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卉金
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1 第 23 卷第 6 期岩石力学与工程学报 23(6):920~ 年 3 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering March,2004 * 降雨入渗对边坡稳定影响的实例分析汪益敏陈页开韩大建莫海鸿 ( 华南理工大学交通学院广州 ) ( 华南理工大学建筑学院广州 ) 摘要以东江深圳供水改造工程金湖泵站左岸边坡为例, 分析影响边坡稳定的主要原因是地层岩性软弱, 地区降雨量大, 降雨入渗边坡后无法排出, 聚集在混凝土防护层下, 土体吸水软化, 强度降低, 导致坡面附近安全系数降低, 边坡失稳采用线弹性有限元及 Mohr-Coulomb 屈服准则进行土体应力应变和破坏接近度计算, 结果表明, 边坡开挖后在自然状态下基本稳定, 但随着降雨入渗边坡深度的增大, 边坡坡面附近破坏接近度不断提高, 破坏范围逐渐增大, 边坡将可能由局部破坏发展为整体滑动破坏关键词工程地质, 降雨, 边坡, 有限元, 破坏接近度分类号 TU 457 文献标识码 A 文章编号 (2004) CASE STUDY ON INFLUENCE OF RAINFALL PERMEATION ON SLOPE STABILITY Wang Yimin 1,Chen Yekai 1,Han Dajian 2,Mo Haihong 2 ( 1 College of Traffic and Communications,South China Univ. of Technology, Guangzhou China) ( 2 College of Architecture and Civil Engineering,South China Univ. of Technology, Guangzhou China) Abstract Based on the case of the left bank slope of Jinghu pump station in Dongjiang-Shenzhen water supply remaking project, the factors influencing the slope stability are analyzed. The main causes of slope sliding are the soft rock strata in the slope and the large precipitation in this area. The water permeates into the slope body during the rain and can not be drained away quickly enough,so it concentrates under the concrete cover,and the rock is softened by it. Therefore,the safety factor of the slope decreases,and the slope begins sliding. Based on calculation of the stress, strain, and destruction approaching degree of the slope with the linear-elastic finite element method and Mohr-Coulomb yield criterion,a conclusion can be drawn that the slope in natural condition is basically safe,but,when the depth of the rainfall permeation increases,the destruction approaching degree near the slope surface increases,and the area of destruction increases gradually. The slope will develop from partial sliding to whole sliding. Key words engineering geology,rainfall,slope,finite element method,destruction approaching degree 1 引言金湖泵站边坡位于东江深圳引水改造工程金湖泵站进水渠两侧, 其中, 左岸边坡高度较大, 坡顶至引水渠底面最大高差超过 40 m 原设计方案将边坡分为 5 级, 从上往下, 除第 3 级边坡与第 4 级边坡之间平台宽 3.5 m 外, 其余各级边坡之间均设宽度为 1.5 m 的平台各级边坡坡比为第 1 级边坡坡面采用砌石网格植草防护, 第 2, 年 4 月 1 日收到初稿,2002 年 10 月 11 日收到修改稿 * 东深供水改造工程科研基金 (DSGZ-KJ-022) 资助项目作者汪益敏简介 : 女,1966 年生,1986 年毕业于武汉地质学院工程地质专业, 现任副教授, 主要从事边坡稳定土体加固方面的教学和科研工作

化, 强度降低, 导致坡面附近安全系数降低, 边坡失稳采用线弹性有限元及 Mohr-Coulomb 屈服准则进行土体应力应变和破坏接近度计算, 结果表明, 边坡开挖后在自然状态下基本稳定, 但随着降雨入渗边坡深度的增大, 边坡坡面附近破

