边坡稳定性分析

第9章边坡稳定性分析学习指导：本章介绍了边坡的破坏类型，即：岩崩和岩滑；着重介绍了边坡稳定性分析与评价基本方法，包括圆弧法岩坡稳定分析、平面滑动法岩坡稳定分析、双平面滑动岩坡稳定分析、力多边形法岩坡稳定分析及近代理论计算法；介绍了岩坡处理的措施。重点：1边坡的变形与破坏类型；2影响边坡稳定性的因素；3边坡稳定性分析与评价。9.1边坡的变形与破坏类型9.1.1概述随着社会进步及经济发展，越来越多地在工程活动中涉及边坡工程问题，通过长期的工程实践，工程地质工作者已对边坡工程形成了比较完善的理论体系，并通过理论对人类工程活动，进行有效地指导。近年来，随着环境保护意识的增加及国际减轻自然灾害十年来的开展，人类已认识到：边坡诞生不仅仅是其本身的历史发展，而是与人类活动密切相关；人类在进行生产建设的同时，必须顾及到边坡的环境效应，并且把人类的发展置于环境之中，因而相继开展了工程活动与地质环境相互作用研究领域，在这些领域中，边坡作为地质工程的分支之一，一直是人们研究的重点课题之一。在水电、交通、采矿等诸多的领域，边坡工程都是整体工程不可分割的部分，为保证工程运行安全及节约经费，广大学者对边坡的演化规律、边坡稳定性及滑坡预测预报等进行了广泛研究。然而，随着人类工程活动的规模扩大及经济建设的急剧发展，边坡工程中普遍出现了高陡边坡稳定性及大型灾害性滑坡预测问题。在我国，目前的露天采矿的人工边坡已高达300—500m，而水电工程中遇到的天然边坡高度已达500—1000米，其中涉及的工程地质问题极为复杂，特别是在西南山区，边坡的变形、破坏极为普遍，滑坡灾害已成为一种常见的危害人民生命财产安全及工程正常运营的地质灾害。因此，广大工程地质和岩石力学工作者对此问题进行了长期不懈的探索研究，取得了很大的进展；从初期的工程地质类比法、历史成因分析法等定性研究发展到极限平衡法、数值分析法等定量分析法，进而发展到系统分析法、可靠度方法灰色系统方法等不确定性方法，同时辅以物理模拟方法，并且诞生了工程地质力学理论、岩(土)体结构控制论等，这些无疑为边坡工程及滑坡预报研究奠定了坚实的基础，为人类工程建设做出了重大贡献。在工程中常要遇到岩坡稳定的问题，例如在大坝施工过程中，坝肩开挖破坏了自然坡脚，使得岩体内部应力重新分布，常常发生岩坡的不稳定现象。又如在引水隧洞的进出口部位的边坡、溢洪道开挖的边坡、渠道的边坡以及公路、铁路、采矿工程等等都会遇到岩坡稳定的问题。如果岩坡由于力过大和强度过低，则它可以处于不稳定的状态，一部分岩体向下或向外坍滑，这一种现象叫做滑坡。滑坡造成危害很大，为此在施工前，必须做好稳定分析工作。岩坡不同于一般土质边坡，其特点是岩体结构复杂、断层、节理、裂隙互相切割，块体极不规则，因此岩坡稳定有其独特的性质。它同岩体的结构、块体密度和强度、边坡坡度、高度、岩坡表面和顶部所受荷载，边坡的渗水性能，地下水位的高低等有关。岩体内的结构面，尤其是软弱结构面的的存在，常常是岩坡不稳定的主要因素。大部分岩坡在丧失稳定性时的滑动面可能有三种。一种是沿着岩体软弱岩层滑动；另一种是沿着岩体中的结构面滑动；此外，当这两种软弱面不存在时，也可能在岩体中滑动，但主要的是前面两种情况较多。在进行岩坡分析时，应当特别注意结构面和软弱层的影响。软弱岩层主要是粘土页岩、凝灰岩、泥灰岩、云母片岩、滑石片岩以及含有岩盐或石膏成分的岩层。这类岩层遇水浸泡后易软化，强度大大地降低，形成软弱层。在坚硬的岩层中(如石英岩、砂岩等等)应当查明有无这类软弱夹层存在。结构面包括沉积作用的层面、假整合面、不整合面；火成岩侵入结构面以及冷缩结构面；变质作用的片理，构造作用的断裂结构面等等。岩质边坡稳定分析时，应当研究岩体中应力场和各种结构面的组合关系。岩坡的滑动就是在应力作用下岩体破坏了平衡而沿着某种面(很可能是结构面)产生的。岩体的应力是由岩体重量、渗透压力、地质构造应力以及外界因素，如地震惯性力、风力、温度应力等所形成的边坡剪应力，这种剪应力超过结构面的抗剪强度就促使岩体沿着结构面滑动。