水力学作用下顺层岩质边坡稳定性研究.pdf

'第41卷第4期中国矿业大学学报VolI41NO．42012年7月JournalofChinaUniversityofMining&TechnologyJu1．2012水力学作用下顺层岩质边坡稳定性研究舒继森，唐震，才庆祥(中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州221116)摘要：采用静水压力在总水位1／2处达到最大作为静水压力的新假设，并对结构面上的动水压力进行了详细的推导计算，完善了影响边坡稳定的水力学理论．当坡顶面出现竖直张裂缝时，张裂缝中的水深影响结构面上静水压力和动水压力的大小，可用张裂缝中的临界水深作为边坡破坏的依据．通过实例分析，结构面和张裂缝中的静水压力对边坡的稳定性影响较大，而结构面上的动水压力对边坡的稳定性影响较小．在给定边坡条件下，静水压力使边坡的稳定系数降低了16．8；动水压力使边坡的稳定系数降低了1．2．关键词：岩质边坡；顺层滑坡；水压分布；动水压力中图分类号：TD824．7文献标识码：A文章编号：1000—1964(2012)04—0521—05ResearchonstabilityofbeddingrockslopesunderhydraulicpressureSHUJi—sen，TANGZhen，CAIQing-xiang(SchoolofMines，ChinaUniversityofMining＆Technology，Xuzhou，Jiangsu221116，China)Abstract：Thispaperreportsimprovementstothetheoryofslopehydraulicpressurestability．Thehydrodynamicpressureonthestructuralplanewascalculatedundertheassumptionthatthehydrostaticpressureismaximumathalfthetotalwaterleve1．Thewaterlevelintensioncracksinfluencesthehydrostaticandhydrodynamicpressuresonthestructuralplane．Thecrit—ical1evelofwaterinthetensioncrackscanbeusedasacriterionforslopestability．Anactualslopewasanalyzedandtheinfluenceofhydrostaticpressureonstructureandtensioncrackswasusedtopredictslopestability．Theaffectfromhydrodynamicpressureonthestructurewasconsiderablyweaker．Thesafetyfactorforplanefailureisreduced16．8percentbyhydro—staticpressureeffectsand1．2percentbyhydrodynamicpressureeffectsforthegivencondi—tions．Keywords：rockslope；beddedfailure；hydrostaticpressuredistribute；hydrodynamicpressure水是影响边坡稳定性的重要因素之一，大多数层边坡的影响主要表现为软化岩体或夹层、增加滑的滑坡与水的作用密切相关，大量的滑坡发生在雨动岩体重力、对边坡产生静水压力和动水压力作后、雨季和解冻时期n]．水对边坡岩体的影响主要用，这些因素在进行稳定性计算时必须予以考虑．表现在水通过其与岩体的相互作用，一方面改变着在边坡工程中普遍存在着应力场与渗流场的耦合，岩体的物理、化学和力学性质，另一方面也改变着但是由于岩体应力场和渗流场的耦合较为复杂，理水本身的物理、化学和力学性质．论也不够成熟，不能在工程实践中得到广泛的应顺层边坡的滑坡性质主要是平面滑坡，水对顺用，因此在工程实践中，一般仅考虑水对边坡岩体收稿日期：2011—12一O6基金项目：国家自然科学基金项目(51034005)作者简介：舒继森(1961一)，男，四川省中江县人，教授，博士生导师，工学博士，从事露天开采与边坡稳定等方面的研究E-mail：jsshu888@curet．edu．crlTel：0516—83590520 522中国矿业大学学报第41卷的力学作用，即主要考虑水对边坡的静水压力和动文献[1]对有竖直张裂缝的不透水岩石边坡中水压力作用．静水压力垂直于裂隙壁或结构面，使结构面的静水压力分布做了如图2所示的假设，文其产生法向变形；动水压力平行于裂隙壁或结构献[3—6]也采用了这一假设．