基于簡單模型的臨水邊坡穩(wěn)定性分析與探討

□秦二樂 劉曉琪 張慶彬

臨水滑坡在我國廣泛存在，是一種常見的地質(zhì)災(zāi)害，不僅會(huì)造成河道堵塞、水庫水位迅速升高等一系列問題，還會(huì)破壞沿線生態(tài)環(huán)境，對河道下游及大壩周邊人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重影響和危害。已有大量的工程實(shí)例顯示，河道沿線的臨水岸坡以及庫岸邊坡在水位變化的情況下，可能會(huì)使臨水邊坡的水文地質(zhì)條件發(fā)生顯著改變，會(huì)造成原本穩(wěn)定的老滑坡再次失穩(wěn)，同時(shí)還將導(dǎo)致臨水邊坡失穩(wěn)，形成新的滑坡和垮塌。

水位變化與庫岸滑坡的發(fā)生存在密切關(guān)聯(lián)。一些學(xué)者利用強(qiáng)度折減法分析了水位變化對邊坡穩(wěn)定系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨著庫水位上升呈現(xiàn)出先減小后增大的變化規(guī)律，邊坡穩(wěn)定性并非與庫水位的抬升呈單調(diào)相關(guān)關(guān)系。還有一些學(xué)者通過某些變形監(jiān)測、數(shù)值模擬等方法也得出了同樣的結(jié)論。蔡德鉤等分析認(rèn)為臨水邊坡在水位大約至坡體1/4～1/3 處穩(wěn)定性最差，表明在臨水邊坡穩(wěn)定分析中存在最危險(xiǎn)水位區(qū)間。史丁康基于極限平衡法研究土—巖界面傾角對理想二元結(jié)構(gòu)邊坡穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)土—巖界面傾角越大，穩(wěn)定系數(shù)越高，但是土—巖界面傾角較小時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)對土—巖界面傾角并不敏感。羅世林基于數(shù)值模擬及穩(wěn)定性計(jì)算，揭示了基覆界面傾角變化對類直線形基覆界面堆積體穩(wěn)定性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)類直線形基覆界面滑坡穩(wěn)定性隨傾角的增大由快速下降變成緩慢下降，類直線形基覆界面傾角越大，穩(wěn)定系數(shù)對強(qiáng)度參數(shù)的變化越敏感。以上學(xué)者多是單獨(dú)研究水位變化或者基覆界面傾角變化對臨水邊坡穩(wěn)定系數(shù)的影響，較少同時(shí)涉及兩者因素對滑坡穩(wěn)定性影響規(guī)律及變化程度的研究。此文選取一種簡單的地質(zhì)模型：在給定水位和一定的變化區(qū)間上的滑面傾角的條件下，采用極限平衡法計(jì)算臨水邊坡穩(wěn)定系數(shù)的變化情況，研究結(jié)果可為臨水邊坡的防治和穩(wěn)定性評價(jià)提供參考。

1.模型建立

臨水邊坡的坡高取50m，坡面傾角取60°，滑面類型設(shè)定為直線型，滑面傾角由20°作為起始角，以5°間隔均勻增大至55°，邊坡前緣為相對現(xiàn)狀水位（0m），水位以5m 間隔均勻上升至相對最高水位（50m）時(shí)到達(dá)坡頂。簡單模型如圖1 所示。

圖1 理想邊坡剖面圖

假定臨水邊坡區(qū)沒有明顯的斷裂構(gòu)造現(xiàn)象，坡體物質(zhì)組成以黃土狀壤土為主，成分為粉質(zhì)黏土，邊坡穩(wěn)定性主要取決于黃土狀壤土的強(qiáng)度。試驗(yàn)土樣取自西部山區(qū)，由于在河道及庫岸兩側(cè)水位驟升的情況下發(fā)生邊坡失穩(wěn)的過程時(shí)間短，相當(dāng)于直接剪切的受力工況，故對試樣進(jìn)行快剪試驗(yàn)，確定其有效強(qiáng)度指標(biāo)?？紤]到庫水位上升過程中滑坡體部分淹沒于水下，部分在水上，故對滑坡土體進(jìn)行天然含水率和飽和含水率下的剪切試驗(yàn)，取得其有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，測試結(jié)果見表1。

表1 天然和飽和狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)

2.計(jì)算方法

已知臨水邊坡的垂直高度H=50m，坡面傾角α=60°，由式（1）可求得斜坡長度A。設(shè)定滑面傾角為β，由正弦定理式（2）可求得坡頂長度B，再由余弦定理式（3）可求得滑面長度L。設(shè)定水位由相對現(xiàn)狀水位（0m）上升m，有相似三角形原理式（4）（5）可分別求得滑面水位以下和水位以上長度L 水下、L 水上。潛在滑動(dòng)區(qū)域面積S 由式（6）求得，再根據(jù)相似三角形原理式（7）（8）可分別求得水位以下和水位以上潛在滑動(dòng)區(qū)域的面積S 水下、S 水上。

由

得到

最后由穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算公式（9）求得不同水位和滑面傾角下的穩(wěn)定系數(shù)。其中i 表示水下和水上兩個(gè)不同的狀態(tài)。

