水-巖相互作用與庫岸邊坡失穩(wěn)機(jī)理

水-巖相互作用與庫岸邊坡失穩(wěn)機(jī)理

0庫岸邊坡穩(wěn)定性研究水庫邊緣屬于水庫邊緣的范疇，包括沿河岸（河流）的岸壁和水庫邊緣，其穩(wěn)定性對水環(huán)境有很大影響。庫岸邊坡失穩(wěn)問題是沿江修建堤壩、公路、橋梁、港口碼頭等工程中經(jīng)常遇到的問題。庫岸邊坡的穩(wěn)定性直接決定著工程修建的可行性,影響著工程的建設(shè)投資和安全運(yùn)行。關(guān)于庫岸邊坡穩(wěn)定性的研究,國內(nèi)外大量學(xué)者開展了大量的工作。國外學(xué)者對意大利瓦依昂滑坡等開展了大量研究工作。國內(nèi)學(xué)者針對三峽水庫的庫岸邊坡穩(wěn)定性開展了許多有意義的研究工作。中國工程院院士鄭穎人教授等根據(jù)Boussinesq非穩(wěn)定流微分方程,得到了庫水位下降時(shí)坡體內(nèi)浸潤線的簡化計(jì)算公式,推導(dǎo)了土條周邊水壓力與滲透力的關(guān)系以及安全系數(shù)的計(jì)算公式,認(rèn)為安全系數(shù)與滲透力和土條浮重有關(guān);陳野鷹等根據(jù)三峽岸坡地形地貌特點(diǎn)、地質(zhì)結(jié)構(gòu)分布規(guī)律,利用物質(zhì)守恒原理、變量分離數(shù)學(xué)解析手段,建立了計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定、模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可靠的滲流自由面計(jì)算方法,使得滲流自由面計(jì)算工作變得簡單、合理可靠;劉才華等對庫水位上升誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的機(jī)理進(jìn)行了研究;莫偉偉等對庫水位漲落對滑坡的穩(wěn)定性影響進(jìn)行了研究。庫岸失穩(wěn)的表現(xiàn)形式有:坡面變形、滑坡、坍岸與庫岸再造等。本文從庫岸邊坡失穩(wěn)導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害的成因、機(jī)理和災(zāi)害處治的角度展開研究。以庫岸災(zāi)變鏈?zhǔn)綑C(jī)理為依據(jù),針對庫岸病害處治技術(shù)——斷鏈措施進(jìn)行初步探討。1庫岸水環(huán)境分析庫岸邊坡病害包括庫岸滑坡、岸坡再造、坡面沖蝕等,其成因與庫岸水環(huán)境的變化密切相關(guān),岸坡巖土體賦存的水環(huán)境改變,可通過水-巖相互作用來描述。水-巖相互作用包括巖土軟化、滲透潛蝕、水力沖蝕、滲壓效應(yīng)、漲縮崩解等作用,如圖1所示:1.1庫水預(yù)處理巖體增強(qiáng)作用機(jī)理由于巖土體飽水軟化和水的潤滑作用,土體顆粒間的摩阻系數(shù)及膠結(jié)能力降低,邊坡潛在滑動(dòng)面抗剪參數(shù)降低,進(jìn)而降低了坡體的抗滑力。庫水對巖體的浸泡軟化作用主要表現(xiàn)在對巖體結(jié)構(gòu)面中充填物的物理性狀的改變上,土體和巖體結(jié)構(gòu)面中充填物隨含水量的變化,發(fā)生由固態(tài)向塑態(tài)直至液態(tài)的弱化效應(yīng),一般在斷層帶易發(fā)生泥化現(xiàn)象。軟化和泥化作用使巖土體的力學(xué)性能降低,內(nèi)聚力和摩擦角值減小。庫水的浸泡軟化作用將加速坡體形狀的改變和漸進(jìn)性破壞向深處發(fā)展。1.2土體滲透力對岸坡穩(wěn)定性的影響水在土中滲流時(shí),受到土顆粒的阻力作用,根據(jù)作用力與反作用力的關(guān)系,水流必然有一個(gè)相等的力作用于土顆粒上,我們把水流作用在土顆粒上的力叫滲透力T,其方向與水流方向一致。當(dāng)庫水位下降時(shí),由于坡體內(nèi)的水位回落相對庫內(nèi)水位具有“滯后性”,岸坡內(nèi)會(huì)產(chǎn)生較大水力梯度的地下水位,沿岸坡向下的滲透力T增大(如圖2所示),則岸坡穩(wěn)定性在滲透力作用下會(huì)顯著降低?