水-岩相互作用与库岸边坡失稳机理

水-岩相互作用与库岸边坡失稳机理

0库岸边坡稳定性研究水库边缘属于水库边缘的范畴，包括沿河岸（河流）的岸壁和水库边缘，其稳定性对水环境有很大影响。库岸边坡失稳问题是沿江修建堤坝、公路、桥梁、港口码头等工程中经常遇到的问题。库岸边坡的稳定性直接决定着工程修建的可行性,影响着工程的建设投资和安全运行。关于库岸边坡稳定性的研究,国内外大量学者开展了大量的工作。国外学者对意大利瓦依昂滑坡等开展了大量研究工作。国内学者针对三峡水库的库岸边坡稳定性开展了许多有意义的研究工作。中国工程院院士郑颖人教授等根据Boussinesq非稳定流微分方程,得到了库水位下降时坡体内浸润线的简化计算公式,推导了土条周边水压力与渗透力的关系以及安全系数的计算公式,认为安全系数与渗透力和土条浮重有关;陈野鹰等根据三峡岸坡地形地貌特点、地质结构分布规律,利用物质守恒原理、变量分离数学解析手段,建立了计算结果稳定、模型实验验证可靠的渗流自由面计算方法,使得渗流自由面计算工作变得简单、合理可靠;刘才华等对库水位上升诱发边坡失稳的机理进行了研究;莫伟伟等对库水位涨落对滑坡的稳定性影响进行了研究。库岸失稳的表现形式有:坡面变形、滑坡、坍岸与库岸再造等。本文从库岸边坡失稳导致地质灾害的成因、机理和灾害处治的角度展开研究。以库岸灾变链式机理为依据,针对库岸病害处治技术——断链措施进行初步探讨。1库岸水环境分析库岸边坡病害包括库岸滑坡、岸坡再造、坡面冲蚀等,其成因与库岸水环境的变化密切相关,岸坡岩土体赋存的水环境改变,可通过水-岩相互作用来描述。水-岩相互作用包括岩土软化、渗透潜蚀、水力冲蚀、渗压效应、涨缩崩解等作用,如图1所示:1.1库水预处理岩体增强作用机理由于岩土体饱水软化和水的润滑作用,土体颗粒间的摩阻系数及胶结能力降低,边坡潜在滑动面抗剪参数降低,进而降低了坡体的抗滑力。库水对岩体的浸泡软化作用主要表现在对岩体结构面中充填物的物理性状的改变上,土体和岩体结构面中充填物随含水量的变化,发生由固态向塑态直至液态的弱化效应,一般在断层带易发生泥化现象。软化和泥化作用使岩土体的力学性能降低,内聚力和摩擦角值减小。库水的浸泡软化作用将加速坡体形状的改变和渐进性破坏向深处发展。1.2土体渗透力对岸坡稳定性的影响水在土中渗流时,受到土颗粒的阻力作用,根据作用力与反作用力的关系,水流必然有一个相等的力作用于土颗粒上,我们把水流作用在土颗粒上的力叫渗透力T,其方向与水流方向一致。当库水位下降时,由于坡体内的水位回落相对库内水位具有“滞后性”,岸坡内会产生较大水力梯度的地下水位,沿岸坡向下的渗透力T增大(如图2所示),则岸坡稳定性在渗透力作用下会显著降低。滑带岩土体的总渗透力按下式计算:T=γwAwI(1)式中γw——水的重度;Aw——浸润线以下滑体饱水面积;I——平均水力坡降。1.3浮托力与边坡稳定性浸没于库水中的岩土体受到水的浮托作用如图3所示,浮托力的大小等于水下计算岩土体的体积和水重度的乘积,浮托力F按下式计算:F=Awγw(2)式中γw——水的重度;Aw——淹没部分滑体饱水面积。一般水下边坡在计算滑体重量时,按其浮重度考虑。浮托力对边坡稳定性有两方面的影响。由于浮托力减小了滑体的有效重量,一方面,它降低了滑面的阻滑力,给边坡的稳定性带来不利的影响;另一方面,滑体重量的减小,使其下滑力减小,有助于边坡的稳定。因而,不能简单的评价浮托力对边坡稳定性的利弊,而应根据具体的工程地质条件和岩土体的力学参数进行综合评判。许多库岸边坡在库水位陡降时发生失稳破坏,除了因水位陡降引起岩土体内地下水渗流运动,产生渗透力导致坡体稳定性发生变化外,陡降部分岩土体由于浮托力消失而有效重度增加是重要原因。另外,水库水位上升期间,淹没岸坡土体,库水向坡体内渗流,土体颗粒间孔隙水压力增加,颗粒间正应力减少,根据有效应力原理,颗粒间的有效应力降低,岸坡土体抗剪强度降低。