不同降雨条件下软弱夹层顺层岩质边坡的失稳分析

王增强

(湟源县药水河流域水利水保站,青海 湟源 812100)

1 概 述

顺层岩质边坡是岩体的走向与开挖形成的边坡相一致的层状岩质边坡。在初始应力场的形成和扰动过程中,由于大规模开挖,改变了原始地形,此类边坡往往存在失稳风险[1]。当边坡中存在一定程度的强风化软弱夹层,在雨季来临时,边坡易发生不同程度的失稳破坏[2]。

近年来,许多学者对顺层岩质边坡失稳机理进行了相关研究。闫国强等[3]基于三峡库区岩质边坡滑坡破坏的典型案例,研究了滑坡发展过程中岩土力学性能的动态变化。赵之举等[4]研究了岩体边坡临界倾角,确定了滑动面的临界斜率与边坡角度、破坏面的摩擦角、内聚力和滑动体高度之间的函数关系。张勃成等[5]针对顺层岩质边坡的滑动机理,将边坡滑坡的深层蠕变分为3个阶段:初始缓慢变形阶段、加速变形阶段和快速变形阶段。蒋水华等[6]分析了近水平层岩石边坡的稳定性,认为降雨是导致此类岩石边坡发生平推式滑坡的重要因素。代张音等[7]对斜坡沿线顺层岩石不稳定性进行现场调查,并对此类斜坡的稳定性特征和破坏形式的发展进行了综合分析。上述研究成果为顺层岩质边坡失稳机理分析提供了理论支持。目前,在降雨入渗条件下,边坡的渗流特征规律以及降雨前后岩石边坡和软弱层间的力学性能变化对边坡稳定性的影响,仍待进一步研究。

本文以某水库软弱夹层的顺层岩质边坡为研究对象,对不同降雨条件下软弱夹层顺层岩质边坡的失稳过程进行模型试验,分析降雨入渗条件下边坡的体积含水量、滑动推力和位移的变化规律,提出降雨入渗条件下软弱层间顺层岩质边坡的破坏模式,为工程实践提供理论指导。

2 工程概况

某水库边坡存在滑坡的可能,为了保证边坡的稳定,拟对岸坡进行削坡处理。边坡按1∶1的比例开挖,一、二级边坡高10m,三级边坡高8m。通过现场岩芯钻探样品发现,边坡表面以下4m为强风化页岩和残积土,其余为中风化页岩。岩层走向与开挖边坡基本相同,为顺层岩质边坡。由于地质结构和环境因素的影响,二级边坡的部分岩层相对破碎,裂缝和节理发育良好,与相邻的页岩薄层互层,形成厚度约3m的强风化弱夹层。雨季来临时,雨水迅速渗入薄弱夹层,形成滑动面,影响边坡的整体稳定性。

为了保证削坡处理后的边坡稳定性,本文选取具有软弱夹层的岩质边坡作为研究对象,在不同降雨条件下进行模型试验。受模型和降雨量等因素的影响,边坡尺寸为长30m、宽50m、高35m。

3 模拟方法

3.1 降雨条件

基于当地近30年的降雨数据进行分析,年平均降雨天数为134d,年平均降雨量1 427mm,平均日降雨强度为10.8mm,极端降雨强度为62.3mm。该地区年均降雨天数达到全年的近1/3,日均雨强在10mm以上,极端降雨情况也时有发,降雨条件的差异主要是降雨强度和降雨持续时间的差异。为了分析降雨入渗条件下降雨条件对弱夹层顺层岩质边坡的影响,根据当地降雨数据,制定大雨和暴雨两种降雨等级。大雨条件下的降雨强度为4.50×10-4mm/s,降雨持续时间为30h;暴雨条件下的降雨量为9.00×10-4mm/s,降雨持续时间为20h。

3.2 边坡参数

本文研究的含软弱夹层的顺层岩质边坡实际几何尺寸较大,如在实验室中进行1∶1的模型试验以模拟边坡失稳过程,工作量大且不可行。为了在不同降雨条件下对具有软弱夹层的顺层岩石边坡进行模拟试验,需合理缩放原型边坡的尺寸。本文选取边坡的几何相似比为1∶50,考虑到岩石相对密度引起降雨入渗前后滑动推力的变化,根据相似关系理论,选择重度相似比1∶1,内摩擦角1∶1,内聚力1∶50,弹性模量1∶50。

