邊坡隔水層形成后的水壓分布及穩定性

張平寬

(京能電力后勤服務有限公司)

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邊坡隔水層形成后的水壓分布及穩定性

張平寬

(京能電力后勤服務有限公司)

摘要為研究邊坡中形成隔水層之后的水壓力分布規律及穩定性變化情況，揭示軟巖邊坡穩定性的變化特點，采用力學分析方法建立了隔水層形成后的水壓分布模型，結合數值模擬方法揭示了隔水層形成后的邊坡穩定性變化規律。以我國北方某軟巖露天礦為例進行了分析，結果表明：當隔水層較薄時，邊坡穩定系數呈下降趨勢；當隔水層較厚時，邊坡穩定系數呈現小幅增長的趨勢。上述研究結果對于礦區邊坡穩定分析有一定的參考價值。

關鍵詞軟巖邊坡隔水層穩定性力學分析數值模擬

1露天煤礦邊坡特點

露天煤礦邊坡是由采礦活動逐步開挖地表巖土體形成的，受到風化、地下水、地應力、采礦活動、地震等因素的影響[1-2]。主要特點為：①邊坡規模較大，高度可高達數百米，走向上可長達數千米；②邊坡破壞形式以滑坡為主，邊坡巖體的形成經歷復雜的構造運動或沉積、變質過程，該類作用形成了具有復雜結構面的巖體，由該類巖體構成的邊坡，分層極其明顯，多數層間包含軟弱夾層，強度指標接近第四系土；③邊坡是由人工開挖形成的高大邊坡，受到爆破設備振動[3]、自然風化等因素的影響，邊坡巖體較破碎；④煤礦邊坡頻繁經受爆破作業的影響，且大噸位的運輸設備對邊坡臺階的影響較大[4]；⑤邊坡是由采礦工程活動逐步開挖形成的，時效性較明顯，不同部位的邊坡服務年限也各不相同，對穩定性的要求也不一致；⑥邊坡對地質條件無選擇余地，僅能在特定的工程地質條件下進行開挖，無法因地質條件不良而改址。

2水對邊坡穩定性的影響機理

90%以上的露天礦邊坡滑坡事故發生在雨季、雨后和解凍期，水對邊坡穩定具有至關重要的作用。地下水主要在3個方面對邊坡巖體穩定性施加影響：①靜水壓力對不透水的邊坡坡面施加不利影響；②由于地下水的滲透流動產生的動水壓力，將對巖體中的細小顆粒產生拖拽作用；③邊坡巖體中親水性物質遇水膨脹，呈現出軟化特性，大大降低了邊坡巖體的抗剪強度[5-6]。

2.1靜水壓力作用

存在于邊坡裂隙中的水，將對裂隙兩壁產生靜水壓力，同時也對滑體施加托浮力，舒繼森[7]對Hoek E等[8]有關不透水巖石邊坡結構面中的水壓研究成果進行了修正，修正后的水壓如圖1所示。

圖1　張裂縫充水產生的靜水壓力和托浮力

沿張裂縫充水產生的水平靜水壓力為γwh，則總靜水壓力V為

(1)

式中，γw為水的容重，kN/m3；h為裂隙充水長度，m。

假設A點的水可自由流出，則該處的靜水壓力為0，整個結構面上的最大水壓力出現在1/2水頭高度處，即Hw/2時，水壓力達到最大值γwHw/2。結構面上沿單位走向長度分布的總靜水壓力為

(2)

式中，Hw為地下水位標高，m。

由圖1可知：

(3)

將式(3)代入式(2)并整理得：

(4)

地下水產生的托浮力方向沿著AB面斜向上，從而抵消了一部分作用于AB面上的正應力影響，因此，AB面上的摩擦力(即滑體的抗滑力)減小，邊坡穩定性系數相應減小，邊坡滑坡的概率大大增加。

2.2動水壓力作用及軟化作用

動水壓力是水在巖體孔隙或結構面、散體物料接縫內流動時，對巖體產生的拖拽力，一般也稱為滲透力。滲透力的方向沿著水流向的切線方向對邊坡巖體施加推動下滑的作用，其大小可表示為

(5)

式中，D為作用于巖體單位體積上的滲透力，kN；i為水力坡度，%。

當滲透力較大時，會帶走巖體破碎帶及空隙中的可溶解成分，同時對裂隙中的較小巖體顆粒造成沖刷流失，使巖體中的黏聚力和內摩擦角顯著減小，產生潛蝕作用，危害邊坡工程的穩定性。當邊坡主要由黏土質巖體組成時，水侵入巖體會造成巖體軟化，強度降低，黏聚力和內摩擦角均會出現不同程度的下降，抗剪強度會下降至干燥狀態下的1/4～1/20，對于堅硬的變質巖或巖漿巖構成的邊坡，應特別注意地下水對邊坡裂隙中大量黏土物質的軟化作用。

3隔水層形成后的水壓分布

邊坡內部存在隔水層之后，內部自由水的滲流路徑被切斷，內部的水壓分布也隨之改變，具體體現在：①隔水層形成之后，堵塞了初始結構面水流的自由流動端，水難以順利流出，結構面上的水壓分布隨之改變，下部堵塞端是靜水壓力最大的位置，隨著高度(水頭差的減小)的增大，邊坡靜水壓力逐步減小；②動水壓力增大，隔水層形成過程中，邊坡體內的滲透系數逐步減小，水在流動過程中的阻力越來越大，水滲流產生的拖拽力對于邊坡變形造成的影響正逐步顯現。

