不同降雨條件下軟弱夾層順層巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)分析

王增強(qiáng)

(湟源縣藥水河流域水利水保站,青海 湟源 812100)

1 概 述

順層巖質(zhì)邊坡是巖體的走向與開挖形成的邊坡相一致的層狀巖質(zhì)邊坡。在初始應(yīng)力場的形成和擾動(dòng)過程中,由于大規(guī)模開挖,改變了原始地形,此類邊坡往往存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)[1]。當(dāng)邊坡中存在一定程度的強(qiáng)風(fēng)化軟弱夾層,在雨季來臨時(shí),邊坡易發(fā)生不同程度的失穩(wěn)破壞[2]。

近年來,許多學(xué)者對(duì)順層巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行了相關(guān)研究。閆國強(qiáng)等[3]基于三峽庫區(qū)巖質(zhì)邊坡滑坡破壞的典型案例,研究了滑坡發(fā)展過程中巖土力學(xué)性能的動(dòng)態(tài)變化。趙之舉等[4]研究了巖體邊坡臨界傾角,確定了滑動(dòng)面的臨界斜率與邊坡角度、破壞面的摩擦角、內(nèi)聚力和滑動(dòng)體高度之間的函數(shù)關(guān)系。張勃成等[5]針對(duì)順層巖質(zhì)邊坡的滑動(dòng)機(jī)理,將邊坡滑坡的深層蠕變分為3個(gè)階段:初始緩慢變形階段、加速變形階段和快速變形階段。蔣水華等[6]分析了近水平層巖石邊坡的穩(wěn)定性,認(rèn)為降雨是導(dǎo)致此類巖石邊坡發(fā)生平推式滑坡的重要因素。代張音等[7]對(duì)斜坡沿線順層巖石不穩(wěn)定性進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查,并對(duì)此類斜坡的穩(wěn)定性特征和破壞形式的發(fā)展進(jìn)行了綜合分析。上述研究成果為順層巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)機(jī)理分析提供了理論支持。目前,在降雨入滲條件下,邊坡的滲流特征規(guī)律以及降雨前后巖石邊坡和軟弱層間的力學(xué)性能變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,仍待進(jìn)一步研究。

本文以某水庫軟弱夾層的順層巖質(zhì)邊坡為研究對(duì)象,對(duì)不同降雨條件下軟弱夾層順層巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)過程進(jìn)行模型試驗(yàn),分析降雨入滲條件下邊坡的體積含水量、滑動(dòng)推力和位移的變化規(guī)律,提出降雨入滲條件下軟弱層間順層巖質(zhì)邊坡的破壞模式,為工程實(shí)踐提供理論指導(dǎo)。

2 工程概況

某水庫邊坡存在滑坡的可能,為了保證邊坡的穩(wěn)定,擬對(duì)岸坡進(jìn)行削坡處理。邊坡按1∶1的比例開挖,一、二級(jí)邊坡高10m,三級(jí)邊坡高8m。通過現(xiàn)場巖芯鉆探樣品發(fā)現(xiàn),邊坡表面以下4m為強(qiáng)風(fēng)化頁巖和殘積土,其余為中風(fēng)化頁巖。巖層走向與開挖邊坡基本相同,為順層巖質(zhì)邊坡。由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)和環(huán)境因素的影響,二級(jí)邊坡的部分巖層相對(duì)破碎,裂縫和節(jié)理發(fā)育良好,與相鄰的頁巖薄層互層,形成厚度約3m的強(qiáng)風(fēng)化弱夾層。雨季來臨時(shí),雨水迅速滲入薄弱夾層,形成滑動(dòng)面,影響邊坡的整體穩(wěn)定性。

為了保證削坡處理后的邊坡穩(wěn)定性,本文選取具有軟弱夾層的巖質(zhì)邊坡作為研究對(duì)象,在不同降雨條件下進(jìn)行模型試驗(yàn)。受模型和降雨量等因素的影響,邊坡尺寸為長30m、寬50m、高35m。

3 模擬方法

3.1 降雨條件

基于當(dāng)?shù)亟?0年的降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,年平均降雨天數(shù)為134d,年平均降雨量1 427mm,平均日降雨強(qiáng)度為10.8mm,極端降雨強(qiáng)度為62.3mm。該地區(qū)年均降雨天數(shù)達(dá)到全年的近1/3,日均雨強(qiáng)在10mm以上,極端降雨情況也時(shí)有發(fā),降雨條件的差異主要是降雨強(qiáng)度和降雨持續(xù)時(shí)間的差異。為了分析降雨入滲條件下降雨條件對(duì)弱夾層順層巖質(zhì)邊坡的影響,根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤陻?shù)據(jù),制定大雨和暴雨兩種降雨等級(jí)。大雨條件下的降雨強(qiáng)度為4.50×10-4mm/s,降雨持續(xù)時(shí)間為30h;暴雨條件下的降雨量為9.00×10-4mm/s,降雨持續(xù)時(shí)間為20h。

