軟硬巖互層邊坡穩定性的敏感性因素分析＊

夏開宗 陳從新 魯祖德 宋婭芬 周意超

（中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點試驗室 武漢 430071）

0 引 言

軟硬巖互層型邊坡的地質災害對國家建設和人民的生命財產安全構成了嚴重威脅.如侏羅系地層在長江三峽庫區廣泛出露，三峽工程庫區移民遷建工程在建設過程中形成了大量的軟硬巖互層型高陡邊坡，邊坡失穩事故時有發生.

軟硬巖互層邊坡作為一類具有典型特點的層狀邊坡，邊坡在地質結構、破壞特征等方面不僅具有獨特性，而且其穩定性影響因素與一般邊坡具有很大的差異性，當地表水的浸入使巖層間軟弱巖層強度降低或邊坡前緣開挖形成臨空面時，邊坡上的巖、土體在水力作用觸發下穩定性極差［1－3］.影響此種類型的邊坡穩定性的因素是較多的，如層面強度、巖層厚度、巖層傾角、水力作用等，掌握這些因素對邊坡穩定性影響規律，能為滑坡的處置技術和優化方法提供有針對性的依據.

本文依托滬蓉國道主干線湖北宜昌至巴東高速公路上多處軟硬巖交互型邊坡為背景，針對這些邊坡的破壞特征，建立了邊坡力學模型，分析了層面強度、巖層厚度、巖層傾角、水力作用等各項因素對邊坡穩定性的影響，探索這些因素對軟硬巖互層邊坡穩定性影響的一些規律.

1 分析原理

1.1 邊坡分析模型

通過對研究區沿線20多處軟硬巖互層滑坡進行地質調查，如妃臺山滑坡、鷹咀巖滑坡、周家坡滑坡、彭家灣路段古崩滑坡等，發現此種類型的邊坡變形破壞不僅取決于軟弱層面的力學性質，而且受邊坡中地下水力作用的活動控制.因此，本次建立的邊坡穩定性分析模型考慮了水力作用.在Hoek和Bray［4］給出的典型巖石邊坡水力學模型的基礎上，建立了適合研究區軟硬巖互層邊坡如下的分析力學模型見圖1.

圖1 分析力學模型

由圖1可見，滑坡硬巖層后緣形成寬大拉裂縫，為雨水的滲入提供了有利條件.強降雨時，地下水在邊坡后緣張裂隙和潛在滑動面形成的滲流通道中運動時，對滑體將產生3個方面的力學作用：張裂隙靜水壓力、潛在滑動面揚壓力和動水壓力，其表達式分別為

式中：n為滑動面上面壁上巖土體的給水度；b為滑動面的層面開度；Z為后緣張裂隙的充水高度；l為滑動面的長度；γw為水的水容重.

從式（1）～（3）可以看出，強降雨時，張裂隙靜水壓力、潛在滑動面揚壓力和動水壓力的大小均取決于邊坡后緣的張裂縫充水高度，因此，邊坡穩定性分析時后緣張裂隙充水高度是一個極其重要的參數.邊坡平面滑動采用剛體滑移模型進行分析，設滑面內摩擦角為φ、粘聚力為c，則坡體在重力作用和水力作用下的抗滑力T和下滑力R分別為

1.2 敏感度計算

敏感度分析是指通過計算一個自變量發生變化時所引起的因變量的改變率，從而分析該自變量對因變量的貢獻［5］.

邊坡穩定性的敏感度分析主要是研究影響邊坡穩定性的各因素與相應的穩定性系數之間的相互關系.它由各因素的相對變化率與邊坡穩定性系數的相對變化率之間的比值來進行衡量，即第i個影響因素的敏感度Si可表示如下［6－7］

式中：｜ΔXi／Xi｜為影響因素 Xi的相對變化率；｜ΔKi／Ki｜為穩定性系數Ki的相對變化率.

