不同降雨條件下軟弱夾層順層巖質邊坡的失穩分析

王增強

(湟源縣藥水河流域水利水保站,青海 湟源 812100)

1 概 述

順層巖質邊坡是巖體的走向與開挖形成的邊坡相一致的層狀巖質邊坡。在初始應力場的形成和擾動過程中,由于大規模開挖,改變了原始地形,此類邊坡往往存在失穩風險[1]。當邊坡中存在一定程度的強風化軟弱夾層,在雨季來臨時,邊坡易發生不同程度的失穩破壞[2]。

近年來,許多學者對順層巖質邊坡失穩機理進行了相關研究。閆國強等[3]基于三峽庫區巖質邊坡滑坡破壞的典型案例,研究了滑坡發展過程中巖土力學性能的動態變化。趙之舉等[4]研究了巖體邊坡臨界傾角,確定了滑動面的臨界斜率與邊坡角度、破壞面的摩擦角、內聚力和滑動體高度之間的函數關系。張勃成等[5]針對順層巖質邊坡的滑動機理,將邊坡滑坡的深層蠕變分為3個階段: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定性,認為降雨是導致此類巖石邊坡發生平推式滑坡的重要因素。代張音等[7]對斜坡沿線順層巖石不穩定性進行現場調查,并對此類斜坡的穩定性特征和破壞形式的發展進行了綜合分析。上述研究成果為順層巖質邊坡失穩機理分析提供了理論支持。目前,在降雨入滲條件下,邊坡的滲流特征規律以及降雨前后巖石邊坡和軟弱層間的力學性能變化對邊坡穩定性的影響,仍待進一步研究。

本文以某水庫軟弱夾層的順層巖質邊坡為研究對象,對不同降雨條件下軟弱夾層順層巖質邊坡的失穩過程進行模型試驗,分析降雨入滲條件下邊坡的體積含水量、滑動推力和位移的變化規律,提出降雨入滲條件下軟弱層間順層巖質邊坡的破壞模式,為工程實踐提供理論指導。

2 工程概況

某水庫邊坡存在滑坡的可能,為了保證邊坡的穩定,擬對岸坡進行削坡處理。邊坡按1∶1的比例開挖,一、二級邊坡高10m,三級邊坡高8m。通過現場巖芯鉆探樣品發現,邊坡表面以下4m為強風化頁巖和殘積土,其余為中風化頁巖。巖層走向與開挖邊坡基本相同,為順層巖質邊坡。由于地質結構和環境因素的影響,二級邊坡的部分巖層相對破碎,裂縫和節理發育良好,與相鄰的頁巖薄層互層,形成厚度約3m的強風化弱夾層。雨季來臨時,雨水迅速滲入薄弱夾層,形成滑動面,影響邊坡的整體穩定性。

為了保證削坡處理后的邊坡穩定性,本文選取具有軟弱夾層的巖質邊坡作為研究對象,在不同降雨條件下進行模型試驗。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

基于當地近30年的降雨數據進行分析,年平均降雨天數為134d,年平均降雨量1 427mm,平均日降雨強度為10.8mm,極端降雨強度為62.3mm。該地區年均降雨天數達到全年的近1/3,日均雨強在10mm以上,極端降雨情況也時有發,降雨條件的差異主要是降雨強度和降雨持續時間的差異。為了分析降雨入滲條件下降雨條件對弱夾層順層巖質邊坡的影響,根據當地降雨數據,制定大雨和暴雨兩種降雨等級。大雨條件下的降雨強度為4.50×10-4mm/s,降雨持續時間為30h;暴雨條件下的降雨量為9.00×10-4mm/s,降雨持續時間為20h。

3.2 邊坡參數

本文研究的含軟弱夾層的順層巖質邊坡實際幾何尺寸較大,如在實驗室中進行1∶1的模型試驗以模擬邊坡失穩過程,工作量大且不可行。為了在不同降雨條件下對具有軟弱夾層的順層巖石邊坡進行模擬試驗,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,考慮到巖石相對密度引起降雨入滲前后滑動推力的變化,根據相似關系理論,選擇重度相似比1∶1,內摩擦角1∶1,內聚力1∶50,彈性模量1∶50。