；瑤r土體的總滲透力按下式計(jì)算:T=γwAwI(1)式中γw——水的重度;Aw——浸潤線以下滑體飽水面積;I——平均水力坡降。1.3浮托力與邊坡穩(wěn)定性浸沒于庫水中的巖土體受到水的浮托作用如圖3所示,浮托力的大小等于水下計(jì)算巖土體的體積和水重度的乘積,浮托力F按下式計(jì)算:F=Awγw(2)式中γw——水的重度;Aw——淹沒部分滑體飽水面積。一般水下邊坡在計(jì)算滑體重量時(shí),按其浮重度考慮。浮托力對邊坡穩(wěn)定性有兩方面的影響。由于浮托力減小了滑體的有效重量,一方面,它降低了滑面的阻滑力,給邊坡的穩(wěn)定性帶來不利的影響;另一方面,滑體重量的減小,使其下滑力減小,有助于邊坡的穩(wěn)定。因而,不能簡單的評(píng)價(jià)浮托力對邊坡穩(wěn)定性的利弊,而應(yīng)根據(jù)具體的工程地質(zhì)條件和巖土體的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行綜合評(píng)判。許多庫岸邊坡在庫水位陡降時(shí)發(fā)生失穩(wěn)破壞,除了因水位陡降引起巖土體內(nèi)地下水滲流運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生滲透力導(dǎo)致坡體穩(wěn)定性發(fā)生變化外,陡降部分巖土體由于浮托力消失而有效重度增加是重要原因。另外,水庫水位上升期間,淹沒岸坡土體,庫水向坡體內(nèi)滲流,土體顆粒間孔隙水壓力增加,顆粒間正應(yīng)力減少,根據(jù)有效應(yīng)力原理,顆粒間的有效應(yīng)力降低,岸坡土體抗剪強(qiáng)度降低。對于下緩上陡的岸坡(“靠椅型”岸坡),抗剪強(qiáng)度降低部分主要在岸坡的阻滑段,因此對于靠椅型岸坡,懸浮減重作用導(dǎo)致顆粒間有效應(yīng)力降低,對其穩(wěn)定性影響較大。1.4生瞳沖刷,發(fā)病滑坡體受庫水長期浸泡的坡體,邊坡表層土飽和度增加,強(qiáng)度降低,在水位下降時(shí),會(huì)產(chǎn)生流水沖刷,由此而引起坡面變形或發(fā)生滑坡。另外,河流中高速水流沖刷坡體前部坡腳,也可能誘發(fā)上部的滑坡體(見圖4)。浪蝕作用,是指庫水在大風(fēng)的作用下對庫岸的巖土體產(chǎn)生沖刷作用。這將導(dǎo)致岸坡產(chǎn)生局部掉快,從而影響岸坡的穩(wěn)定性。1.5喪失粘聚力,最終喪失了20在周期性干-濕循環(huán)作用下,巖土體發(fā)生濕漲干縮現(xiàn)象,最終失去粘聚力,變成完全喪失強(qiáng)度的松散物質(zhì)。庫岸邊坡在水位升降導(dǎo)致的周期性加-卸載作用下,產(chǎn)生漲縮崩解,可能誘發(fā)岸坡病害的發(fā)生。1.6管涌氣走的情況水在砂性土中滲流時(shí),土中的一些細(xì)小顆粒在動(dòng)水力的作用下,可能通過粗顆粒的孔隙被水流帶走,這種現(xiàn)象稱為管涌。當(dāng)水庫運(yùn)行時(shí),庫水位反復(fù)升降,使得坡體內(nèi)出現(xiàn)循環(huán)的滲流作用,地下水滲流對坡體產(chǎn)生溶濾作用,即細(xì)小顆粒在地下水的作用下發(fā)生運(yùn)移(管涌),坡體出現(xiàn)侵蝕現(xiàn)象,坡體潛在滑動(dòng)面出現(xiàn)細(xì)觀或宏觀上的孔穴,從而使得潛在滑動(dòng)面的抗剪強(qiáng)度降低。1.7降水入滲地表水滲入坡體,增加上覆土體重量而影響坡體的穩(wěn)定;另外地表水滲入坡體,改變岸坡內(nèi)的滲流場也可能導(dǎo)致岸坡失穩(wěn)。1.8周圍巖土性質(zhì)的影響地下水與其周圍巖土產(chǎn)生長期的水化學(xué)作用,不斷地改變周圍巖土的性質(zhì)和強(qiáng)度,影響其穩(wěn)定性,如對于含有易溶礦物的地層,地下水活動(dòng)對其產(chǎn)生化學(xué)溶解作用而降低強(qiáng)度,造成上覆土體的滑動(dòng),導(dǎo)致岸坡失穩(wěn)。