2 邊坡敏感性分析

2.1 層面強度的敏感性分析

計算的物理力學參數如下：c＝100kPa，φ＝20°，a＝16°，巖體容重γ＝26kPa／m3，h＝25m.圖2～3分別為a＝16°時邊坡穩定性系數隨層內內摩擦角和粘聚力變化的關系.可以看出，邊坡的穩定性隨層面內摩擦角或粘聚力的提高顯著提高；不同巖層厚度或粘聚力情況下，內摩擦角與穩定性系數基本上保持線性關系，對邊坡穩定的影響規律是一致的，而粘聚力對邊坡穩定性的影響與巖層厚度有一定的關系，巖層厚度越小，圖3中曲線斜率越大，粘聚力對邊坡穩定性影響越顯著，此時，粘聚力對邊坡穩定性貢獻越大.當保持其他參數不變時，改變粘聚力c（變化范圍為10～330 kPa），計算求得粘聚力的敏感度為Si＝0.149；改變內摩擦角φ（5°～45°），計算求得內摩擦角的敏感度為Si＝1.007 1，可見內摩擦角的敏感度比粘聚力的大得多.

圖2 邊坡安全系數與層面粘聚力的關系曲線圖

圖3 邊坡安全系數與層面內摩擦角的關系曲線圖

從滑坡的原理上看，層面的粘聚力和內摩擦角越高，則構成沿層面的抗滑動力越大，邊坡的穩定性就越好；反之，值越低，邊坡的穩定性就越差.所以，軟硬交互型巖質邊坡是否能滑坡實質上受層面粘聚力和內摩擦角控制.因此，在對軟硬交互型巖質邊坡的滑坡進行處置技術和優化方法選擇時，應重點放在如何直接或間接地提高層面的粘聚力和內摩擦角的措施上，從而達到提高坡體穩定性的目的.

2.2 層面厚度的敏感性分析

巖層厚度是影響邊坡穩定性的一個重要因素，設W＝hlγ，則式（5）變為

式中：h為巖層厚度；γ為巖體的容重.

由式（8）可知，巖層厚度越大，邊坡穩定性越低，其原因主要有兩方面：一方面，在不考慮水力作用時，由式（8）可化簡得：

所以，邊坡在自身重力下隨著巖層厚度增加，其穩定性降低.

另一方面，從式（8）可知，貫通巖層層面的揚壓力和后緣張裂縫靜水壓力沿潛在滑動面上的有效法向應力均減小了邊坡的抗滑力；張裂隙靜水壓力潛在滑動面向上的分力和巖層面上的動水壓力增加了邊坡的下滑力.而這3種力的大小均取決于邊坡后緣張裂隙充水高度，由于巖層厚度與后緣張裂縫充水高度有著直接的關系，所以，巖層厚度越大，水力作用對邊坡穩定性不利作用表現得越強烈，穩定性系數降低得越多.圖4為層面傾角a＝16°，層面粘聚力c＝100kPa為繪制的邊坡的穩定性系數與巖層厚度的關系.

圖4 穩定性系數與巖層厚度關系曲線

從圖4可以看出，在巖層厚度較薄時，圖中曲線的斜率較大，隨著巖層厚度的增大，曲線逐步變為近水平狀；另外，觀察φ＝15°曲線，在巖層厚度較薄時，邊坡是穩定的，巖層厚度超過6m后，邊坡處于不穩定狀態.這說明了滑帶的發展與巖層厚度有關，即存在一臨界巖層厚度hmax，當巖層厚度大于hmax，軟弱結構面才可能發展成為滑帶.

改變巖層厚度h（變化范圍為5～45m），計算求得巖層厚的度敏感度為Si＝0.278 1.

2.3 層面傾角的敏感性分析

巖層傾角是軟硬巖互層邊坡穩定性分析的重要指標.圖5為層面摩擦角＝20°，巖體重度γ＝26 kPa／m3，不同巖層厚度下邊坡穩定性系數與巖層傾角的關系曲線.圖5a）表示潛在滑動面維軟弱層面粘聚力較小的情形，圖5b）表示潛在滑動面為軟弱層間錯動帶或泥化夾層、粘聚力較大情形，邊坡的穩定性與巖層傾角的關系.可以看出，在其他參數不變的情況下，邊坡穩定性隨著巖層傾角的增加而急劇降低，所以邊坡穩定性對層面傾角較為敏感.改變巖層傾角（變化范圍5°～45°），計算求得巖層傾角的敏感度為Si＝1.022 5.