為了對具有軟弱夾層的順層巖質邊坡進行模型試驗,對邊坡現場取樣,通過試驗,確定邊坡各結構層的巖土參數。其中,強風化頁巖、強風化弱夾層和中風化頁巖層的滲透系數,通過室內變水頭滲透試驗確定,分別為1.17×10-6、3.13×10-4和6.48×10-7cm/s。通過室內大型直剪試驗,確定黏聚力和內摩擦角,內聚力分別為241、58和438MPa,內摩擦角分別為30°、14°和47°。根據相似理論,推導出相似比,計算相似材料的巖土力學參數。由于類似材料影響因素的多樣性和復雜性,本文選擇重晶石粉、石英砂為填料,水泥、石膏為膠結材料,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構層巖土參數的要求。

3.3 試驗方法

室內模型試驗的主要步驟如下:①將準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個階段開挖,然后靜置72h,使邊坡達到穩定狀態。②模擬邊坡上的降雨,將降雨噴灑裝置安裝在模型頂部,調整降雨強度和降雨持續時間。降雨結束后,靜置一段時間,以監測降雨后邊坡模型的變形。

為了研究強風化軟弱夾層與邊坡失穩之間的關系,本文對比降雨入滲前后的體積含水量、滑動推力和位移的變化。體積含水量的監測點以4cm的間距等距排列在坡頂下方,其中3個監測點分別位于風化軟弱夾層的上方、夾層中和夾層下方,標記為W1、W2和W3。土壓力監測點埋設在第二級邊坡的軟弱夾層處,包含3個監測點,分別相隔3cm,標記為F1、F2和F3。3個位移監測點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,監測點間距為4cm,標記為D1、D2和D3,具體情況見圖1。

圖1 邊坡模型和監測點的布置

4 結果分析

4.1 邊坡滲流特征

為了分析軟弱夾層順層巖質邊坡降雨入滲的滲流特征,在大雨和暴雨兩種降雨條件下,對邊坡體積含水量監測點進行監測,結果見圖2和圖3。由圖2和圖3可知,W2的斜坡中體積含水量監測點的增加速率最快;其次是W1;W3監測點的體積含水量增加速率最慢。隨著降雨持續時間的增加,W1和W2的體積含水量在降雨初期快速增加后維持在穩定狀態,而W3監測點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監測點體積含水量的下降速率最快;其次是W3;W2監測點體積含水量的下降速率最慢。

圖2 長時間大雨情況下的體積含水量

圖3 短時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,滲流特征與埋深滿足單調遞減函數關系。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作用而向上流動,導致這部分雨水的滲流特征與深度呈反函數關系。因此,由于軟弱夾層的存在,改變了邊坡中原有的滲流規律,導致體積含水量的分布不再滿足隨著埋深的增加而單調遞減的規律。同時,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部,出現“雙重滲流”現象[8]。

4.2 邊坡滑動規律

對于具有軟弱夾層的順層巖石邊坡,雨水的滲入會使軟弱層泥化,進一步降低薄弱層的抗剪強度,導致邊坡失穩。為了分析降雨條件下邊坡力學性能的變化,對模型邊坡中軟弱夾層和相鄰結構層的滑動推力進行監測,見圖4和圖5。在長時間大雨條件下,3個監測點的滑動推力逐漸增大,軟弱層間中的監測點F2的滑動推力增大最快。在降雨后期,軟弱層間中的監測點滑動推力從13MPa迅速增加至33MPa,夾層上方的F3監測點滑動推力低于軟弱夾層中的監測點滑動推力。夾層下方的監測點最大滑動推力為8MPa。在短時暴雨條件下,軟弱夾層中的監測點滑動推力沒有出現明顯的快速增加現象,最大滑動推力穩定在22MPa左右,夾層上方的監測點最大滑動推力穩定性在12MPa左右,而夾層下方的監測點穩定在7MPa左右,明顯低于長期大雨條件下的滑動推力。

