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環境水對邊坡工程穩定性的影響研究

文檔作者：孟慧娟文檔來源：河北省水利水電勘測設計研究院		點擊數：	更新時間： 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
環境水對邊坡工程穩定性的影響研究
孟慧娟
(河北省水利水電勘測設計研究院，天津300250)
摘要：在絕大多數的邊坡失穩案例中，環境水都以不同形式、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。環境水的作用主要體現在降低巖土體的抗剪強度、增加巖土體
的重度和產生滲水壓力等方面。在不同巖性和不同地質結構、水文地質結構的邊坡中，環境水的影響方式和影
響程度也是不同的。在工程實際應用中，正確分析出環境水對邊坡的影響方式和影響程度，能很好地指導邊坡
工程的勘測、設計、施工和運行管理。
關鍵詞：環境水；邊坡；穩定性；誘發作用
中圖分類號：TV223．2+1 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7328(2016)04—0050—03
地質體的穩定|生受其物質條件、結構條件和環境
條件的綜合影響川，所以潛在的滑坡在滑動失穩之前必
然處于力學平衡狀態，滑動體的滑動同樣是因為之前
的力學平衡發生了破壞。這種力學平衡的失衡無外乎
滑動面上的剪應力增加和抗剪強度的降低兩種情況，
或二者均存在。地質體的物質條件和結構條件一般
是不發生變化的，即使發生變化通常也是由環境條件
的變化引起的。潛在的滑坡體環境條件的改變是影
響其穩定性的主要條件之一，可以說是環境條件的改
變誘發了潛在滑動體的滑動失穩。這種環境條件的改
變可以概括為人為因素、地震因素和環境水因素。這
里主要討論環境水的改變對滑動體穩定陛的影響。
地下水是一種重要的地質應力，它與巖土體的
相互作用，極大地改變了巖土體的物理、化學及力學
性質翻，是地質環境中非常活躍的因素；地表水和地
下水存在著水力學聯系，可以互相補給，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定性關鍵因素之一。
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
性質，從而影響著自然邊坡和人為邊坡的安全穩定
問題。這里所提到的環境水是指邊坡巖土體所處地
質環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計工作。
1環境水的存在方式
自然界中的水以氣態、液態和固態3種形式存
在著，對邊坡工程的穩定起到影響的只有液態水。
液態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，對巖土體的物
理力學性質影響最大。邊坡工程周邊的地表水在條
件成熟時可以人滲巖土體轉化為地下水；地表水也
可以以動水的形式沖刷岸坡，形成對岸坡側向或底
部的侵蝕，破壞邊坡的結構，直接影響到邊坡穩定；
地表水還可以給邊坡施加靜水壓力，對邊坡的穩定
性有益，如庫岸工程。
2地下水對巖土體的作用
地下水直接影響到巖土體的物理力學性質，主
要體現在以下幾方面。
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>仵。
在邊坡工程中，尤其是滑動體重度的增加，其下滑力
Wsin擁應地增加，加大了邊坡失穩的概率。
2．2降低巖土體的抗剪強度
地下水的存在以及地下水量的變化都會影響到
巖土體的物理力學性質，只是不同的成巖(土)礦物
對水的敏感程度不同，對巖土體力學性質的影響程
度也不同。
(1)巖體。由黏性礦物構成的大多數堅硬巖體
和許多的砂質土、礫石的黏結力和摩擦特性不會由
萬方數據
2016．No．4 孟慧娟：環境水對邊坡工程穩定性的影響研究·5l·
于水的存在而有顯著變化。但對于黏土類巖石，如
泥巖、頁巖等，對水具有高度敏感性，表現為泥化現
象，巖體質地變軟、礦物晶體結構發生改變、抗剪強
度顯著降低。
流動的水對碳酸鹽類的可溶性巖石具有溶蝕作
用，在巖體內部形成孔洞，改變了巖體的內部結構。