圖5 邊坡的穩定性與巖層傾角的關系

從圖5a）可以看出，當巖層傾角略大于16°（小于層面內摩擦角20°）時，邊坡即達到臨界穩定狀態，按理說，此時的巖層傾角應該和層面內摩擦角基本上相等，究其原因是：邊坡中的水力作用能使得邊坡的穩定下降，其對邊坡穩定性不利作用的貢獻約等于層面傾角與層面內摩擦角之差的角度對邊坡穩定性的貢獻程度.所以，不考慮邊坡中的水力作用，當邊坡處于臨界狀態時，此時的巖層傾角應該和層面內摩擦角基本上相等，見表1.而從圖5b）可以看出，在層面粘聚力較大時，邊坡破壞時的層面傾角遠大于層面內摩擦角.

表1 不同巖層傾角的邊坡安全系數（c＝200kPa時）

2.4 水力作用的敏感性分析

上述在討論層面強度、層面厚度和層面傾角對邊坡的敏感性因素分析時，均考慮在強降水的情況下，即后緣張裂縫充滿水后.而大多數情況下，邊坡后緣的張裂縫中不一定都充滿水.現在來討論邊坡對水力作用的敏感性，也就是假設后緣張裂縫在不同程度的充水情況下水力作用對邊坡穩定性的影響.當不考慮邊坡中地下水的水力作用時，邊坡的穩定系數Fs為1.36，當考慮張裂縫中水深變化時水力作用對邊坡穩定性的影響時，計算結果見圖6.

圖6 邊坡穩定性系數與張裂縫中水深的關系

從圖6可知，邊坡的穩定系數在水力作用的影響下隨張裂縫中水深的變化而急劇下降.當水位深度為5m時，水力作用使穩定系數降低了2.48%；當水位深度為10m時，水力作用使穩定系數降低5.19%；當水位深度為15m時，水力作用使穩定系數降低了8.12%；當水位深度為20 m時，水力作用使穩定系數降低了11.23%；當水位深度為25m時，水力作用使穩定系數降低了14.53%所以，水力作用對邊坡穩定性的影響較大，是觸發邊坡失穩的關鍵因素.計算求得水力作用的敏感度為Si＝0.149 8.

文獻［8］通過物理實驗研究表明：隨著注水的進行，邊坡巖體位移均保持增長.第一層注水時，邊坡巖體的位移均較小，邊坡均未發現裂縫；而在第二層軟巖注水約121h，測點的變形發生明顯的突變，坡體變形加速，位移均較大，此時在邊坡前緣存在明顯的裂隙.在注水約196h后，模型體后緣自軟化層起的以上部分開始脫離框架.當改變巖層傾角時，邊坡即發生前緣的剪切破壞.說明明層面傾角和軟弱層面的強度參數（內摩擦角）對邊坡穩定性起主要控制作用，巖層厚度對的穩定性也有明顯的影響.所以物理模型試驗所得的對軟硬巖邊坡穩定性影響的規律與本文所得規律的是一致的.

3 結 論

1）考慮軟硬巖的地質結構，針對影響軟硬巖互層邊坡穩定的關鍵性因素，建立了符合此種類型邊坡的穩定性分析力學模型，推導了邊坡穩定性系數的表達式.

2）各影響因素中，敏感度由大到小為：層面傾角＞層面內摩擦角＞層面厚度＞邊坡中水力作用＞層面粘聚力，說明層面傾角和軟弱層面的強度參數（內摩擦角）對邊坡穩定性起主要控制作用，巖層厚度對的穩定性也有明顯的影響.

3）邊坡中的水力作用隨著巖層厚度的增大，對邊坡的穩定性不利作用表現得越強烈；緩傾倒軟硬巖互層邊坡由于巖層內摩擦角大于層面傾角，在天然條件下即使在邊坡坡腳開挖后仍能保持穩定狀態，但在水力作用驅動作用下，有可能發生滑移失穩破壞，造成大規模的地質災害.

4）室內模型試驗所得結果與本文所得的影響邊坡穩定性的規律比較接近.所得的這些規律，能為滑坡的處置技術和優化方法提供有針對性的依據.

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