库水位上升对边坡稳定性的影响

库水位上升对边坡稳定性的影响

1库水位上升对边坡稳定性影响的作用地下水对边缘的稳定性有重要影响。90%以上的边坡损失和地下水活动直接相关。地下水对边坡稳定性的影响主要表现在两个方面:一是地下水对边坡岩土体的物理化学作用使潜在滑动面强度产生弱化作用;二是地下水对边坡的力学作用,包括孔隙水压力(静水压力)和渗透压力作用。目前,在三峡库区地质灾害防治工程中,人们研究地下水对库区边坡稳定性的影响主要考虑库水位陡降这一工况条件上,主要是基于库区边坡失稳破坏多数由库水位陡降所导致的这一认识。虽然库水位上升导致边坡失稳破坏的实例相对较少,但该类边坡失稳破坏往往造成国家和人民生命财产的严重损失。2003年7月发生在湖北省秭归县的千将坪高速滑坡,滑坡方量达3×107m3,死亡24人,并摧毁大量房屋、农田及渔船,给当地带来了巨大的经济损失,其直接原因之一在于三峡水库二期蓄水后库水位上升后,坡体产生孔隙水压力及滑动面强度参数弱化,导致边坡稳定性降低。可见,研究库水位上升对边坡稳定性的影响对地质灾害的防治工作具有重大的指导意义。为此,本文以土质边坡为例,探讨库水位上升对边坡稳定性的影响。2为土体所具有的平衡微分方程库水位上升后,边坡浸水部分土体受到孔隙水压力(静水压力)作用,浸水部分土体的有效重量由天然重量变为浮重量,同时边坡潜在滑动面抗剪强度因浸水饱和而降低,导致边坡稳定性发生改变,我们不妨认为滑动面强度参数的弱化和孔隙水压力是影响边坡稳定性的相互独立的两个因素,即在下面探讨孔隙水压力的作用机理时不考虑滑动面强度参数的弱化。取如图1所示的一无限长均质土质斜坡,斜坡中任一微元体的应力状态如图1所示,其平衡微分方程为式中γ为土体重度。因斜坡均质无限长,其任意横断面上的力分布相同,即σx只与y有关,则将式(3)代入式(1)求解,并考虑边界条件,可得将式(4)代入式(2),可以求得类似土体中侧向土压力的求解,取式中λ为一常数。又由图1可知:则微元体的应力状态又可表示为由弹性力学可知:将式(8)～(10)代入式(11),得该点的两个主应力值:可见,主应力是γh的线性函数,记为式中k1,k3均为常数,k1>k3。假定该斜坡处于临界稳定状态,由MohrCoulomb强度准则知,滑动面上任一点的应力圆与强度包络线相切(图2),分析图中的几何关系有:将式(13)、式(14)代入式(15),得斜坡完全浸水后,斜坡土体重度由天然重度γ变为浮重度γ′,相应的,滑动面上任一点的主应力σ1,σ3的值减小到σ1′,σ3′,其减小量分别为k1h(γ-γ′),k3h(γ-γ′),而k1>k3,此时,浸水后的应力圆变小且向左移动。在讨论浸水后的应力圆与强度曲线τ=σtanϕ+c关系时,在图2中作一条曲线τ=σtanϕ+c′与浸水后的应力圆相切,类似的可得到如下关系:比较式(16)和式(17)可知:上式说明,浸水后的应力圆位于强度曲线τ=σtanϕ+c的下边,二者处于相离状态,这表明浸水后,孔隙水压力使斜坡滑动面上一点的应力状态由临界稳定状态变为稳定状态。3失稳材料及稳定验算以滑动面呈折线形的滑体为例,分析孔隙水压力作用下边坡的稳定性。对于具有折线形滑动面的滑体,工程上一般采用基于刚体极限平衡理论的传递系数法分析其稳定性,其基本假定有:(1)边坡稳定性问题为平面应变问题。(2)坡体为理想刚塑材料,失稳前坡体不发生任何变形,一旦滑动面上的剪应力超过其抗剪强度,坡体开始沿滑动面产生剪切变形。(3)滑动面破坏服从Mohr-coulomb准则。(4)条块剩余下滑力作用方向与该条块滑面倾角一致。(5)沿整个滑动面满足静力平衡条件,但不满足力矩平衡条件。边坡稳定系数计算公式如下:式中Fs为边坡稳定系数;Ri为条块i的抗滑力;λi为条块i剩余下滑力传递给条块i+1的传递系数;ωi,ωi+1分别为条块i,i+1的滑面倾角;Ti为条块i的下滑力;Di为条块i的渗透力;Wi为条块i的重量,饱水部分取浮重量;ϕi为条块i滑面摩擦角,饱和时取饱和摩擦角;ci为条块i的滑面内聚力,饱和时取饱和内聚力;Li为条块i的滑面长度;γw为水的重度;Aw为浸润线以下滑体饱水面积。