有时沿某一结构面滑动，有时沿着多种结构面所组合的滑动面滑动。通常以后者为多数。结构面中如夹有粘土或其它泥质充填物，则就成为软弱结构面。地质构造作用形成的断裂和节理在地壳表层是最多的，这种结构面往往都夹有粘土或泥质充填物，遇水浸泡后，结构面中的软弱充填物就容易软化，强度大大地降低，促使岩坡沿着它发生滑动。因此，岩坡分析中，对结构面，特别是软弱结构面的类型、性质、组合形式、分布特征以有及由各种软弱面切割后的块体形等进行仔细分析是十分重要的。9.1.2岩坡的破坏类型岩坡的破坏类型从形态上来看可分为岩崩和岩滑两种。岩崩一般发生在边坡过陡的岩坡中，这时大块的岩体与岩坡分离而向前倾倒，如图9-1(a)所示，或者坡顶岩体因某种原因脱落而在坡脚下堆积，见图9-1(b)、(c)，它经常产生于坡顶裂隙发育的地方。其起因或由于风化等原因减弱了节理面的凝聚力，或由于雨水进入裂隙产生水压力所致；或者也可能由于气温变化、冻融松动岩石的结果；其它如植物根造成膨胀压力、地震、雷击等都可造成岩崩现象。岩滑是指一部分岩体沿着岩体较深处某种面的滑动。岩滑可分为平面滑动、楔形滑动以及旋转滑动。平面滑动是一部分岩体在重力作用下沿着某一软面(层面、断层、裂隙)的滑动，见图9-2(a)，滑动面的倾角必大于该平面的内摩擦角。平面滑动不仅滑体克服了底部的阻力，而且也克服了两侧的阻力。在软岩中(例如页岩)，如底部倾角远陡于内摩擦角，则岩石本身的破坏即可解除侧边约束，从而产生平面滑动。而在硬岩中，如果不连续面横切坡顶，边坡上岩石两侧分离，则也能发生平面滑动。楔形滑动是岩体沿两组(或两组以上)的软弱面滑动的现象，见图9-2(b)。在挖方工程中，如果两个不连续面的交线出露，则楔形岩体失去下部支撑作用而滑动。法国马尔帕塞坝的崩溃(1959年)就是岩基楔形滑动的结果。旋转滑动的滑动面通常呈弧形状，见图9-2(c)，这种滑动一般产生于非成层的均质岩体中。岩坡的滑动过程一般可分为三个阶段。初期是蠕动变形阶段，这一阶段中坡面和坡顶出现拉张裂缝并逐渐加长和加宽，滑坡前缘有时出现挤出现象，地下水位发生变化，有时会发出响声。第二阶段是滑动破坏阶段，此时滑坡后缘迅速下陷，岩体以极大的速度向下滑动，此一阶段往往造成极大的危害。最后是逐渐稳定阶段，这一阶段中，疏松的滑体逐渐压密，滑体上的草木逐渐生长，地下水渗出由浑变清等。在进行岩坡稳定性分析时，首先应当查明岩坡可能的滑动类型，然后对不同类型采用相应的分析方法。严格而言，岩坡滑动大多属空间滑动类型，然后对只有一个平面构成的滑裂面或者滑裂面由多个平面组成而这些面的走向又大致平行者，且沿着走向长度大于坡高时，则也可按平面滑动进行分析，其结果偏于安全方面，在平面分析中，常常把滑动面进行稳定验算。本章从第四节起将分别阐述各种分析方法。经验证明，许多滑坡的发生都与岩体内的渗水作用有关，这是由于岩体内渗水后岩石强度恶化和应力增加的缘故。因此，做好岩坡的排水工作是防止滑坡的手段之一。意大利瓦依昂(Vajont)水库岩坡滑动而造成的事故是闻名于全世界的。水库的岸坡由分层的石灰岩组成，水库蓄水后在1960年10月就发现上坡附近有主要裂隙，同时直接在沿河的陡坡上曾经发生过一次较小的滑坡，从该时起，这整个区域都处于运动中，这运动的速度为每天若干个十分之一毫米到十毫米以上。在1963年10月9日夜晚，岸坡发生骤然的崩坍，在一分多钟时间内大约有2.5亿立方米的岩石崩入水库，顿时造成高达150米到250米的水浪，洪水漫过270米高的拱坝，致使下游的郎加朗市镇遭到了毁灭性的破坏，2400多人死亡。在图9-3上示有瓦依昂山坡崩坍的二个断面图。由此看来，岩坡崩坍所造成的事故是危害极大的，必须严加防止。因此设计之前应当加强工程地质的勘测工作，以及在设计时做好岩坡稳定分析工作。图9-4表示康德斯特格(Kandersteg)隧洞由于渗水作用岩坡山崩而失事的例子。隧洞原来设计为无压隧洞，但后来却成为有压隧洞。