为了对具有软弱夹层的顺层岩质边坡进行模型试验,对边坡现场取样,通过试验,确定边坡各结构层的岩土参数。其中,强风化页岩、强风化弱夹层和中风化页岩层的渗透系数,通过室内变水头渗透试验确定,分别为1.17×10-6、3.13×10-4和6.48×10-7cm/s。通过室内大型直剪试验,确定黏聚力和内摩擦角,内聚力分别为241、58和438MPa,内摩擦角分别为30°、14°和47°。根据相似理论,推导出相似比,计算相似材料的岩土力学参数。由于类似材料影响因素的多样性和复杂性,本文选择重晶石粉、石英砂为填料,水泥、石膏为胶结材料,水和黏土为配料,按一定比例配制类似材料,以满足模型边坡各结构层岩土参数的要求。

3.3 试验方法

室内模型试验的主要步骤如下:①将准备好的模拟材料依次填充到边坡模具中,静置48h,将灌浆材料分为3个阶段开挖,然后静置72h,使边坡达到稳定状态。②模拟边坡上的降雨,将降雨喷洒装置安装在模型顶部,调整降雨强度和降雨持续时间。降雨结束后,静置一段时间,以监测降雨后边坡模型的变形。

为了研究强风化软弱夹层与边坡失稳之间的关系,本文对比降雨入渗前后的体积含水量、滑动推力和位移的变化。体积含水量的监测点以4cm的间距等距排列在坡顶下方,其中3个监测点分别位于风化软弱夹层的上方、夹层中和夹层下方,标记为W1、W2和W3。土压力监测点埋设在第二级边坡的软弱夹层处,包含3个监测点,分别相隔3cm,标记为F1、F2和F3。3个位移监测点位于第二阶段弱层间露头处,分别位于夹层上方、层间和夹层下方,监测点间距为4cm,标记为D1、D2和D3,具体情况见图1。

图1 边坡模型和监测点的布置

4 结果分析

4.1 边坡渗流特征

为了分析软弱夹层顺层岩质边坡降雨入渗的渗流特征,在大雨和暴雨两种降雨条件下,对边坡体积含水量监测点进行监测,结果见图2和图3。由图2和图3可知,W2的斜坡中体积含水量监测点的增加速率最快;其次是W1;W3监测点的体积含水量增加速率最慢。随着降雨持续时间的增加,W1和W2的体积含水量在降雨初期快速增加后维持在稳定状态,而W3监测点的体积含水率呈曲线型增加,增加速率较缓。在降雨停止后,随着雨水的消散,W1监测点体积含水量的下降速率最快;其次是W3;W2监测点体积含水量的下降速率最慢。

图2 长时间大雨情况下的体积含水量

图3 短时间暴雨情况下的体积含水量

其原因是在重力场的作用下,渗流向坡面流动,渗流特征与埋深满足单调递减函数关系。一部分雨水因重力而向下渗入软弱夹层,另一部分雨水因毛细作用而向上流动,导致这部分雨水的渗流特征与深度呈反函数关系。因此,由于软弱夹层的存在,改变了边坡中原有的渗流规律,导致体积含水量的分布不再满足随着埋深的增加而单调递减的规律。同时,软弱夹层的高渗透性为雨水渗入边坡增加了新的渗流路径,使雨水不仅从坡面渗出,而且通过软弱夹层渗透到边坡内部,出现“双重渗流”现象[8]。

4.2 边坡滑动规律

对于具有软弱夹层的顺层岩石边坡,雨水的渗入会使软弱层泥化,进一步降低薄弱层的抗剪强度,导致边坡失稳。为了分析降雨条件下边坡力学性能的变化,对模型边坡中软弱夹层和相邻结构层的滑动推力进行监测,见图4和图5。在长时间大雨条件下,3个监测点的滑动推力逐渐增大,软弱层间中的监测点F2的滑动推力增大最快。在降雨后期,软弱层间中的监测点滑动推力从13MPa迅速增加至33MPa,夹层上方的F3监测点滑动推力低于软弱夹层中的监测点滑动推力。夹层下方的监测点最大滑动推力为8MPa。在短时暴雨条件下,软弱夹层中的监测点滑动推力没有出现明显的快速增加现象,最大滑动推力稳定在22MPa左右,夹层上方的监测点最大滑动推力稳定性在12MPa左右,而夹层下方的监测点稳定在7MPa左右,明显低于长期大雨条件下的滑动推力。