3.2 邊坡參數(shù)

本文研究的含軟弱夾層的順層巖質(zhì)邊坡實(shí)際幾何尺寸較大,如在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行1∶1的模型試驗(yàn)以模擬邊坡失穩(wěn)過程,工作量大且不可行。為了在不同降雨條件下對(duì)具有軟弱夾層的順層巖石邊坡進(jìn)行模擬試驗(yàn),需合理縮放原型邊坡的尺寸。本文選取邊坡的幾何相似比為1∶50,考慮到巖石相對(duì)密度引起降雨入滲前后滑動(dòng)推力的變化,根據(jù)相似關(guān)系理論,選擇重度相似比1∶1,內(nèi)摩擦角1∶1,內(nèi)聚力1∶50,彈性模量1∶50。

為了對(duì)具有軟弱夾層的順層巖質(zhì)邊坡進(jìn)行模型試驗(yàn),對(duì)邊坡現(xiàn)場取樣,通過試驗(yàn),確定邊坡各結(jié)構(gòu)層的巖土參數(shù)。其中,強(qiáng)風(fēng)化頁巖、強(qiáng)風(fēng)化弱夾層和中風(fēng)化頁巖層的滲透系數(shù),通過室內(nèi)變水頭滲透試驗(yàn)確定,分別為1.17×10-6、3.13×10-4和6.48×10-7cm/s。通過室內(nèi)大型直剪試驗(yàn),確定黏聚力和內(nèi)摩擦角,內(nèi)聚力分別為241、58和438MPa,內(nèi)摩擦角分別為30°、14°和47°。根據(jù)相似理論,推導(dǎo)出相似比,計(jì)算相似材料的巖土力學(xué)參數(shù)。由于類似材料影響因素的多樣性和復(fù)雜性,本文選擇重晶石粉、石英砂為填料,水泥、石膏為膠結(jié)材料,水和黏土為配料,按一定比例配制類似材料,以滿足模型邊坡各結(jié)構(gòu)層巖土參數(shù)的要求。

3.3 試驗(yàn)方法

室內(nèi)模型試驗(yàn)的主要步驟如下:①將準(zhǔn)備好的模擬材料依次填充到邊坡模具中,靜置48h,將灌漿材料分為3個(gè)階段開挖,然后靜置72h,使邊坡達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。②模擬邊坡上的降雨,將降雨噴灑裝置安裝在模型頂部,調(diào)整降雨強(qiáng)度和降雨持續(xù)時(shí)間。降雨結(jié)束后,靜置一段時(shí)間,以監(jiān)測降雨后邊坡模型的變形。

為了研究強(qiáng)風(fēng)化軟弱夾層與邊坡失穩(wěn)之間的關(guān)系,本文對(duì)比降雨入滲前后的體積含水量、滑動(dòng)推力和位移的變化。體積含水量的監(jiān)測點(diǎn)以4cm的間距等距排列在坡頂下方,其中3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)分別位于風(fēng)化軟弱夾層的上方、夾層中和夾層下方,標(biāo)記為W1、W2和W3。土壓力監(jiān)測點(diǎn)埋設(shè)在第二級(jí)邊坡的軟弱夾層處,包含3個(gè)監(jiān)測點(diǎn),分別相隔3cm,標(biāo)記為F1、F2和F3。3個(gè)位移監(jiān)測點(diǎn)位于第二階段弱層間露頭處,分別位于夾層上方、層間和夾層下方,監(jiān)測點(diǎn)間距為4cm,標(biāo)記為D1、D2和D3,具體情況見圖1。

圖1 邊坡模型和監(jiān)測點(diǎn)的布置

4 結(jié)果分析

4.1 邊坡滲流特征

為了分析軟弱夾層順層巖質(zhì)邊坡降雨入滲的滲流特征,在大雨和暴雨兩種降雨條件下,對(duì)邊坡體積含水量監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測,結(jié)果見圖2和圖3。由圖2和圖3可知,W2的斜坡中體積含水量監(jiān)測點(diǎn)的增加速率最快;其次是W1;W3監(jiān)測點(diǎn)的體積含水量增加速率最慢。隨著降雨持續(xù)時(shí)間的增加,W1和W2的體積含水量在降雨初期快速增加后維持在穩(wěn)定狀態(tài),而W3監(jiān)測點(diǎn)的體積含水率呈曲線型增加,增加速率較緩。在降雨停止后,隨著雨水的消散,W1監(jiān)測點(diǎn)體積含水量的下降速率最快;其次是W3;W2監(jiān)測點(diǎn)體積含水量的下降速率最慢。

