庫水位上升對邊坡穩(wěn)定性的影響

庫水位上升對邊坡穩(wěn)定性的影響

1庫水位上升對邊坡穩(wěn)定性影響的作用地下水對邊緣的穩(wěn)定性有重要影響。90%以上的邊坡?lián)p失和地下水活動直接相關(guān)。地下水對邊坡穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)在兩個方面:一是地下水對邊坡巖土體的物理化學(xué)作用使?jié)撛诨瑒用鎻姸犬a(chǎn)生弱化作用;二是地下水對邊坡的力學(xué)作用,包括孔隙水壓力(靜水壓力)和滲透壓力作用。目前,在三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治工程中,人們研究地下水對庫區(qū)邊坡穩(wěn)定性的影響主要考慮庫水位陡降這一工況條件上,主要是基于庫區(qū)邊坡失穩(wěn)破壞多數(shù)由庫水位陡降所導(dǎo)致的這一認(rèn)識。雖然庫水位上升導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞的實例相對較少,但該類邊坡失穩(wěn)破壞往往造成國家和人民生命財產(chǎn)的嚴(yán)重?fù)p失。2003年7月發(fā)生在湖北省秭歸縣的千將坪高速滑坡,滑坡方量達(dá)3×107m3,死亡24人,并摧毀大量房屋、農(nóng)田及漁船,給當(dāng)?shù)貛砹司薮蟮慕?jīng)濟損失,其直接原因之一在于三峽水庫二期蓄水后庫水位上升后,坡體產(chǎn)生孔隙水壓力及滑動面強度參數(shù)弱化,導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性降低?？梢?研究庫水位上升對邊坡穩(wěn)定性的影響對地質(zhì)災(zāi)害的防治工作具有重大的指導(dǎo)意義。為此,本文以土質(zhì)邊坡為例,探討庫水位上升對邊坡穩(wěn)定性的影響。2為土體所具有的平衡微分方程庫水位上升后,邊坡浸水部分土體受到孔隙水壓力(靜水壓力)作用,浸水部分土體的有效重量由天然重量變?yōu)楦≈亓?同時邊坡潛在滑動面抗剪強度因浸水飽和而降低,導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性發(fā)生改變,我們不妨認(rèn)為滑動面強度參數(shù)的弱化和孔隙水壓力是影響邊坡穩(wěn)定性的相互獨立的兩個因素,即在下面探討孔隙水壓力的作用機理時不考慮滑動面強度參數(shù)的弱化。取如圖1所示的一無限長均質(zhì)土質(zhì)斜坡,斜坡中任一微元體的應(yīng)力狀態(tài)如圖1所示,其平衡微分方程為式中γ為土體重度。因斜坡均質(zhì)無限長,其任意橫斷面上的力分布相同,即σx只與y有關(guān),則將式(3)代入式(1)求解,并考慮邊界條件,可得將式(4)代入式(2),可以求得類似土體中側(cè)向土壓力的求解,取式中λ為一常數(shù)。又由圖1可知:則微元體的應(yīng)力狀態(tài)又可表示為由彈性力學(xué)可知:將式(8)～(10)代入式(11),得該點的兩個主應(yīng)力值:可見,主應(yīng)力是γh的線性函數(shù),記為式中k1,k3均為常數(shù),k1>k3。假定該斜坡處于臨界穩(wěn)定狀態(tài),由MohrCoulomb強度準(zhǔn)則知,滑動面上任一點的應(yīng)力圓與強度包絡(luò)線相切(圖2),分析圖中的幾何關(guān)系有:將式(13)、式(14)代入式(15),得斜坡完全浸水后,斜坡土體重度由天然重度γ變?yōu)楦≈囟圈谩?