3.1靜水壓力

當巖體不透水且結構面充水時，結構面上任意一點的靜水壓強為該點的水頭高度與水容重的乘積，方向垂直于作用面。當坡腳處水可自由流出時，其水壓分布如圖2(a)所示；當坡腳受到表層隔水層作用而堵塞，水無法自由流出時，此時的靜水壓力在坡腳處達到最大，如圖2(b)所示；對于不存在張裂縫的邊坡，也可分為2種情況(圖2(c)、圖2(d))，靜水壓力分別在1/2水頭高度和坡腳處達到最大。

邊坡中不存在張裂縫，且地下水可自由排出，靜水壓力在1/2水頭高度達到最大，此時，作用于單位走向長度結構面上的靜水壓力為

(6)

當地下水因出露端隔水受阻時，靜水壓力在坡腳處達到最大，此時，作用于單位走向長度結構面上的靜水壓力為

圖2　平直結構面控制的邊坡內部水壓分布

(7)

在平面滑坡中，假定邊坡巖石不透水，水僅可在結構面中流動，在坡腳出水處速度達到最大。在流動過程中，結構面裂隙對水流產生阻礙流動的摩擦力，水在流動過程中為克服阻力而引起的能量損失，稱為水頭損失。將不同地下水分布情況下邊坡的滲流體積、靜水壓力值分別代入穩定系數的計算公式，可得出相應的穩定系數。在凍結滯水情況下，滑體受到的最大靜水壓力增大1倍，可見水壓改變對于邊坡的穩定性影響較大。

3.2動水壓力

動水壓力是指滲流水在流動過程中作用于巖石顆粒上的滲流力，屬于體積力，滲流體積V的動水壓力為

(8)

式中，J為水力梯度。

動水壓力ΔF的方向平行于流線方向。邊坡巖體中的滲流壓強分布，需經水文測試、繪制流網分析得出。現給定邊坡中地下水位及流網，假定邊坡為圓弧滑動且給出潛在最危險滑面，水位線以下條帶體積為V，靜水壓力ΔP作用于條塊底面，方向垂直于底面，動水壓力ΔF作用于V體形心上，其方向為通過V體形心的流線方向(圖3)。

圖3中動水壓力ΔF的計算公式為

(9)

圖3　滲流邊坡流網分布

或

(10)

式中，h1，h2為條塊兩壁水頭，m；l為條塊寬度，m；l0為條塊底面斜長，m；α為條塊底面角度，(°)。

通過對凍結過程中靜水壓力和動水壓力的分析可知，當軟巖從表層因凍結或重塑膠結形成隔水層之后，邊坡內部水源的自由流動端被堵塞，形成了滯水層，如此，邊坡坡腳位置承受的水壓非常大，無論是靜水壓力還是動水壓力，均在坡腳位置達到最大，因此，易在坡腳位置形成起鼓變形，邊坡穩定性受到嚴重威脅。

4采場軟巖邊坡穩定性性分析

由圖4可知：邊坡表面形成隔水層時的穩定系數為1.159，大于無隔水層時的穩定系數(1.194)，可見由于隔水層的形成，使得邊坡內部的水無法自由流出，邊坡內部的應力結構也隨之改變，邊坡整體的穩定系數隨之降低。

圖的穩定性分析結果

由于隔水層的厚度隨時間不斷發展，隨著隔水層厚度的增加，邊坡的穩定系數仍會發生改變，對此，本研究對不同厚度隔水層的邊坡穩定性進行了分析，結果見圖5。

圖5　隔水層厚度與邊坡穩定系數的關系

由圖5可知：①隨著隔水層厚度的增大，邊坡穩定系數先減小后增大，開始減小主要是由于隔水層形成之后，水的滲透性降低，水壓開始增加；②隨著隔水層厚度的逐漸增加，滲透系數進一步降低，邊坡的穩定系數也不斷下降；③當隔水層厚度達到一定程度，其物理力學強度大于一般巖層，隔水層的強度對邊坡穩定性起到了較好的提升作用，因此，后半段的邊坡穩定系數又表現出增長趨勢。

5結語

以我國北方某露天煤礦為例，對露天煤礦邊坡特征進行了詳細分析，明確了其結構特點和影響因素，并分析了水對于邊坡穩定性的影響機理，基于常規邊坡靜水壓力和動水壓力的計算模型，分析了邊坡表面形成隔水層之后的水壓分布規律，并進行了模型對比分析和力學表達式的修正。在此基礎上，對軟巖邊坡表面隔水層形成過程中的穩定性進行了分析，揭示了隔水層對于邊坡穩定性的影響規律，對于礦區邊坡穩定性研究有一定的借鑒價值。

參考文獻

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[8]Heok E， Bray J W.巖石邊坡工程[M].北京：冶金工業出版社，1983.

(收稿日期2016-05-03)

Analysis of the Water Pressure Distribution and Slope Stability after the Formation of Water-resisting Layer

Zhang Pingkuan

(Beijing Energy Power Logistics Co., Ltd.)

AbstractIn order to study the the water pressure distribution and the stability change rule of the slope after the formation of water-resisting layer, and reveal the variation characteristics of the soft rock slope stability. The water pressure distribution model after the water-resisting layer formed is established based on the mechanics analysis results, and the slope stability change law of the slope is revealed by the numerical simulation method.Taking a soft rock open-pit mine that is located in north of China as research example,the research results show that when water-resisting layer is thin, the slope stability coefficient show out a downward trend;when water-resisting layer is thick, slope stability coefficient show out a trend of small growth.The above research results can provide the reference for the slope stability analysis in mining area.

KeywordsSoft rock slope, Water-resisting layer, Stability, Mechanical analysis, Numerical simulation

張平寬(1973—)，男，高級工程師，高級經濟師，010020 內蒙古自治區呼和浩特市。