式中:

γ——土體重度，kN/m3；

c——粘聚力，kPa；

φ——內(nèi)摩擦角，°；

L——滑面長度，m；

α、β——邊坡坡角、滑面傾角，°。

3.結(jié)果分析與評價(jià)

此文研究基于極限平衡法，建立一種簡單的地質(zhì)模型，用式（9）計(jì)算邊坡穩(wěn)定系數(shù)。考慮水位抬升和滑面傾角變化情況下滑坡的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖2 所示。

圖2 穩(wěn)定系數(shù)與水位及傾角關(guān)系曲線

在邊坡穩(wěn)定性分析中，不同的滑面傾角下，滑坡的剪入口、剪出口、滑面位置都是確定的，隨著庫水位抬升，穩(wěn)定系數(shù)隨庫水位上升大致分為兩段，即下降段和上升段。在滑面傾角為20°時(shí)，庫水位50m 之下的穩(wěn)定系數(shù)均大于其他傾角下的穩(wěn)定系數(shù)，起始穩(wěn)定系數(shù)為1.53，在 水 位25m～30m 達(dá) 到 最 小 值1.48，相應(yīng)大約位于坡體1/2～3/5 處。在滑面傾角為40°～45°時(shí)，庫水位變化過程中的穩(wěn)定系數(shù)均小于其他傾角下的穩(wěn)定系數(shù)，起始穩(wěn)定系數(shù)為0.89，同樣在水位25m～30m 達(dá)到最小值0.83～0.84，位于坡體1/2～3/5處，其余傾角下大致在這個(gè)區(qū)間內(nèi)，分析認(rèn)為臨水邊坡存在最危險(xiǎn)水位，介于理想模型和實(shí)際邊坡復(fù)雜的坡體和滑面形狀以及受力情況而使最危險(xiǎn)水位區(qū)間存在一定誤差。

不同滑面傾角下的穩(wěn)定系數(shù)變化趨勢相同，下降段和上升段的降幅及增幅如圖3 所示，兩個(gè)階段都隨滑面傾角的增大而增大，且上升段的增幅較下降段的降幅大，當(dāng)滑面傾角最大至55°時(shí)，前者為13.92%，后者為9.86%，說明滑面傾角變化與穩(wěn)定系數(shù)的幅度變化呈正相關(guān)，即滑面傾角越大，在庫水位變動(dòng)過程中邊坡極易由穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)為失穩(wěn)狀態(tài)，邊坡穩(wěn)定性對庫水位的變化越靈敏。

圖3 不同傾角下的穩(wěn)定系數(shù)變化幅度

穩(wěn)定系數(shù)隨著滑面傾角的增大也大致分為兩段，即下降段和上升段。不同水位下的穩(wěn)定系數(shù)變化趨勢相同，滑面傾角在35°和50°附近的穩(wěn)定系數(shù)接近1.0，但滑面傾角在40°～45°附近的穩(wěn)定系數(shù)變化率接近0，穩(wěn)定系數(shù)總體達(dá)到最小，均在1.0 之下，滑面傾角變化引起穩(wěn)定系數(shù)變化趨勢如圖4 所示，兩段滑面傾角變化對應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)變化率最大值分別為18.95%和51.75%，穩(wěn)定系數(shù)仍在1.3 以上，說明庫水位對穩(wěn)定系數(shù)的影響與滑面傾角有關(guān)，傾角較大和較小時(shí)，雖然能引起穩(wěn)定系數(shù)急劇變化，但并不是最不穩(wěn)定狀態(tài)，滑面傾角越緩或者越陡盡管能靈敏地影響邊坡穩(wěn)定性，但邊坡仍然處于穩(wěn)定狀態(tài)，最不穩(wěn)定的狀態(tài)則是在一定的滑面傾角內(nèi)。

圖4 不同庫水位下穩(wěn)定系數(shù)變化曲線

4.結(jié)論

此文研究了在簡單的地質(zhì)模型下臨水岸坡及庫岸邊坡穩(wěn)定性對其影響因素的響應(yīng)，分析了水位變動(dòng)和滑面傾角變化對岸邊坡穩(wěn)定性的影響程度，得到以下結(jié)論：庫水位上升過程中的穩(wěn)定系數(shù)大致分為兩段，即下降段和上升段，相應(yīng)的臨水邊坡存在最危險(xiǎn)水位?；鎯A角變化與穩(wěn)定系數(shù)的幅度變化呈正相關(guān)，即滑面傾角越大，在庫水位變動(dòng)過程中邊坡極易由穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)為失穩(wěn)狀態(tài)，邊坡穩(wěn)定性對庫水位的變化越靈敏。當(dāng)滑面傾角最大至55°時(shí)，前者為13.92%，后者為9.86%。

研究成果為臨水邊坡的防治和穩(wěn)定性評價(jià)提供借鑒，建議在工程中遇到涉水岸坡問題時(shí)，綜合考慮水位和基覆界面傾角變化對其穩(wěn)定性的影響?！?/p>