地下水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響分析

王靜

（西部建筑抗震勘察設(shè)計(jì)研究院 西安 710054）

1、邊坡穩(wěn)定的影響因素

    邊坡的變形破壞不是單純的動(dòng)力地質(zhì)現(xiàn)象，它的發(fā)生和發(fā)展是極其錯(cuò)綜復(fù)雜的。影響邊坡穩(wěn)定的因素很多，概括地說，主要可分為內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素包括地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖體結(jié)構(gòu)等，這些因素的影響是長(zhǎng)期的、緩慢的，是邊坡變形破壞的內(nèi)在條件。它們決定了邊坡變形的形式和規(guī)模，對(duì)邊坡穩(wěn)定性起著控制作用。外部因素包括水文地質(zhì)條件、地震、氣候條件、人類工程活動(dòng)等，這些因素對(duì)邊坡的變形和破壞影響比較明顯和迅速，它們只有通過內(nèi)因?qū)�邊坡穩(wěn)定起著重要的作用，促進(jìn)邊坡變形的發(fā)生發(fā)展，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞。

    大量實(shí)例表明，水在邊坡的變形破壞中起著舉足輕重的作用，據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，90%左右的邊坡破壞（滑坡）均發(fā)生在雨季，尤其是暴雨、連續(xù)雨或是地下水的參與，這充分說明了水是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素。

2、水對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響

    邊坡巖性、結(jié)構(gòu)面特性等因素是影響邊坡穩(wěn)定的內(nèi)因，然而水將直接影響邊坡巖土體的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度等因素，從而改變邊坡的受力極限平衡狀態(tài)。水是導(dǎo)致失穩(wěn)的直接因素之一，主要以降雨、地表水、地下水形式作用于邊坡。

    2.1 降雨

    降雨對(duì)邊坡作用主要表現(xiàn)為：降雨過程中，對(duì)邊坡的沖刷作用；雨水下滲進(jìn)入巖土體導(dǎo)致巖土體飽和，裂隙水壓力增大，容重增大，巖土體的抗剪強(qiáng)度降低；雨水進(jìn)入地下，轉(zhuǎn)化成為地下水對(duì)坡體的作用。

    2.2 地表水

    地球表面上的水稱為地表水，包括降雨后地面上的流動(dòng)水體及江河湖海的水體。當(dāng)這些水體的水流不斷地沖刷切割地表和岸坡，使岸坡的外形發(fā)生變化，逐漸使岸坡增高和變陡；當(dāng)侵蝕切露坡體底部的軟弱結(jié)構(gòu)面時(shí)，坡體處于臨空狀態(tài)，或侵蝕切露坡體下伏軟弱面的頂面，使坡體失去原有平衡狀態(tài)，最終導(dǎo)致邊坡破壞。另外，地表水水位（如水庫庫水位）的升降變化，將引起地下水位的升降變化，使坡體所受的地下水壓力的增大，降低其穩(wěn)定性。

    2.3 地下水

    存在于地表巖土層的水統(tǒng)稱為地下水。地下水是一種重要的地質(zhì)應(yīng)力，有統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：90%以上的滑坡是由地下水或其滲流作用引起的。地表水及大氣降雨往往是地下水直接的補(bǔ)給源，它們轉(zhuǎn)化為地下水直接影響坡體的穩(wěn)定性。地下水既是土體的賦存環(huán)境又是其部分，地下水既可以使土體力學(xué)性能變化，又可以作為土體中壓力的組成部分。地下水可使巖土體的含水量和容重增加，并且對(duì)巖土體產(chǎn)生物理和化學(xué)作用，使巖土體結(jié)構(gòu)面軟化，并改變巖土體性質(zhì)，另外，地下水的力學(xué)作用破壞邊坡的平衡狀態(tài)，是影響邊坡變形破壞的重要因素。

3、地下水與邊坡巖土體的作用

    水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響有很多方式，但降雨、地表水的作用大都通過入滲轉(zhuǎn)化成為地下水對(duì)坡體的作用來影響邊坡穩(wěn)定性的。因此，從以下幾方面來探討地下水是如何作用邊坡巖土體的。