3.1条块稳定性系数前面已经分析了浸水斜坡土体中的应力状态,即斜坡浸水后,土体在孔隙水压力作用下,其摩尔应力圆变小而向左移动,并相对远离强度曲线,即浸水部分土体自身的稳定性得以提高。我们也可以通过极限平衡法计算条块的稳定性系数进行对比。从图1中截取一滑面长L的竖向条块,显然,该条块两侧面上受到的力相等,计算条块稳定性系数时不予考虑,很容易得出该条块的稳定系数:式中W为条块重量,浸水时取浮重量。可以看出,浸水前后式(24)唯一的变化在于公式右边第二项条块重量的变化,即由浸水前的天然重量变为浸水后的浮重量,浸水后第二项值变大,条块稳定性系数增加。至此,可以看出,库水位上升后,在孔隙水压力的作用下,浸水土体应力状态发生改变,其应力摩尔圆远离强度包络线。虽然土体浸水后,其抗滑力减小,但下滑力也减小,浸水后条块的稳定性得到提高而不是降低。3.2土体浸水面及浸水部分滑面力学参数分析从式(24)可以看出,就单个条块而言,不管是下滑段条块还是抗滑段条块,孔隙水压力对条块的稳定是有利的,但对库岸边坡来说,库水位上升后,孔隙水压力对边坡稳定性的影响则取决于库水位与边坡的相对关系,即取决于边坡土体的浸水情况。不妨取图3所示的一简单边坡进行探讨。该边坡土体力学参数取自某自然边坡,土体天然重度21kN/m3,饱和重度23kN/m3,滑动面天然内聚力及摩擦角分别为27kPa,20°,饱和内聚力及摩擦角分别为23kPa,15°。条块1,2滑面长度分别为30,15m,倾角分别为40°,5°,条块1,2的总面积分别为153.58,82.45m2,条块1,2的浸水面积见表1。在库水位上升到某一高度的过程中,土体内产生有利于边坡稳定的指向坡内的渗透压力,但该渗透压力随着库水位的稳定而消失,因而采用式(19)计算库水位上升后边坡稳定性时不考虑该渗透压力作用,对式(19)进行简化,可得前面分析孔隙水压力作用机理时,没有考虑浸水部分滑面力学参数的弱化,因而在计算图3边坡稳定性时分两种状况进行对比分析:(1)考虑孔隙水压力作用,但不考虑浸水部分滑面力学参数的弱化,即浸水部分滑面仍然采用天然c,ϕ值;(2)同时考虑孔隙水压力作用和浸水部分滑面力学参数的弱化,即浸水部分滑面采用饱和c,ϕ值。由式(21)、式(25)计算边坡的稳定系数见表2。根据表2中的结果绘制稳定系数Fs-水位高程z曲线见图4。从表2和图4可以看出,若不考虑滑动面力学参数的弱化,在库水位由坡脚上升至坡顶的过程中,在孔隙水压力作用下,边坡稳定系数经历一个先减小后增加的过程,这是因为当库水位由坡脚上升时,虽然对于单个条块来说,其下滑力和抗滑力下降,而稳定性提高,但对于整个边坡,条块1为下滑段,条块2为抗滑段,在水位上升的前一阶段,边坡的浸水部分集中在抗滑段即条块2上,条块2的抗滑力下降对边坡抗滑力的影响程度大于其下滑力下降对边坡下滑力的影响程度,即式(25)右边分式中分子的减小程度大于分母的减小程度,从而导致边坡的稳定性下降;当水位上升到一定高度后,抗滑段的抗滑力和下滑力基本稳定,而下滑段浸水面积占整个边坡浸水面积的比例逐渐增加,条块1的下滑力下降对边坡下滑力的影响程度大于其抗滑力下降对边坡抗滑力的影响程度,此时式(25)右边分式中分子的减小程度小于分母的减小程度,因而边坡的稳定性得到提高。当同时考虑孔隙水压力作用和浸水部分滑面c,ϕ值的弱化时,边坡稳定性变化趋势与不考虑c,ϕ值的弱化时相似,但相同水位时前者的稳定系数较后者有相当程度的降低。由此可见,在库水位上升的前期,由于孔隙水压力作用和浸水滑面c,ϕ值的弱化,边坡的稳定性被削弱,一旦边坡的安全储备不够,边坡浸水后很可能发生失稳破坏。4hr-coolomb强度(1)对库水位上升诱发边坡失稳机理进行了分析,库水位上升对边坡稳定性的影响主要表现在孔隙水压力作用和浸水滑动面强度参数的弱化上,库水位上升过程中,边坡的稳定性经历了一个先降低后增大的过程。(2)用Mohr-Coulomb强度准则描述了孔隙水压力对土体中应力状态的影响,土体浸水后,在孔隙水压力作用下Mohr应力圆变小而向左移动并相对远离强度曲线。(3)采用基于刚体极限平衡理论的传递系数法对边坡稳定性的分析结果表明,水库蓄水过程中,浸