圖2 長時(shí)間大雨情況下的體積含水量

圖3 短時(shí)間暴雨情況下的體積含水量

其原因是在重力場的作用下,滲流向坡面流動(dòng),滲流特征與埋深滿足單調(diào)遞減函數(shù)關(guān)系。一部分雨水因重力而向下滲入軟弱夾層,另一部分雨水因毛細(xì)作用而向上流動(dòng),導(dǎo)致這部分雨水的滲流特征與深度呈反函數(shù)關(guān)系。因此,由于軟弱夾層的存在,改變了邊坡中原有的滲流規(guī)律,導(dǎo)致體積含水量的分布不再滿足隨著埋深的增加而單調(diào)遞減的規(guī)律。同時(shí),軟弱夾層的高滲透性為雨水滲入邊坡增加了新的滲流路徑,使雨水不僅從坡面滲出,而且通過軟弱夾層滲透到邊坡內(nèi)部,出現(xiàn)“雙重滲流”現(xiàn)象[8]。

4.2 邊坡滑動(dòng)規(guī)律

對(duì)于具有軟弱夾層的順層巖石邊坡,雨水的滲入會(huì)使軟弱層泥化,進(jìn)一步降低薄弱層的抗剪強(qiáng)度,導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。為了分析降雨條件下邊坡力學(xué)性能的變化,對(duì)模型邊坡中軟弱夾層和相鄰結(jié)構(gòu)層的滑動(dòng)推力進(jìn)行監(jiān)測,見圖4和圖5。在長時(shí)間大雨條件下,3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的滑動(dòng)推力逐漸增大,軟弱層間中的監(jiān)測點(diǎn)F2的滑動(dòng)推力增大最快。在降雨后期,軟弱層間中的監(jiān)測點(diǎn)滑動(dòng)推力從13MPa迅速增加至33MPa,夾層上方的F3監(jiān)測點(diǎn)滑動(dòng)推力低于軟弱夾層中的監(jiān)測點(diǎn)滑動(dòng)推力。夾層下方的監(jiān)測點(diǎn)最大滑動(dòng)推力為8MPa。在短時(shí)暴雨條件下,軟弱夾層中的監(jiān)測點(diǎn)滑動(dòng)推力沒有出現(xiàn)明顯的快速增加現(xiàn)象,最大滑動(dòng)推力穩(wěn)定在22MPa左右,夾層上方的監(jiān)測點(diǎn)最大滑動(dòng)推力穩(wěn)定性在12MPa左右,而夾層下方的監(jiān)測點(diǎn)穩(wěn)定在7MPa左右,明顯低于長期大雨條件下的滑動(dòng)推力。

圖4 長時(shí)間大雨情況下的滑動(dòng)推力

圖5 短時(shí)間暴雨情況下的滑動(dòng)推力

其原因是隨著雨水對(duì)坡面和軟弱層間的“雙重滲透”作用,夾層上段巖體的體積密度逐漸增加,軟弱層間逐漸軟化,斜坡傾向于沿軟弱結(jié)構(gòu)面滑動(dòng),導(dǎo)致層間的滑動(dòng)推力逐漸增大。滑動(dòng)推力在軟弱夾層中增長最快,當(dāng)夾層中的抗剪強(qiáng)度降低至一定程度時(shí),上部巖體中的重力場會(huì)在泥化層內(nèi)形成應(yīng)力集中,使層間的滑動(dòng)推力迅速增加,加劇了邊坡滑動(dòng)的趨勢(shì),并沿軟弱結(jié)構(gòu)面形成剪切變形,導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。

4.3 邊坡變形規(guī)律

在具有軟弱夾層的順層巖石邊坡中,降雨會(huì)使層間形成塑性變形帶,降低夾層的強(qiáng)度,導(dǎo)致邊坡發(fā)生大變形和破壞。為分析這類邊坡在降雨條件下的變形和破壞,對(duì)邊坡監(jiān)測點(diǎn)的位移進(jìn)行監(jiān)測,見圖6和圖7。由圖6和圖7可知,隨著降雨的持續(xù)滲透,邊坡監(jiān)測點(diǎn)產(chǎn)生的位移逐漸增加,其增加速度依次為夾層內(nèi)部D2>夾層上方D1>夾層下方D3。在較長時(shí)間的大雨條件下,在層間中的監(jiān)測點(diǎn)最大沉降變形達(dá)到22mm;在短時(shí)暴雨條件下,層間中的監(jiān)測點(diǎn)最大沉降變形僅為17mm。顯然,長時(shí)間暴雨下的變形明顯大于短時(shí)間暴雨。

