下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)：

(5)

出水口未被堵塞時斜坡安全系數(shù)：

(6)

考慮出水口被堵塞的情況：

(7)

3 力學(xué)模型分析

斜坡在水力作用下改變斜坡安全系數(shù)，影響斜坡穩(wěn)定。當(dāng)L趨近于0時，斜坡的力學(xué)模型如圖3所示，只考慮重力、靜水壓力和動水壓力作用，則可建立出水口堵塞前后滑面各部位安全系數(shù)Fs表達(dá)式:

(8)

通過對斜坡體進(jìn)行無限切割，分成若干單元體，對各單元體進(jìn)行穩(wěn)定性分析可以得出出水口堵塞前后滑面各部位的安全系數(shù)值變化情況，如圖4所示。

由此可以得出，當(dāng)前緣巖土體中出水口被堵塞后，安全系數(shù)的變化受到水位變化影響，當(dāng)水位變化影響區(qū)域l≤L時，后緣巖土體受前緣水位變化影響較小，前緣巖土體受到影響較大，安全系數(shù)降低幅度較大，影響程度與水位上升高度有關(guān)。

4 工程應(yīng)用

以某邊坡為例。該斜坡基巖出露，該邊坡在人工開挖切坡后，造成前緣排水系統(tǒng)出水口被堵塞，斜坡前緣巖土體變形破壞速度較后緣巖土體快，前緣巖土體變形速率是后緣巖土體的10倍，分析可知該斜坡沿著基巖面發(fā)生牽引式順層滑動，滑面平整，滑體厚度3 m～18 m不等，如圖5所示。

設(shè)巖體天然重度γw=26.46 kg/m3，飽和重度γw=26.66 kg/m3，裂隙水距離滑面距離b=9 m，前緣剪出口水位距離滑面a=1 m，巖層傾角α=9°。同時，滑帶的抗剪強(qiáng)度參數(shù)為：粘聚力c=15.6 kPa，內(nèi)摩擦角φ=9.2°；飽和狀態(tài)下粘聚力c=12.6 kPa，內(nèi)摩擦角φ=7.2°，滑面長度L=180 m，滑體厚度H=12 m，a=1 m≤a*≤12 m，0≤l≤100 m。根據(jù)實際情況，建立如圖6所示的計算模型。

通過圖7～圖12分析得知，工程施工影響，堵塞斜坡自然排水，地下水位上升，影響斜坡穩(wěn)定。水位上升前緣巖土穩(wěn)定系數(shù)降低幅度大，發(fā)生變形破壞，進(jìn)而影響后緣巖土穩(wěn)定，斜坡易發(fā)生牽引式破壞。

5 結(jié)語

1)推導(dǎo)出斜坡安全系數(shù)與出水口堵塞后水位上升之間的函數(shù)表達(dá)式，斜坡前緣巖土體安全系數(shù)對出水口堵塞表現(xiàn)敏感。

2)出水口被堵塞后，主要影響前緣巖土穩(wěn)定，使前緣巖土體安全系數(shù)降低，當(dāng)斜坡形態(tài)適當(dāng)，易引發(fā)牽引式破壞，出水口堵塞對后緣巖土體穩(wěn)定性影響較小。

3)水力作用對斜坡體穩(wěn)定性至關(guān)重要，靜水壓力、動水壓力對巖土體穩(wěn)定起主導(dǎo)作用，同時，水的軟化作用也是引起巖土體力學(xué)性質(zhì)變化的重要因素。

4)通過實例運(yùn)用分析，當(dāng)前緣出水口堵塞后，前緣巖土體安全系數(shù)會降低50%～80%，所以斜坡水路系統(tǒng)對于邊坡穩(wěn)定至關(guān)重要，在工程施工中要注意保護(hù)斜坡固有排水系統(tǒng)。

[1] 張作辰.滑坡地下水作用研究與防治工程實踐[J].工程地質(zhì)學(xué)報，1996,4(4):80-85.

[2] 湯 平,李 剛,徐衛(wèi)軍.水及開挖卸荷對巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性影響分析[J].巖土力學(xué),2005,26(S2):21-24.

[3] 夏開宗，陳從新，魯祖德,等.考慮水力作用的順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性圖解分析[J].巖土力學(xué),2014,35(10):2986-2987.

[4] 陳碧君,曾 靜,艾東海.蠕變?nèi)S儀的改裝與驗證[J].土工基礎(chǔ),2012(3):95-97.

[5] 何滿潮.直剪試驗中的有效面積校正[J].露天開采,1986(2):16-19.

[6] 劉海波,張麗華,林大超,等.直剪試驗有效剪切面積動態(tài)變化的改進(jìn)計算[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010,26(3):503-506.

[7] 譚龍金，張海娜，盛韓微，等.水力作用下緩傾順層巖質(zhì)邊坡滑移破壞機(jī)制分析[J].長江科學(xué)院院報,2014,31(9):49-50.

Mechanics failure of nearly horizontal slope due to hydraulic pressure

Zhou Xiaoyu Xiang Zhangbo Fan Zhijun Zhou Zhiping Liu Ming

(CollegeofEngineering,ChinaUniversityofGeosciences(Wuhan),Wuhan430074,China)

By the analysis of the hydraulic effect on slope, the hydraulic pressure model of slope in both cases that the outflow seam is blocked or not are established. Analysising the slope stability under the influence of hydraulic effection,Fs, the safety coefficient expression, is deduced in both cases that the outflow seam is blocked or not are established. It is show that when the slope outlet is blocked, safety coefficient of front slope mass reduction is bigger than trailing edge. When the slope body form is appropriate, the front of slope is instability probability bigger than trailing edge after the outlet is plug. The pull-type deformation damage is likely to occur.

slope, hydraulic action, stability, deformation and failure

1009-6825(2016)18-0061-03

2016-04-20

周曉宇(1990- )，男，在讀碩士

TU443

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