    3.1 坡體含水量和容重的增加

    坡體中地下水位的高低，表現(xiàn)出坡體內(nèi)的含水量的多少，它直接影響坡體的重量。地下水位升高，坡體中含水量增大，容重增大。從常規(guī)的坡體穩(wěn)定性計(jì)算分析可知，坡體重量的增大會(huì)產(chǎn)生兩方面影響：一方面是增加滑動(dòng)面的下滑力，致使下滑力力矩增大；另一方面，它可以增加法向作用力，增加抗滑力矩，但下滑力矩的增加比抗滑力矩增加的大，最終的結(jié)果仍然使邊坡的穩(wěn)定系數(shù)降低。

    3.2 物理作用

    地下水對(duì)巖土體產(chǎn)生物理作用主要表現(xiàn)為潤(rùn)滑作用、軟化作用、泥化作用以及結(jié)合水的強(qiáng)化作用等。

    地下水的潤(rùn)滑作用使巖土體的內(nèi)摩擦角減小�；瑤г诘叵滤�作用下摩擦力減小，剪應(yīng)力效應(yīng)增強(qiáng)，導(dǎo)致滑體沿滑面產(chǎn)生剪切運(yùn)動(dòng)。如片狀結(jié)構(gòu)的巖石頁巖、絹云母片巖、板巖等，由于層理和片理中滲入地下水而起到了潤(rùn)滑作用，呈現(xiàn)明顯的各向異性，強(qiáng)度大為減弱，又如砂質(zhì)土，雖然親水性好，但由于水的潤(rùn)滑作用，使砂粒間的膠合力和表面摩擦力都有一定程度的降低，使其強(qiáng)度相應(yīng)減弱。

    地下水對(duì)巖土體的軟化和泥化作用，使得巖土體強(qiáng)度降低、巖體結(jié)構(gòu)面中充填物的物理性狀改變。在巖土體強(qiáng)度方面，地下水對(duì)分選較好的粗粒土，如卵石、礫石的性質(zhì)影響不大，在這類土中地下水以自由水的形式存在，不影響土粒間的連結(jié)，但若粗粒土中含有少量粘性土，如坡積、洪積的碎石和角礫，其粒間的連結(jié)和支撐會(huì)減弱，強(qiáng)度較低。地下水對(duì)粘性土的影響顯著，因含水量不同，粒間連結(jié)力的性質(zhì)和大小均有差異，含水量低于塑限時(shí)，粒間以強(qiáng)結(jié)合水連結(jié)，土體呈固態(tài)，強(qiáng)度高；含水量高于塑限低于液限時(shí)，粒間以弱結(jié)合水連結(jié)，土體呈塑態(tài)，強(qiáng)度較低；含水量高于液限時(shí)，粒間為自由水，土體呈流態(tài)，土體喪失其強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)面中的充填物隨含水量的變化，發(fā)生從固態(tài)向塑態(tài)直至液態(tài)轉(zhuǎn)化的弱化效應(yīng)，使得滑帶的力學(xué)性質(zhì)降低，內(nèi)聚力和摩擦力減小。

    3.3 化學(xué)作用

    地下水對(duì)巖土體的化學(xué)作用主要是通過地下水與巖土體之間的離子交換、溶解作用、溶蝕作用、水化作用、水解作用、氧化還原作用、沉淀作用等產(chǎn)生的。

    邊坡地下水一部分水來源于PH值為7左右或7以下、礦化度為數(shù)十毫克/升的降水。當(dāng)其滲入坡體上部松散層時(shí)，會(huì)大量吸收腐殖酸及高壓CO2，其腐蝕性得到提升，這種水溶液進(jìn)入包氣帶底部及飽水帶后，便開始發(fā)生化學(xué)作用，這種作用將涉及巖土體幾乎所有礦物。地下水的化學(xué)作用在一定程度上會(huì)使斜坡巖土體強(qiáng)度衰減，結(jié)構(gòu)面c、φ值降低，甚至?xí)�使有�?jié)理的巖體逐漸碎裂變得松散，這也會(huì)使坡體中的有效空隙度增大，貯水和導(dǎo)水能力增強(qiáng)，地下水徑流交替及滲透潛蝕加劇，對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不利的影響。

    3.4 力學(xué)作用

    邊坡中的地下水以多種方式影響邊坡的穩(wěn)定性，地下水壓力是其中的一個(gè)主要方面。因?yàn)榈叵滤畨毫Ω淖冞吰聨r土體的應(yīng)力狀態(tài)和力學(xué)形狀，并可急速的變化，導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性明顯的降低，以至成為邊坡破壞起主導(dǎo)作用的觸發(fā)因素。