2 第 23 卷第 6 期汪益敏等. 降雨入渗对边坡稳定影响的实例分析 921 级边坡坡面采用挂钢筋网喷射混凝土防护, 第 4,5 级边坡及渠道底面采用厚 15 cm 现浇混凝土 2001 年 3 月竣工后, 左岸边坡一直处于不稳定状态, 第 2,3 级边坡产生明显的变形破坏具体表现为 :(1) 第 2 级坡面出现多道拉张裂缝, 张开度为 10~30 cm;(2) 第 3 级边坡坡面鼓出, 下部边坡土体向临空方向发生剪切位移 ;(3) 原混凝土喷射层因坡面变形而多处开裂因此, 必须调查和分析边坡产生破坏的原因, 采取相应的工程措施, 重新对边坡进行加固处理本文首先分析影响金湖泵站边坡稳定性的因素, 然后采用有限元方法对降雨入渗条件下边坡的稳定性进行分析, 得出天然干燥降雨入渗一定深度等不同工况条件下边坡的剪应力分布规律和破坏接近度分布规律 2 边坡稳定影响因素 2.1 地层岩性根据地质钻孔勘探试验结果, 左岸边坡的地层从上往下分布情况如下 : (1) 坡积层, 黄红色粉质粘土夹少量碎岩砾, 结构较疏松, 分布在坡顶, 厚度 2.0~2.2 m (2) 黄色浅黄色全风化泥质粉砂岩, 风化不均, 夹较多未风化透的强风化岩块, 呈硬塑 ~ 坚硬状, 分布厚度 1.0~15.4 m (3) 青灰色暗紫色强风化泥质粉砂岩, 局部夹黑色炭质页岩, 风化强烈, 岩质软弱, 失水龟裂易碎, 分布厚度 15~30 m (4) 青灰色暗紫色弱风化粉细砂岩, 岩质稍硬在坡脚距离进水渠底面 12.7 m 深度以下范围分布地层产状为走向 N40 W, 倾向 NE, 倾角 38, 与边坡面倾向相反由于地层主要为风化严重的泥质粉砂岩夹炭质页岩, 节理裂隙十分发育, 下雨后雨水沿裂隙下渗, 土层吸水后软化, 强度指标明显降低国内研究成 [1~14] 果表明, 风化残积土的强度指标, 由于风化及浸水软化作用而显著减小其中, 对粘聚力 c 值的降低影响作用更明显, 而对内摩擦角的影响稍小, 并且边坡不同部位不同工况条件下, 强度指标不同因此, 边坡地层风化严重岩性差吸水易软化失水易干裂, 是边坡失稳的重要内在原因如果不及时处理, 降雨进一步向深部入渗, 将会导致边坡破坏范围逐渐扩大, 最终形成完整统一的滑动面, 使边坡整体失稳 2.2 大气降雨本地区雨量充沛, 年平均降雨量 1 300~2 400 mm,4~9 月份约占全年降雨量的 70%, 其中,5, 6 月份多暴雨, 最大降雨量超过 100 mm/d 2001 年各月份降雨量分布情况如表 1 所示表年各月份降雨量分布 Table 1 Rainfall of each month in 2001 mm 月份降雨量在降雨的持续作用下, 雨水大量渗入边坡土体, 使土体吸水饱和, 容重增大, 强度降低, 并可能在坡体内部产生地下水渗流, 从而使边坡的下滑力增大, 抗滑力减小, 安全系数降低降雨入渗是边坡失稳的重要外因 2.3 边坡排水工程措施金湖泵站边坡初期加固与防护措施中, 在坡顶设置环形截水沟每级边坡平台内侧设置横向截排水沟, 排除坡面地表水第 2,3 级坡面采用挂钢筋网喷射混凝土进行坡面防护, 防止地表水下渗, 但是未留任何泄水孔第 4,5 级边坡和渠底采用 C20 混凝土现浇防护, 并在坡面混凝土铺盖层下设砂垫层和土工布, 预埋 φ 50PVC 管排水由于从第 1 级植物防护坡面及周围土层中入渗的地表水, 在重力作用下向边坡下部流动, 但第 2,3 级坡面未留任何泄水孔排水, 因此, 降雨入渗后在第 2,3 级坡面下聚集, 使得混凝土喷射层下部土层饱水软化, 力学性质指标下降, 导致该 2 级边坡首先出现失稳随着饱水土层范围的进一步扩大, 边坡将可能产生深层滑动, 威胁引水渠道和泵站的安全