相應(yīng)的,滑動面上任一點的主應(yīng)力σ1,σ3的值減小到σ1′,σ3′,其減小量分別為k1h(γ-γ′),k3h(γ-γ′),而k1>k3,此時,浸水后的應(yīng)力圓變小且向左移動。在討論浸水后的應(yīng)力圓與強度曲線τ=σtan?+c關(guān)系時,在圖2中作一條曲線τ=σtan?+c′與浸水后的應(yīng)力圓相切,類似的可得到如下關(guān)系:比較式(16)和式(17)可知:上式說明,浸水后的應(yīng)力圓位于強度曲線τ=σtan?+c的下邊,二者處于相離狀態(tài),這表明浸水后,孔隙水壓力使斜坡滑動面上一點的應(yīng)力狀態(tài)由臨界穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)。3失穩(wěn)材料及穩(wěn)定驗算以滑動面呈折線形的滑體為例,分析孔隙水壓力作用下邊坡的穩(wěn)定性。對于具有折線形滑動面的滑體,工程上一般采用基于剛體極限平衡理論的傳遞系數(shù)法分析其穩(wěn)定性,其基本假定有:(1)邊坡穩(wěn)定性問題為平面應(yīng)變問題。(2)坡體為理想剛塑材料,失穩(wěn)前坡體不發(fā)生任何變形,一旦滑動面上的剪應(yīng)力超過其抗剪強度,坡體開始沿滑動面產(chǎn)生剪切變形。(3)滑動面破壞服從Mohr-coulomb準(zhǔn)則。(4)條塊剩余下滑力作用方向與該條塊滑面傾角一致。(5)沿整個滑動面滿足靜力平衡條件,但不滿足力矩平衡條件。邊坡穩(wěn)定系數(shù)計算公式如下:式中Fs為邊坡穩(wěn)定系數(shù);Ri為條塊i的抗滑力;λi為條塊i剩余下滑力傳遞給條塊i+1的傳遞系數(shù);ωi,ωi+1分別為條塊i,i+1的滑面傾角;Ti為條塊i的下滑力;Di為條塊i的滲透力;Wi為條塊i的重量,飽水部分取浮重量;?i為條塊i滑面摩擦角,飽和時取飽和摩擦角;ci為條塊i的滑面內(nèi)聚力,飽和時取飽和內(nèi)聚力;Li為條塊i的滑面長度;γw為水的重度;Aw為浸潤線以下滑體飽水面積。3.1條塊穩(wěn)定性系數(shù)前面已經(jīng)分析了浸水斜坡土體中的應(yīng)力狀態(tài),即斜坡浸水后,土體在孔隙水壓力作用下,其摩爾應(yīng)力圓變小而向左移動,并相對遠(yuǎn)離強度曲線,即浸水部分土體自身的穩(wěn)定性得以提高。我們也可以通過極限平衡法計算條塊的穩(wěn)定性系數(shù)進行對比。從圖1中截取一滑面長L的豎向條塊,顯然,該條塊兩側(cè)面上受到的力相等,計算條塊穩(wěn)定性系數(shù)時不予考慮,很容易得出該條塊的穩(wěn)定系數(shù):式中W為條塊重量,浸水時取浮重量?？梢钥闯?浸水前后式(24)唯一的變化在于公式右邊第二項條塊重量的變化,即由浸水前的天然重量變?yōu)榻蟮母≈亓?浸水后第二項值變大,條塊穩(wěn)定性系數(shù)增加。至此,可以看出,庫水位上升后,在孔隙水壓力的作用下,浸水土體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變,其應(yīng)力摩爾圓遠(yuǎn)離強度包絡(luò)線。雖然土體浸水后,其抗滑力減小,但下滑力也減小,浸水后條塊的穩(wěn)定性得到提高而不是降低。3.2土體浸水面及浸水部分滑面力學(xué)參數(shù)分析從式(24)可以看出,就單個條塊而言,不管是下滑段條塊還是抗滑段條塊,孔隙水壓力對條塊的穩(wěn)定是有利的,但對庫岸邊坡來說,庫水位上升后,孔隙水壓力對邊坡穩(wěn)定性的影響則取決于庫水位與邊坡的相對關(guān)系,即取決于邊坡土體的浸水情況。