圖4 長時間大雨情況下的滑動推力

圖5 短時間暴雨情況下的滑動推力

其原因是隨著雨水對坡面和軟弱層間的“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構面滑動,導致層間的滑動推力逐漸增大?；瑒油屏υ谲浫鯅A層中增長最快,當夾層中的抗剪強度降低至一定程度時,上部巖體中的重力場會在泥化層內形成應力集中,使層間的滑動推力迅速增加,加劇了邊坡滑動的趨勢,并沿軟弱結構面形成剪切變形,導致邊坡失穩。

4.3 邊坡變形規律

在具有軟弱夾層的順層巖石邊坡中,降雨會使層間形成塑性變形帶,降低夾層的強度,導致邊坡發生大變形和破壞。為分析這類邊坡在降雨條件下的變形和破壞,對邊坡監測點的位移進行監測,見圖6和圖7。由圖6和圖7可知,隨著降雨的持續滲透,邊坡監測點產生的位移逐漸增加,其增加速度依次為夾層內部D2>夾層上方D1>夾層下方D3。在較長時間的大雨條件下,在層間中的監測點最大沉降變形達到22mm;在短時暴雨條件下,層間中的監測點最大沉降變形僅為17mm。顯然,長時間暴雨下的變形明顯大于短時間暴雨。

在較長時間大雨情況下,在層間中的監測點位移變化曲線顯示出明顯的4個變形階段: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滲透,導致夾層強度進一步降低,并逐漸形成塑性流動區。由于上部巖體的自重應力,夾層中出現擠壓和下沉變形的現象;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,導致層間塑性流動區應力集中,滑動推力顯著增加。此時,邊坡產生塑性拉伸變形和破壞,沉降位移顯著增加;微變形階段,邊坡失穩后,沉降位移增加的趨勢明顯減弱,隨著降雨的逐漸消散,降雨停止后邊坡的沉降位移穩定在一定數值。

圖6 長時間大雨情況下的位移

圖7 短時間暴雨情況下的位移

4.4 失穩形式

根據在較長時間大雨條件下的邊坡試驗結果,邊坡的失穩形式可分為4個階段:預變形階段、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,滑動推力緩慢增加,但并未破壞邊坡原有的穩定條件,此時沒有發生變形。層間擠壓階段:層間雨水滲入,層間逐漸軟化,形成局部塑性流動帶,強度顯著降低。受上部巖體重力場的影響,層間逐漸受到擠壓,產生一定的擠壓和沉降變形,導致內部滑動推力不斷增大,邊坡呈逐漸滑動的趨勢?；茢嗔央A段:層間上部的裂縫發育良好,出現拉應力,具有自下而上貫穿巖體上部的發展趨勢。在重力場的作用下,層間進一步受到擠壓,層間出現應力集中,導致滑動推力迅速增加,產生較大的沉降變形。塑性剪切破壞階段:隨著大量雨水的滲透,軟弱夾層的強度進一步降低,夾層上部巖體中產生的拉裂縫進一步擴大,層間出現塑性流動擠壓現象,沿軟弱結構面逐漸形成剪切變形,最終導致邊坡失穩[9]。

5 結 論

1)降雨作用下,軟弱夾層的存在會改變邊坡原有滲流特征,呈現“雙重滲流”效應,為雨水滲透提供滲流路徑。隨著降雨持續入滲,軟弱層間逐漸軟化,局部形成塑性流動帶。由于上部巖體重力場的影響,泥質夾層內出現應力集中,導致層間滑動推力顯著增加,加劇邊坡滑動的傾向。

2)雨水的大量滲透,導致邊坡在層間擠壓處出現坡面塑性流動擠出的現象。隨著夾層上部拉伸斷裂,邊坡產生較大的變形位移,并沿軟弱結構面逐漸形成滑動剪切變形面。

3)在降雨量相等的情況下,長時間大雨對軟弱夾層順層巖質邊坡穩定性的影響大于短時間暴雨。根據長時間大雨條件下的試驗結果,該類邊坡的失穩分為4個階段:預變形階段、層間擠壓階段、滑移斷裂階段和塑性剪切破壞階段。