为 :(1) 第 2 级坡面出现多道拉张裂缝, 张开度为 10~30 cm;(2) 第 3 级边坡坡面鼓出, 下部边坡土体向临空方向发生剪切位移 ;(3) 原混凝土喷射层因坡面变形而多处开裂因此, 必须调查和分析边坡产生破坏的原因, 采取相应的工程

3 922 岩石力学与工程学报 2004 年 3 边坡稳定分析研究 3.1 边坡稳定分析的基本原理有限元法于 20 世纪 60 年代开始应用于边坡岩土体稳定分析, 可以通过建立边坡计算范围内各离散单元的本构方程几何方程和平衡方程来求解边坡弹性弹塑性粘弹塑性及非线性等问题, 可以分别求出各个单元的应力, 位移应变及其屈服和破坏情况本文采用线弹性土体模型, 并采用 Mohr-Coulomb 屈服准则进行土体的破坏接近度 η 计算 η 按如下方法确定 : f ( σ ) η = (1) K ( κ ) 式中 : f (σ ) 为由应力状态决定的函数, K (κ ) 为屈服条件由式 (1) 可知,η 为表示接近破坏程度的量值, 所以被称为破坏接近度应用到 Mohr-Coulomb 屈服准则,η 的具体表达式为图 1 自然边坡计算模型 Fig.1 Calculation model of natural slope 边界条件采用模型两侧水平约束, 下边界竖向约束开挖模拟过程分 2 期开挖, 每期开挖模型网格分别如图 2,3 所示初始应力考虑重力作用 η = f ( σ ) = K( κ ) ( σ σ ) 2 1 [ c / tanϕ ( σ + σ ) 2] sinϕ (2) 当 η < 1 时, 应力函数 f (σ ) 在屈服面内部, 土体未破坏 ; 当 η 1 时, 应力函数 f (σ ) 处在屈服面上或屈服面外, 土体已破坏 3.2 计算模型的建立根据金湖泵站边坡测量资料, 选取左岸边坡高度最大的 G227.8 断面为典型计算断面进行计算, 根据地质钻孔勘探试验结果, 左岸边坡的地层分 4 层, 其中, 表层的坡积土层在边坡的施工中已清除, 而第 2,3 层为全强风化泥质粉砂岩, 地层分界不明显, 相互交错分布, 其物理力学参数接近, 因此, 在计算时把第 2,3 层合为 1 层, 计算域内土层共划分为 2 层 :1 为全强风化泥质粉砂岩,2 为弱风化粉细砂岩根据钻探资料和室内土工试验成果, 得出土层计算参数见表 2 该断面自然边坡计算模型如图 1 所示采用平面应变问题进行分析单元为 8 结点四边形等参单元, 网格划分及边界条件如图 1 所示 Table 2 表 2 土层计算参数 Calculation parameters of soil 岩土层 E / MPa μ γ / kn m -3 c / kpa ϕ / ( ) 饱水后图 2 1 期开挖模型网格图 Fig.2 Mesh model of first cutting 图 3 2 期开挖模型网格图 Fig.3 Mesh model of second cutting 3.3 边坡稳定计算工况在进行边坡稳定分析计算时, 考虑边坡稳定影响因素的作用, 对金湖泵站边坡进行了如下 3 种工况的稳定计算分析 :(1) 自然边坡 + 工程开挖 ;(2) 自然边坡 + 工程开挖 + 边坡坡面以下 2 m 范围内渗水饱和区 ;(3) 自然边坡 + 工程开挖 + 边坡坡面以下 4 m 范围内渗水饱和区土体浸水软化后的计算参数取值见表计算结果及分析自然边坡 2 期开挖后边坡稳定分析自然边坡 2 期开挖后剪应力等值线图和坡面附近主应力矢量图如图 4,5 所示