不妨取圖3所示的一簡單邊坡進行探討。該邊坡土體力學(xué)參數(shù)取自某自然邊坡,土體天然重度21kN/m3,飽和重度23kN/m3,滑動面天然內(nèi)聚力及摩擦角分別為27kPa,20°,飽和內(nèi)聚力及摩擦角分別為23kPa,15°。條塊1,2滑面長度分別為30,15m,傾角分別為40°,5°,條塊1,2的總面積分別為153.58,82.45m2,條塊1,2的浸水面積見表1。在庫水位上升到某一高度的過程中,土體內(nèi)產(chǎn)生有利于邊坡穩(wěn)定的指向坡內(nèi)的滲透壓力,但該滲透壓力隨著庫水位的穩(wěn)定而消失,因而采用式(19)計算庫水位上升后邊坡穩(wěn)定性時不考慮該滲透壓力作用,對式(19)進行簡化,可得前面分析孔隙水壓力作用機理時,沒有考慮浸水部分滑面力學(xué)參數(shù)的弱化,因而在計算圖3邊坡穩(wěn)定性時分兩種狀況進行對比分析:(1)考慮孔隙水壓力作用,但不考慮浸水部分滑面力學(xué)參數(shù)的弱化,即浸水部分滑面仍然采用天然c,?值;(2)同時考慮孔隙水壓力作用和浸水部分滑面力學(xué)參數(shù)的弱化,即浸水部分滑面采用飽和c,?值。由式(21)、式(25)計算邊坡的穩(wěn)定系數(shù)見表2。根據(jù)表2中的結(jié)果繪制穩(wěn)定系數(shù)Fs-水位高程z曲線見圖4。從表2和圖4可以看出,若不考慮滑動面力學(xué)參數(shù)的弱化,在庫水位由坡腳上升至坡頂?shù)倪^程中,在孔隙水壓力作用下,邊坡穩(wěn)定系數(shù)經(jīng)歷一個先減小后增加的過程,這是因為當(dāng)庫水位由坡腳上升時,雖然對于單個條塊來說,其下滑力和抗滑力下降,而穩(wěn)定性提高,但對于整個邊坡,條塊1為下滑段,條塊2為抗滑段,在水位上升的前一階段,邊坡的浸水部分集中在抗滑段即條塊2上,條塊2的抗滑力下降對邊坡抗滑力的影響程度大于其下滑力下降對邊坡下滑力的影響程度,即式(25)右邊分式中分子的減小程度大于分母的減小程度,從而導(dǎo)致邊坡的穩(wěn)定性下降;當(dāng)水位上升到一定高度后,抗滑段的抗滑力和下滑力基本穩(wěn)定,而下滑段浸水面積占整個邊坡浸水面積的比例逐漸增加,條塊1的下滑力下降對邊坡下滑力的影響程度大于其抗滑力下降對邊坡抗滑力的影響程度,此時式(25)右邊分式中分子的減小程度小于分母的減小程度,因而邊坡的穩(wěn)定性得到提高。當(dāng)同時考慮孔隙水壓力作用和浸水部分滑面c,?值的弱化時,邊坡穩(wěn)定性變化趨勢與不考慮c,?值的弱化時相似,但相同水位時前者的穩(wěn)定系數(shù)較后者有相當(dāng)程度的降低。由此可見,在庫水位上升的前期,由于孔隙水壓力作用和浸水滑面c,?值的弱化,邊坡的穩(wěn)定性被削弱,一旦邊坡的安全儲備不夠,邊坡浸水后很可能發(fā)生失穩(wěn)破壞。4hr-coolomb強度(1)對庫水位上升誘發(fā)邊坡失穩(wěn)機理進行了分析,庫水位上升對邊坡穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)在孔隙水壓力作用和浸水滑動面強度參數(shù)的弱化上,庫水位上升過程中,邊坡的穩(wěn)定性經(jīng)歷了一個先降低后增大的過程。(2)用Mohr-Coulomb強度準(zhǔn)則描述了孔隙水壓力對土體中應(yīng)力狀態(tài)的影響,土體浸水后,在孔隙水壓力作用下Mohr應(yīng)力圓變小而向左移動并相對遠(yuǎn)離強度曲線。(3)采用基于剛體極限平衡理論的傳遞系數(shù)法對邊坡穩(wěn)定性的分析結(jié)果表明,水庫蓄水過程中,浸