2基于格架的邊坡質(zhì)量控制庫岸邊坡的穩(wěn)定性,一方面受控于地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、巖體結(jié)構(gòu)等內(nèi)因;另一方面受大氣降雨、庫水升降、地下水、地震及人類活動(dòng)等外因影響。外因是庫岸滑坡、岸坡再造、坡面沖蝕等庫岸病害的主要誘發(fā)因素。根據(jù)災(zāi)變鏈?zhǔn)嚼碚?庫岸地質(zhì)災(zāi)害的形成是多因素異變耦合的結(jié)果,為找到相應(yīng)的防御對策,必須以庫岸失穩(wěn)的各種機(jī)理及其耦合效應(yīng)的研究為依據(jù)。為達(dá)到經(jīng)濟(jì)、合理地處治庫岸災(zāi)害的目的,深入研究庫岸災(zāi)變鏈?zhǔn)綑C(jī)理(見圖5)是必要的,以便根據(jù)各致災(zāi)因子合理地采取斷鏈減災(zāi)措施。庫岸邊坡災(zāi)變的鏈?zhǔn)疥P(guān)系如圖5所示:在原始庫岸邊坡地形、地貌、地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上,由于地質(zhì)作用、水環(huán)境的改變、人為活動(dòng),或環(huán)境因素的影響,產(chǎn)生了庫岸災(zāi)害或具備了形成庫岸失穩(wěn)要素的條件;經(jīng)過降雨入滲、地震、庫水位升降、管涌潛蝕等誘導(dǎo)因素的激發(fā),就會(huì)導(dǎo)致庫岸邊坡失穩(wěn)的發(fā)生,產(chǎn)生庫岸滑坡等災(zāi)害;病害岸坡經(jīng)過工程措施的治理與維護(hù)后,又形成穩(wěn)定的工程體。在這一鏈?zhǔn)竭^程中,形成庫岸失穩(wěn)要素之前就有可能形成一個(gè)完整鏈?zhǔn)竭^程,如古滑坡復(fù)活等,后期發(fā)生的滑坡則是這一鏈?zhǔn)竭^程的繼續(xù)。由于人類不當(dāng)?shù)墓こ袒顒?dòng)和地震引起的岸坡失穩(wěn),形成的鏈?zhǔn)疥P(guān)系則更為明顯。庫岸災(zāi)害發(fā)生后或阻止與減少形成庫岸失穩(wěn)因素而采取的工程措施和環(huán)保綠化措施等則是截?cái)鄮彀妒Х€(wěn)形成鏈?zhǔn)降臄噫溸^程。從圖中可以看出,在庫岸失穩(wěn)要素形成之前就采取有效措施進(jìn)行人工干預(yù),則造成的損失和治理費(fèi)用將會(huì)達(dá)到最低。普通邊坡的基本處治技術(shù)有:(1)坡率法,改變邊坡幾何形態(tài),主要是砍頭壓腳或減緩邊坡的總坡度;(2)排水,包括地表水引出滑動(dòng)區(qū)外的地表排水和降低地下水位的地下排水;(3)支擋結(jié)構(gòu)物,如擋墻、抗滑樁等;(4)坡體內(nèi)部加固,如張拉錨桿或錨索等。針對具體工程地質(zhì)條件,在滿足經(jīng)濟(jì)、合理的前提下,應(yīng)靈活選擇處治技術(shù),也可聯(lián)合采取多種處治技術(shù)。針對庫岸涉水岸坡災(zāi)變的機(jī)理特點(diǎn),應(yīng)用斷鏈處置技術(shù),重點(diǎn)考慮同步排水降壓、護(hù)坡防沖刷、反濾及疏導(dǎo)等措施。例如,考慮坡體在地下水運(yùn)動(dòng)的長期作用下,土體細(xì)小顆粒流失,造成滑動(dòng)帶土體疏松,降低滑動(dòng)面力學(xué)參數(shù)的作用,應(yīng)該在進(jìn)行護(hù)坡處理時(shí),采取合理的反濾措施來消除這種負(fù)面影響,同時(shí),應(yīng)采取坡面排水措施,對地表水進(jìn)行疏導(dǎo)。又例如,為處治岸坡碼頭地質(zhì)災(zāi)害,陳野鷹等對排水管道、網(wǎng)格盲溝、虹吸排水等同步排水降壓技術(shù)進(jìn)行了研究和應(yīng)用,對抗滑樁、抗滑擋墻加固岸坡碼頭的適應(yīng)條件和關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了研究。3邊坡失穩(wěn)機(jī)理