由于地表水的切割作用，該類巖石地區的地形陡峭，
邊坡破壞形式多以崩塌為主。
(2)土體。土體是由黏土礦物構成的，黏土礦物
表面積大、附帶有電荷，對水具有高度的吸附力，故
受土體中水分的改變影響很大。
土體的抗剪強度分為黏聚力c和摩擦強度
or tanp。黏聚力為土體顆粒間的靜電引力、分子力、
膠結強度以及吸力的綜合作用，對顆粒間含水量的
變化非常敏感。其中，靜電引力、分子力、顆粒間的
膠結強度都隨含水量的增高而呈降低的態勢。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；到達某個極值后，隨著含
水量的上升，吸力開始減小；土體飽和時，吸力減小
至0。土體的摩擦強度中正壓力仃受地下水的影響
大。根據有效應力原理(∥=觀一‰)，孔隙水力的變
化直接影響著有效應力的大小，從而影響到土體摩
擦強度。土體的內摩擦角9，主要受土粒的礦物成
分、密度、粒徑級配和形狀等要素的控制，地下水的
變化對其影響不大。
23對巖體產生浮托力
滑動面通常都是相對隔水層“1，滑動體中飽水
時，地下水將會對土體有浮托力y的作用。這種作
用在巖體質邊坡中更為明顯，因為在散體的滑動體
中孔隙發育，這種浮托力易消散。當巖質邊坡滑動
面上的地下水為承壓水時，浮托力顯著加大。浮托
力明顯降低了滑動體作用在滑動面上的正壓力，即
降低了滑動面的抗剪強度。
’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，為環境相孫黝(喲；p為環境釣撇(kg／m3)；
g為重力加速度(m／s2)；^為地下水上升高度(m)。
邊坡潛在滑動體的安全系數F可用下式求得：
P(Wcosa-pghA)tan≯+cA r¨ ，一———百焉五■一u7
式中：矽為滑動體的重量(kN)；a為邊坡的傾角
(。)；A為滑動面的面積(m2)；tan≯為滑動面摩擦力
系數；c為滑動面的黏聚力(kPa)；其他變量含義同上。
2。4產生靜水壓力或動水壓力
滑動體在滑動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，將對滑動體產生向坡腳的靜水壓力，加大滑動
體的下滑力，導致滑動體從靜止到滑動的產生。這
種現象在膨脹土邊坡失穩的案例中非常常見。
滑動體中賦存的地下水在重力的作用下，向勢
能低的方向流動，對滑動體產生動水壓力，其滑動方
向平行于滑動面，可以理解為滲流因摩擦阻力而受
到的水頭損失。動水壓力的計算公式為：
D=Jx，。×v (3)
式中：D為動水壓力(kN)；J為水力比降；，。為水
的重度(kN)；v為滲流段巖土的體積(m3)。
動水壓力加大了滑動體的下滑力，是誘發邊坡
工程發生失穩破壞的因素之一。
2．5發揮潤滑作用
滑動面上的地下水還能起到一定的潤滑作用，
降低滑動體和滑床之間摩擦阻力。這種作用能誘發
邊坡工程滑動失穩，并使滑動體滑動得更遠，加劇邊
坡工程滑動破壞程度。
3邊坡巖土體的水文地質結構
邊坡由不同的物質成分和不同結構的巖土體組
成，這決定著巖土體內部滲透性的差異性；巖土體可
分為相對透水層、相對隔水層，構成了巖土體的水文
地質結構。不同的水文地質結構受地下水改變的影
響方式和影響程度也不盡相同，對邊坡穩定性影響
各異。所以，搞清楚邊坡巖土體尤其是巖性、結構復
雜的邊坡工程水文地質結構至關重要。
邊坡工程巖土體的水文地質結構可以分為潛水
型、層間水型和承壓水型【3l。
3．1 潛水型
當邊坡巖土體為滲透性較好的松散堆積體時，
地下水有統一的水面；滑動面通常滲透性相對較弱，
為相對隔水層。這種類型為潛水型水文地質結構，
地下水對巖土體只有浮托力，并不產生靜水壓力或
動水壓力。
3。2層間水型
當滑動面上部巖土體中還存在有一個或多個相
對隔水層時，不管其連續性如何，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結構的巖土體邊
坡，對地下水的敏感性主要表現在其物理力學性質
萬方數據
·52· 海河水利2016年8月
改變上。這種改變是個逐漸變化的過程，多在長時
間降雨后、地下水長時間浸泡情況下誘發邊坡失穩
破壞，為久雨型誘發破壞。
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結構巖土體邊坡易發生暴