图4 长时间大雨情况下的滑动推力

图5 短时间暴雨情况下的滑动推力

其原因是随着雨水对坡面和软弱层间的“双重渗透”作用,夹层上段岩体的体积密度逐渐增加,软弱层间逐渐软化,斜坡倾向于沿软弱结构面滑动,导致层间的滑动推力逐渐增大。滑动推力在软弱夹层中增长最快,当夹层中的抗剪强度降低至一定程度时,上部岩体中的重力场会在泥化层内形成应力集中,使层间的滑动推力迅速增加,加剧了边坡滑动的趋势,并沿软弱结构面形成剪切变形,导致边坡失稳。

4.3 边坡变形规律

在具有软弱夹层的顺层岩石边坡中,降雨会使层间形成塑性变形带,降低夹层的强度,导致边坡发生大变形和破坏。为分析这类边坡在降雨条件下的变形和破坏,对边坡监测点的位移进行监测,见图6和图7。由图6和图7可知,随着降雨的持续渗透,边坡监测点产生的位移逐渐增加,其增加速度依次为夹层内部D2>夹层上方D1>夹层下方D3。在较长时间的大雨条件下,在层间中的监测点最大沉降变形达到22mm;在短时暴雨条件下,层间中的监测点最大沉降变形仅为17mm。显然,长时间暴雨下的变形明显大于短时间暴雨。

在较长时间大雨情况下,在层间中的监测点位移变化曲线显示出明显的4个变形阶段:变形前阶段、微变形阶段、快速变形阶段和第二次微变形阶段。变形前阶段,在降雨初期,雨水从坡面和软弱层间渗出,逐渐润湿夹层,夹层上部的土体自重缓慢增加;微变形阶段,雨水在夹层中的持续渗透,导致夹层强度进一步降低,并逐渐形成塑性流动区。由于上部岩体的自重应力,夹层中出现挤压和下沉变形的现象;快速变形阶段,随着雨水的渗透,层间中上部岩体的重力也随着层间的泥化而增加,导致层间塑性流动区应力集中,滑动推力显著增加。此时,边坡产生塑性拉伸变形和破坏,沉降位移显著增加;微变形阶段,边坡失稳后,沉降位移增加的趋势明显减弱,随着降雨的逐渐消散,降雨停止后边坡的沉降位移稳定在一定数值。

图6 长时间大雨情况下的位移

图7 短时间暴雨情况下的位移

4.4 失稳形式

根据在较长时间大雨条件下的边坡试验结果,边坡的失稳形式可分为4个阶段:预变形阶段、层间挤压阶段、滑移断裂阶段和塑性剪切破坏阶段。预变形阶段:由于雨水的“双重渗透”作用,在降雨初期,坡面和层间的体积含水量逐渐增加,滑动推力缓慢增加,但并未破坏边坡原有的稳定条件,此时没有发生变形。层间挤压阶段:层间雨水渗入,层间逐渐软化,形成局部塑性流动带,强度显著降低。受上部岩体重力场的影响,层间逐渐受到挤压,产生一定的挤压和沉降变形,导致内部滑动推力不断增大,边坡呈逐渐滑动的趋势。滑移断裂阶段:层间上部的裂缝发育良好,出现拉应力,具有自下而上贯穿岩体上部的发展趋势。在重力场的作用下,层间进一步受到挤压,层间出现应力集中,导致滑动推力迅速增加,产生较大的沉降变形。塑性剪切破坏阶段:随着大量雨水的渗透,软弱夹层的强度进一步降低,夹层上部岩体中产生的拉裂缝进一步扩大,层间出现塑性流动挤压现象,沿软弱结构面逐渐形成剪切变形,最终导致边坡失稳[9]。

5 结 论

1)降雨作用下,软弱夹层的存在会改变边坡原有渗流特征,呈现“双重渗流”效应,为雨水渗透提供渗流路径。随着降雨持续入渗,软弱层间逐渐软化,局部形成塑性流动带。由于上部岩体重力场的影响,泥质夹层内出现应力集中,导致层间滑动推力显著增加,加剧边坡滑动的倾向。

2)雨水的大量渗透,导致边坡在层间挤压处出现坡面塑性流动挤出的现象。随着夹层上部拉伸断裂,边坡产生较大的变形位移,并沿软弱结构面逐渐形成滑动剪切变形面。

3)在降雨量相等的情况下,长时间大雨对软弱夹层顺层岩质边坡稳定性的影响大于短时间暴雨。根据长时间大雨条件下的试验结果,该类边坡的失稳分为4个阶段:预变形阶段、层间挤压阶段、滑移断裂阶段和塑性剪切破坏阶段。