中等程度的水压力使衬图9-3瓦依昂滑坡断面图1-滑前地面;2-滑后地面;3-滑面;4-断层;5-洼地图9-4康德斯特格隧洞1-山崩;2-压力隧洞;3-渗水;4-泉水;5-透水岩石;6-不透水岩石河谷砌造成裂缝。隧洞中的水从裂缝中渗出，流过透水层最后聚集在不透水岩层的顶部(图9-4)。在山坡底部流出一股泉水，渗水使岩石性质恶化，山坡变为不稳定而造成山体崩滑，使附近居民的生命财产受到很大的损失。这次失事，主要是衬砌部分受力过高而地质条件又不好而引起的。岩石中的渗水是这次事故中的外因，岩石强度不够是内因，外因通过内因而起作用，渗水使岩石强度降低，造成了这次事故。这是一个典型的例子，可以说明许多类似失事的原因。9.2影响边坡稳定性的因素影响边坡稳定性的因素主要有内在因素和外部因素两方面，内在因素包括组成边坡的地貌特征、岩土体的性质、地质构造、岩土体结构、岩体初始应力等。外部因素包括水的作用、地震、岩体风化程度、工程荷载条件及人为因素。内在因素对边坡的稳定性起控制作用，外部因素起诱发破坏作用。1)岩土性质和类型岩性对边坡的稳定及其边坡的坡高和坡角起重要的控制作用。坚硬完整的块状或厚层状岩石如花岗岩、石灰岩、砾岩等可以形成数百米的陡坡，如长江三峡峡谷。而在淤泥或淤泥质软土地段，由于淤泥的塑性流动，几乎难以开挖渠道，边坡随挖随塌，难以成形。黄土边坡在干旱时，可以直立陡峻，但一经水浸土的强度大减，变形急剧，滑动速度快，规模和动能巨大，破坏力强且有崩塌性。松散地层边坡的坡度较缓。不同的岩层组成的边坡，其变形破坏也有所不同，在黄土地区，边坡的变形破坏形式以滑坡为主；在花岗岩、厚层石灰岩、沙岩地区则以崩塌为主；在片岩、板岩、千枚岩地区则往往产生表层挠曲和倾倒等蠕动变形。在碎屑岩及松散土层地区，则产生碎屑流或泥石流等。2)地质构造和岩体结构的影响在区域构造比较复杂，褶皱比较强烈，新构造运动比较活动的地区，边坡稳定性差。断层带岩石破碎，风化严重，又是地下水最丰富和活动的地区极易发生滑坡。岩层或结构的产状对边坡稳定也有很大影响，水平岩层的边坡稳定性较好，但存在陡倾的节理裂隙，则易形成崩塌和剥落。同向缓倾的岩质边坡(结构面倾向和边坡坡面倾向一致，倾角小于坡角)的稳定性比反向倾斜的差，这种情况最易产生顺层滑坡。结构面或岩层倾角愈陡，稳定性愈差。如岩层倾角小于10°～15°的边坡，除沿软弱夹层可能产生塑性流动外，一般是稳定的；大于25°的边坡，通常是不稳定的；倾角在15°～25°的边坡，则根据层面的抗剪强度等因素而定。同向陡倾层状结构的边坡，一般稳定性较好，但由薄层或软硬岩互层的岩石组成，则可能因蠕变而产生挠曲弯折或倾倒。反向倾斜层状结构的边坡通常较稳定，但垂直层面或片理面的走向节理发育且顺山坡倾斜，则亦易产生切层滑坡。3)水的作用地表水和地下水是影响边坡稳定性的重要因素。不少滑坡的典型实例都与水的作用有关或者水是滑坡的触发因素，处于水下的透水边坡将承受水的浮托力的作用，而不透水的边坡，将承受静水压力；充水的张开裂隙将承受裂隙水静水压力的作用；地下水的渗流，将对边坡岩土体产生动水压力。水对边坡岩体还产生软化或泥化作用，使岩土体的抗剪强度大为降低；地表水的冲刷，地下水的溶蚀和潜蚀也直接对边坡产生破坏作用。不同结构类型的边坡，有其自身特有的水动力模型。(1)静水压力作用于边坡的静水压力主要包括两种情况：其一是当边坡被水库淹没时，库水对边坡面所产生的静水压力；其二是当裂隙岩石边坡的张裂隙充水时，裂隙中的水压力。①边坡坡面上的静水压力：当边坡被水淹没，而边坡的表部相对不透水时，坡面上将受一定的静水压力，静水压力的方向与坡面正交。当边坡的滑动面(软弱结构面)的倾角小于坡角时，则坡面静水压力传到滑动面上的切向分量为抗滑力，对边坡稳定有利。当时，则切向分量为下滑力，则不利于边坡的稳定。②边坡裂隙静水压力：有张裂隙发育的岩石边坡以及长期干旱的裂隙粘土边坡，如果因降雨或地下水活动使裂隙充水，则裂隙面将承受静水压力