雨誘發滑坡，主要是因為暴雨的人滲，巖土體地下水
位快速上升，增加了承壓力。這種承壓力就對滑動
體產生較大的托舉力，減低了滑動體的有效重度，誘
使潛在滑動體失穩，為突雨型誘發破壞。
4地表水對邊坡穩定性的影響
地表水可分為靜水和動水，分別對邊坡工程有
著不同的作用方式，產生不同的作用效果。
4．1靜止地表水對邊坡工程的影響
這種現象在庫岸工程最為常見。庫水對庫岸邊坡
產生靜水壓力，方向垂直于庫岸。這種靜水壓力可以
分解垂直于滑動面的分力，加大滑動面上的正壓力，
即增加滑動面上摩擦阻力，提高庫岸工程的穩定性。
4．2流動地表水對邊坡工程的影響
這種作用方式在河岸工程最為常見，流水對邊
坡工程產生平行于坡面的沖刷、掏空作用。而這種
沖刷、掏空作用都發生在坡腳處；被侵蝕到一定程度
后，坡腳處巖土體就形成凌空狀態，邊坡就失去了坡
腳的支撐，產生牽引式破壞或傾覆式破壞。
5庫水位上升或下降對邊坡的影響
5．1庫水位上升對邊坡的影響
新建水庫開始蓄水過程中，地表水開始補給地
下水，其產生的動水壓力指向岸坡，對岸坡的穩定性
是有利的；地下水位上升，巖土體開始浸濕直到飽
和。對邊坡巖土體的影響主要表現在增加巖土體的
重度和降低巖土的抗剪強度方面。
5．2庫水位快速下降對邊坡的影響
庫水位的下降首先是不再對庫岸產生靜水壓力
作用，靜水壓力對庫岸穩定性有益貢獻不再存在。
再者，庫水位的下降勢必會產生地下水補給庫水
的現象，這就會在岸坡的巖土體中產生動水壓力。庫
水位下降速率越大，地下水響應滯后就越顯著；地下
水位線形態整體越陡，水力比降就越大；對滑坡體作
用的動水壓力越大，對其穩定性影響就越不利H。
6邊坡工程勘察和運行針對環境水的重點及處理
措施
6．1 邊坡工程勘察和運行針對環境水的重點
在邊坡工程的前期勘察、施工和后期的運行過
程中，都要針對環境水誘發作用有所重視和采取相
應的處理措施。筆者認為采取措施的重點就是盡可
能地保持環境水不改變或放緩改變的速率。
收集工程場區的氣象條件和水環境資料，弄清環
境水變化的原因、類型和強度。勘察要查明邊坡巖土
體的水文地質結構，分清地下水儲存、補給和排泄條
件以及地下水對潛在滑動體的影響方式；查明滑動帶
巖土體對地下水的敏感性，和飽水后巖土體的物理力
學f生質的改變。對新建水庫，須做好庫岸穩定性的調
查，做好庫水上升對環境的影響；對庫岸所處的地貌、
構造、地質條件、水文條件做出詳細調查；并預測施工
期和運行期失穩的可能性、失穩模式和機制，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體外側布設排水溝，
將地表水引開，減少地表水的人滲，便可減小地下水
量上升對邊坡工程巖土體的影響。
(2)在邊坡工程巖土體中布設排水通道，將地下
水引出，能有效地提高巖土體的抗剪強度和降低地
下水的浮托力。
(3)在新開挖形成邊坡的坡面掛網噴擊混凝土，能
阻止雨水的人滲，還能及時封閉巖體，阻止巖體風化
作用的深入。這種方式對提高邊坡的穩定性作用重大。
(4)水庫泄洪時，必須控制水面下降速率，保證
庫岸地下水能及時排出，降低地下水的水力梯度就
能降低地下水動力。
7結語
地質體的物質和結構條件是影響其穩定性的內
因，也是決定性因素；地質體所處的地質環境的改變
是影響地質體穩定性的外因，能改變地質體的物理
力學性質，誘使穩定性受到破壞。環境水就是地質
體的地質環境中非常活躍的因素，其作用主要變現
為：軟化巖土體，降低其抗剪強度；增加巖土體的重
度，加大巖土體的下滑力；使靜水壓力和動水壓力上
升，降低巖土體的有效應力，增加巖土體的下滑力。
參考文獻
【1】1徐衛亞．邊坡及滑坡環境巖石力學與工程研究[M】．北京：
中國環境科學出版社，2000．
【2】陳仲頤，周景星，王洪瑾．土力學【M】．北京：清華大學出版
社，1994。
【3】徐衛亞，謝守益．降雨誘發滑坡機制研究【J】．武漢水利電力
大學學報，1999(1)：21—24．
【4】柳群義，朱自強，何現啟，等．水位漲落對庫岸滑坡孔隙水壓
力影響的非飽和滲流分析【J]．巖土力學，2008(11)：85—89．

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