单元的应力, 位移应变及其屈服和破坏情况本文采用线弹性土体模型, 并采用 Mohr-Coulomb 屈服准则进行土体的破坏接近度 η 计算 η 按如下方法确定 : f ( σ ) η = (1) K ( κ ) 式中 : f (σ ) 为由应力状态决定的函数, K (κ ) 为

4 第 23 卷第 6 期汪益敏等. 降雨入渗对边坡稳定影响的实例分析 923 图 4 2 期开挖后剪应力等值线图 Fig.4 Isogram of shear stress in second cutting 图 7 坡面以下 2 m 浸水饱和边坡剪应力等值线图 Fig.7 Isogram of shear stress of slope with a saturation depth of 2 m 图 5 2 期开挖坡面附近主应力矢量图 Fig.5 Vector diagram of principal stresses near slope surface in second cutting 剪应力最大值达 kpa, 位于边坡的坡脚第 2,3 级坡面处剪应力也较大, 达到 82.6 kpa 主压应力方向接近垂直略向坡脚方向倾斜, 且倾斜度从左到右从坡顶到坡脚逐渐增大, 第 1 主应力为 0~2.56 MPa, 第 2 主应力为 0~0.68 MPa 2 期边坡开挖后破坏接近度等值线分布如图 6 所示, 最大值为 1, 分布在坡面及土层分界面附近, 土体处于极限平衡状态边坡大部分范围破坏接近度小于 1, 说明本边坡在自然状态下是稳定的图 8 坡面以下 2 m 浸水饱和边坡破坏接进度等值线图 Fig.8 Isogram of destruction approaching degree on slope surface with saturation depth of 2 m 坡面附近剪应力分布范围增大, 在第 1~3 级边坡坡面附近破坏接近度最大为 1.71, 已经发生破坏, 说明降雨入渗后, 水不能及时排走, 使浸水范围内的土体软化, 强度降低, 导致坡面产生局部破坏当降雨入渗深度为坡面以下 4 m 时, 边坡剪应力及破坏接近度等值线分布如图 9,10 所示图 9 坡面以下 4 m 浸水饱和边坡剪应力等值线图 Fig.9 Isogram of shear stress of slope with a saturation depth of 4 m 图 6 2 期开挖边坡后破坏接近度等值线图 Fig.6 Isogram of destruction approaching degree in second cutting 降雨入渗后边坡稳定分析当降雨入渗深度为坡面以下 2 m 时, 边坡剪应力及破坏接近度等值线分布如图 7,8 所示剪应力分布范围进一步扩大, 坡面附近产生较大的压剪破坏区, 破坏接近度大于 1 的区域范围增大, 最大值达到 2, 说明随着降雨入渗深度的增大, 导致边坡破坏程度增加, 破坏范围不断扩大水是影响边坡稳定的关键因素, 如果不及时处理, 将可能导致边坡整体失稳因此, 需要加强边坡排水, 特别是边坡内部积水应当及时排走, 从而保证边坡的稳定

05 kpa, 位于边坡的坡脚第 2,3 级坡面处剪应力也较大, 达到 82.6 kpa 主压应力方向接近垂直略向坡脚方向倾斜, 且倾斜度从左到右从坡顶到坡脚逐渐增大, 第 1 主应力为 0~2.56 MPa, 第 2 主应力为 0~0.