在較長時(shí)間大雨情況下,在層間中的監(jiān)測點(diǎn)位移變化曲線顯示出明顯的4個(gè)變形階段:變形前階段、微變形階段、快速變形階段和第二次微變形階段。變形前階段,在降雨初期,雨水從坡面和軟弱層間滲出,逐漸潤濕夾層,夾層上部的土體自重緩慢增加;微變形階段,雨水在夾層中的持續(xù)滲透,導(dǎo)致夾層強(qiáng)度進(jìn)一步降低,并逐漸形成塑性流動(dòng)區(qū)。由于上部巖體的自重應(yīng)力,夾層中出現(xiàn)擠壓和下沉變形的現(xiàn)象;快速變形階段,隨著雨水的滲透,層間中上部巖體的重力也隨著層間的泥化而增加,導(dǎo)致層間塑性流動(dòng)區(qū)應(yīng)力集中,滑動(dòng)推力顯著增加。此時(shí),邊坡產(chǎn)生塑性拉伸變形和破壞,沉降位移顯著增加;微變形階段,邊坡失穩(wěn)后,沉降位移增加的趨勢(shì)明顯減弱,隨著降雨的逐漸消散,降雨停止后邊坡的沉降位移穩(wěn)定在一定數(shù)值。

圖6 長時(shí)間大雨情況下的位移

圖7 短時(shí)間暴雨情況下的位移

4.4 失穩(wěn)形式

根據(jù)在較長時(shí)間大雨條件下的邊坡試驗(yàn)結(jié)果,邊坡的失穩(wěn)形式可分為4個(gè)階段:預(yù)變形階段、層間擠壓階段、滑移斷裂階段和塑性剪切破壞階段。預(yù)變形階段:由于雨水的“雙重滲透”作用,在降雨初期,坡面和層間的體積含水量逐漸增加,滑動(dòng)推力緩慢增加,但并未破壞邊坡原有的穩(wěn)定條件,此時(shí)沒有發(fā)生變形。層間擠壓階段:層間雨水滲入,層間逐漸軟化,形成局部塑性流動(dòng)帶,強(qiáng)度顯著降低。受上部巖體重力場的影響,層間逐漸受到擠壓,產(chǎn)生一定的擠壓和沉降變形,導(dǎo)致內(nèi)部滑動(dòng)推力不斷增大,邊坡呈逐漸滑動(dòng)的趨勢(shì)。滑移斷裂階段:層間上部的裂縫發(fā)育良好,出現(xiàn)拉應(yīng)力,具有自下而上貫穿巖體上部的發(fā)展趨勢(shì)。在重力場的作用下,層間進(jìn)一步受到擠壓,層間出現(xiàn)應(yīng)力集中,導(dǎo)致滑動(dòng)推力迅速增加,產(chǎn)生較大的沉降變形。塑性剪切破壞階段:隨著大量雨水的滲透,軟弱夾層的強(qiáng)度進(jìn)一步降低,夾層上部巖體中產(chǎn)生的拉裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大,層間出現(xiàn)塑性流動(dòng)擠壓現(xiàn)象,沿軟弱結(jié)構(gòu)面逐漸形成剪切變形,最終導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)[9]。

5 結(jié) 論

1)降雨作用下,軟弱夾層的存在會(huì)改變邊坡原有滲流特征,呈現(xiàn)“雙重滲流”效應(yīng),為雨水滲透提供滲流路徑。隨著降雨持續(xù)入滲,軟弱層間逐漸軟化,局部形成塑性流動(dòng)帶。由于上部巖體重力場的影響,泥質(zhì)夾層內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中,導(dǎo)致層間滑動(dòng)推力顯著增加,加劇邊坡滑動(dòng)的傾向。

2)雨水的大量滲透,導(dǎo)致邊坡在層間擠壓處出現(xiàn)坡面塑性流動(dòng)擠出的現(xiàn)象。隨著夾層上部拉伸斷裂,邊坡產(chǎn)生較大的變形位移,并沿軟弱結(jié)構(gòu)面逐漸形成滑動(dòng)剪切變形面。

3)在降雨量相等的情況下,長時(shí)間大雨對(duì)軟弱夾層順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響大于短時(shí)間暴雨。根據(jù)長時(shí)間大雨條件下的試驗(yàn)結(jié)果,該類邊坡的失穩(wěn)分為4個(gè)階段:預(yù)變形階段、層間擠壓階段、滑移斷裂階段和塑性剪切破壞階段。