    地下水壓力指地下水對(duì)巖土體的力學(xué)作用的總稱，它主要通過地下水靜水壓力和動(dòng)水壓力對(duì)巖土體作用。

    3.4.1 靜水壓力

    地下水靜水壓力是孔隙水壓力、裂隙水壓力及浮托力的總稱�？紤]到邊坡巖土體中賦存地下水的條件和地下水作用特點(diǎn)，亦可統(tǒng)稱這類靜水壓力為空隙水壓力或廣義孔隙水壓力，它是巖土體的孔隙、裂隙和空洞中的地下水靜力傳遞自重應(yīng)力作用于巖土體上的力。根據(jù)靜水壓力原理，一般說來，任一給定斷面單位面積上所承受的靜水壓力P為

力的方向與作用面垂直，屬于面力。

    由有效應(yīng)力原理，地下水靜水壓力通過減小巖土體的有效應(yīng)力而降低巖土體的強(qiáng)度，減小變形體潛在滑動(dòng)面上的正應(yīng)力，降低抗滑力。在裂隙巖體中的靜水壓力的“水楔”作用，可使裂隙產(chǎn)生擴(kuò)容變形，使邊坡發(fā)生漸進(jìn)性破壞。

    3.4.2 動(dòng)水壓力

    動(dòng)水壓力是指地下水的水力梯度使地下水在運(yùn)動(dòng)過程中受到巖土顆�；蛳侗谧璧K而施加于巖土體上的力，亦即滲透力，它反映了地下水滲流過程中總水頭損失的那一部分空隙水壓力轉(zhuǎn)化為作用在水流方向上的力。任意給定范圍單位體積滲透水流作用于巖土體的動(dòng)水壓力（滲透力）Pw =( i水力梯度)，它是一種體積力，力的方向與滲流主方向一致。計(jì)算某一條塊所受滲透力為

    vi—條件單位寬度巖土體的水下體積即浸水面積

    動(dòng)水壓力主要是沿邊坡臨空面產(chǎn)生推力而增加了下滑力，使穩(wěn)定系數(shù)減小。另外，邊坡中某些土體、巖體破碎帶及軟弱夾層等，在動(dòng)水壓力很大時(shí)，巖土體的細(xì)粒物質(zhì)產(chǎn)生移動(dòng)，甚至被攜帶至巖土體之外，使巖土體產(chǎn)生滲透變形、強(qiáng)度降低，而產(chǎn)生滲透破壞。

    對(duì)于透水性較好的邊坡，一般當(dāng)巖土體透水性相對(duì)較弱，潛在滑動(dòng)面有地下水活動(dòng)時(shí)，地下水壓力作為一種面力，對(duì)邊坡產(chǎn)生浮托力和側(cè)面靜水壓力，當(dāng)水位迅速上升時(shí)，靜水壓力急劇增大，潛在滑動(dòng)面上抗剪強(qiáng)度減小，有效正應(yīng)力大幅降低，邊坡破壞。對(duì)于巖土體透水性較好，并且有地下滲流時(shí)，地下水作為一種體力，對(duì)坡體產(chǎn)生浮力和滲透力。地下水位以下的巖土體受靜水壓力和動(dòng)水壓力共同作用。此時(shí)，靜水壓力使?jié)撛诨瑒?dòng)面上的有效正應(yīng)力降低，動(dòng)水壓力沿滲流方向使下滑力增大，使邊坡穩(wěn)定性降低，發(fā)生變形破壞。 因此，地下水壓力的改變，直接影響邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)。

4、結(jié)語

    邊坡的變形與破壞是內(nèi)外多種因素綜合作用的結(jié)果，通過分析表明，水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響是顯著的，它主要以地下水為主要形式影響邊坡穩(wěn)定性。地下水通過與巖土體之間的物理、化學(xué)、力學(xué)作用來改變邊坡巖土體的性質(zhì)，降低坡體強(qiáng)度，破壞邊坡的受力平衡狀態(tài)等，從而影響邊坡的穩(wěn)定性。因此，在邊坡穩(wěn)定性分析中正確合理的考慮地下水的影響至關(guān)重要。

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(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)