5 924 岩石力学与工程学报 2004 年参考文献 1 陈尚法, 佘成学, 陈胜宏. 大岩淌滑坡的弹粘塑性自适应有限元分析 [J]. 岩石力学与工程学报,2002,21(2):169~175 2 林鲁生. 有限厚度残积土高边坡稳定分析及加固设计 [ 博士学位论图 10 坡面以下 4 m 浸水饱和边坡破坏接近度等值线图 Fig.10 Isogram of destruction approaching degree of slope with a saturation depth of 4 m 4 结论与建议 (1) 本文通过现场调查和分析, 认为影响金湖泵站左岸边坡稳定的因素主要是边坡地层岩性软弱, 地区降雨量大, 加上边坡初期防护工程中第 2, 3 级坡面采用喷射混凝土全坡面防护, 未留任何泄水孔, 使得降雨入渗边坡后无法排出, 聚集在混凝土防护层下, 土体吸水软化, 强度降低, 导致坡面附近安全系数降低, 边坡失稳 (2) 采用线弹性有限元及 Mohr-Coulomb 屈服准则进行土体应力应变和破坏接近度计算, 结果表明, 边坡开挖后在自然状态下基本稳定, 但随着降雨入渗边坡深度的增大, 边坡坡面附近破坏接近度不断提高, 破坏范围逐渐增大, 边坡将可能由局部破坏发展为整体滑动破坏 (3) 由于水是影响边坡稳定的关键因素, 建议边坡加固与治理工程中应充分重视边坡的排水工作, 除截排地表水外, 应采取工程措施, 如设置水平钻孔或边坡渗沟等排除边坡内部水, 使边坡土体处于自然干燥状态, 这将大大有利于边坡的长期稳定文 ][D]. 武汉 : 武汉水利电力大学,2000,6:47~48 3 崔政权, 李宁. 边坡工程理论与实践最新发展 [M]. 北京 : 中国水利水电出版社, 钱家欢, 殷宗泽. 土工原理与计算 [M]. 北京 : 中国水利水电出版社, 姚海林, 郑少河, 李文斌等. 降雨入渗对非饱和膨胀土边坡稳定性影响的参数研究 [J]. 岩石力学与工程学报,2002,21(7):1 034~ 胡云进, 速宝玉, 周维垣. 有地表入渗的岩坡稳定性分析 [J]. 岩石力学与工程学报,2003,22(7):1 112~ 龙辉, 秦四清, 万志清. 降雨触发滑坡的尖点突变模型 [J]. 岩石力学与工程学报,2002,21(4):502~508 8 朱文彬, 刘宝琛. 降雨条件下土体滑坡的有限元数值分析 [J]. 岩石力学与工程学报,2002,21(4):509~512 9 朱文彬. 降雨引起土体滑坡的机理研究 [ 博士学位论文 ][D]. 长沙 : 长沙铁道学院, 戚国庆, 黄润秋, 速宝玉等. 岩质边坡降雨入渗过程的数值模拟 [J]. 岩石力学与工程学报,2003,22(4):625~ 张有天, 王镭, 陈平. 有地岩入渗的岩体渗流分析 [J]. 岩石力学与工程学报,1991,10(2):103~ 张有天, 刘中. 降雨过程裂隙网络饱和 / 非饱和非恒定渗流分析 [J]. 岩石力学与工程学报,1997,16(2):104~ 陈守义. 考虑入渗和蒸发影响的土坡稳定性分析方法 [J]. 岩土力学,1997,18(2):8~12 14 吴宏伟, 陈守义, 庞宇威. 雨水入渗对非饱和土边坡稳定性影响的参数研究 [J]. 岩土力学,1999,20(1):1~13

10 Isogram of destruction approaching degree of slope with a saturation depth of 4 m 4 结论与建议 (1) 本文通过现场调查和分析, 认为影响金湖泵站左岸边坡稳定的因素主要是边坡地层岩性软弱, 地区降雨量大, 加上边

龚亚夫在重新思考基础教育英语教学的理念一文中援引的观点认为当跳出本族语主义的思维定式后需要重新思考许多相连带的问题比如许多发音的细微区别并不影响理解和

龚亚夫在重新思考基础教育英语教学的理念一文中援引的观点认为当跳出本族语主义的思维定式后需要重新思考许多相连带的问题比如许多发音的细微区别并不影响理解和语音语篇语感语域林大津毛浩然改革开放以来的英语热引发了大中小学英语教育整体规划问题在充分考虑地区学校和个体差异以及各家观点的基础上遵循实事求是逐级定位逐层分流因材施教的原则本研究所倡导的语音语篇语感语域