对于下缓上陡的岸坡(“靠椅型”岸坡),抗剪强度降低部分主要在岸坡的阻滑段,因此对于靠椅型岸坡,悬浮减重作用导致颗粒间有效应力降低,对其稳定性影响较大。1.4生瞳冲刷,发病滑坡体受库水长期浸泡的坡体,边坡表层土饱和度增加,强度降低,在水位下降时,会产生流水冲刷,由此而引起坡面变形或发生滑坡。另外,河流中高速水流冲刷坡体前部坡脚,也可能诱发上部的滑坡体(见图4)。浪蚀作用,是指库水在大风的作用下对库岸的岩土体产生冲刷作用。这将导致岸坡产生局部掉快,从而影响岸坡的稳定性。1.5丧失粘聚力,最终丧失了20在周期性干-湿循环作用下,岩土体发生湿涨干缩现象,最终失去粘聚力,变成完全丧失强度的松散物质。库岸边坡在水位升降导致的周期性加-卸载作用下,产生涨缩崩解,可能诱发岸坡病害的发生。1.6管涌气走的情况水在砂性土中渗流时,土中的一些细小颗粒在动水力的作用下,可能通过粗颗粒的孔隙被水流带走,这种现象称为管涌。当水库运行时,库水位反复升降,使得坡体内出现循环的渗流作用,地下水渗流对坡体产生溶滤作用,即细小颗粒在地下水的作用下发生运移(管涌),坡体出现侵蚀现象,坡体潜在滑动面出现细观或宏观上的孔穴,从而使得潜在滑动面的抗剪强度降低。1.7降水入渗地表水渗入坡体,增加上覆土体重量而影响坡体的稳定;另外地表水渗入坡体,改变岸坡内的渗流场也可能导致岸坡失稳。1.8周围岩土性质的影响地下水与其周围岩土产生长期的水化学作用,不断地改变周围岩土的性质和强度,影响其稳定性,如对于含有易溶矿物的地层,地下水活动对其产生化学溶解作用而降低强度,造成上覆土体的滑动,导致岸坡失稳。2基于格架的边坡质量控制库岸边坡的稳定性,一方面受控于地质构造、地层岩性、岩体结构等内因;另一方面受大气降雨、库水升降、地下水、地震及人类活动等外因影响。外因是库岸滑坡、岸坡再造、坡面冲蚀等库岸病害的主要诱发因素。根据灾变链式理论,库岸地质灾害的形成是多因素异变耦合的结果,为找到相应的防御对策,必须以库岸失稳的各种机理及其耦合效应的研究为依据。为达到经济、合理地处治库岸灾害的目的,深入研究库岸灾变链式机理(见图5)是必要的,以便根据各致灾因子合理地采取断链减灾措施。库岸边坡灾变的链式关系如图5所示:在原始库岸边坡地形、地貌、地质条件的基础上,由于地质作用、水环境的改变、人为活动,或环境因素的影响,产生了库岸灾害或具备了形成库岸失稳要素的条件;经过降雨入渗、地震、库水位升降、管涌潜蚀等诱导因素的激发,就会导致库岸边坡失稳的发生,产生库岸滑坡等灾害;病害岸坡经过工程措施的治理与维护后,又形成稳定的工程体。在这一链式过程中,形成库岸失稳要素之前就有可能形成一个完整链式过程,如古滑坡复活等,后期发生的滑坡则是这一链式过程的继续。由于人类不当的工程活动和地震引起的岸坡失稳,形成的链式关系则更为明显。库岸灾害发生后或阻止与减少形成库岸失稳因素而采取的工程措施和环保绿化措施等则是截断库岸失稳形成链式的断链过程。从图中可以看出,在库岸失稳要素形成之前就采取有效措施进行人工干预,则造成的损失和治理费用将会达到最低。普通边坡的基本处治技术有:(1)坡率法,改变边坡几何形态,主要是砍头压脚或减缓边坡的总坡度;(2)排水,包括地表水引出滑动区外的地表排水和降低地下水位的地下排水;(3)支挡结构物,如挡墙、抗滑桩等;(4)坡体内部加固,如张拉锚杆或锚索等。针对具体工程地质条件,在满足经济、合理的前提下,应灵活选择处治技术,也可联合采取多种处治技术。针对库岸涉水岸坡灾变的机理特点,应用断链处置技术,重点考虑同步排水降压、护坡防冲刷、反滤及疏导等措施。例如,考虑坡体在地下水运动的长期作用下,土体细小颗粒流失,造成滑动带土体疏松,降低滑动面力学参数的作用,应该在进行护坡处理时,采取合理的反滤措施来消除这种负面影响,同时,应采取坡面排水措施,对地表水进行疏导。又例如,为处治岸坡码头地质灾害,陈野鹰等对排水管道、网格盲沟、虹吸排水等同步排水降压技术进行了研究和应用,对抗滑桩、抗滑挡墙加固岸坡码头的适应条件和关键技术要点进行了研究。3边坡失稳机理