面，使其产生切向变形口。]．1水对边坡的静水压力作用静水压力是指静止液体对其接触面上所作用的压力．岩土体中的静水压力分布与水头大小有图2有竖直张裂缝的不透水关，一般岩土体单位面积上承受的静水压力可表示岩石边坡静水压力模型为Fig．2HydrostaticpressuredistributingoncrackwhentensioncrackexistsP一yw(H一)，(1)式中：P为静水压力；)，为液体的容重；H为水根据图2的假设，则单位走向长度结构面上的头；为位置高程．总静水压力为对于平面滑坡，当分析水对岩体的静水压力时，一般采用如图1所示的边坡模型，并作如下假u一劫(H—z)·(2)但是，这样的假设有明显的不合理之处，当竖设：a．滑动面和张裂缝的走向必须与坡面平行或直张裂缝中的水位高度h接近或等于0时，按照接近平行．b．破坏面必须在边坡面露出，破坏面的(1)式计算出结构面上的总静水压力己，就接近或倾角必须小于坡面的倾角．c．破坏面的倾角必须等于0．事实上，只要结构面上水位不等于0，U就小于该面的内摩擦角．d．水从张裂缝流人，沿滑动不会等于0．文献[2]给出了比较合理的假设，如图面渗流并从滑动面在边坡面的露出点自由流出．e．3所示．边坡岩体除张裂缝和滑动面外，其余部分不透水．图3中，H是滑体的竖直高度，H是从滑体底部算起的水位高度，结构面(滑动面)倾角为口，A点是结构面在边坡上的出露点，D是二分之一水位高点，B是结构面与竖直张裂缝的交点，C是竖直(a)没有竖直张裂缝(b)有竖直张裂缝张裂缝在边坡顶面的出露点．图1岩石边坡平面滑坡受力模型Fig．1Mechanicalmodelforrockbeddedslope图3有竖直张裂缝的岩石边坡沿结构面上静水压力分布的新假设Fig．3Newassumptionforwaterpressuredistributingwhentensioncrackexists新的水压分布假设是：在A点，静水压力为0；位很高，即h>时，B点静水压力为y，在D点静水压力达到最大，为yw；当h<单位长度结构面上的总静水压力为时，B点静水压力为^y．u：：：y．(4)sinp根据上述假设，作用在单位长度结构面上的总文献Ez]对新假设的合理性进行了证明，并且静水压力为对新假设和原假设的结果进行了对比，本文采用新u一H毛[一2()]．㈤假设所提出的水压分布．当边坡中的竖直张裂缝深度很大，张裂缝中水 第4期舒继森等：水力学作用下顺层岩质边坡稳定性研究程中的能量损失，称为沿程水头损失，即J．2水对边坡的动水压力作用按照伯努利方程，流体中一点的总水头h，可2．1结构面上动水压力公式推导以用位置水头，压力水头P／TW和流速水头结构面或滑动面上的动水压力的方向与水流乱／(2g)之和表示，而水在结构面上流动时的流速的方向一致，其大小取决于地下水水头差的大小．一般很小，可以忽略，所以总水头可表示为位置水结构面或滑动面上的动水压力可进行如下推导：假头与压力水头之和，即定结构面或滑动面宽度恒定不变，壁面平整且无限h一z+2-．(10)延伸；结构面或滑动面长度远大于宽度且固定不变，如图4所示E．根据图3a所示的边坡水力学模型，由式(1O)得结构面上的水头损失Ah—hB—hA一／sinJ9+h，(11)xpw苣’’’式中：Ah为结构面上的水头损失；he和h分别为f。．血-结构面上B点和A点的水头；z为结构面的长度；图4结构面或滑动面上的水流示意为结构面的倾角．根据水力坡度的定义，可得结构Fig．4Flowonstructuralplane面上的水力坡度根据以上假设，运用流体力学的连续性方程与Jf=一sinI9+下h．(12)运动方程，可得出单裂隙水流立方定律根据式(12)，(9)可得水流对结构面的拖拽力q一掣．，f，(5)1厶wT=h=詈7w(／sin+^)，(13)一(6一4y。)Jf，(6)o,uw而文献[3—4]没有对T进行推导，却得出了T=apw一0_-_，(7)妻yW的结论，根据文献[3—4]的结论，当张裂缝Y式中：b为结构面或滑动面厚度；g为结构面或滑动中的水位高度为0或无张裂缝时，结构面上水流对面中的水流流量；g为重力加速度；为水的动黏结构面的拖拽力就为0，而事实上，即使h一0，结滞系数；Jf为水沿z方向的水力坡度；“为水沿方构面上也不一定就没有水流动(参考图3中的AB向上的流动速度；P为水的压强．段)．根据流体的输运性质，水流在结构面中流动时由式(6)和(7)可知，裂隙水流流速与z坐标会产生黏滞现象，因此，只要结构面中有水流动，在无关，而裂隙水流压力P与y坐标无关，所以在X水头差的作用下，结构面就会对水流产生阻力，水和z十断面上的水流速度相同，根据流体力学动流为克服这种阻力就会对结构面产生动水压量方程P6—2￡一(p+)6—0得裂隙壁对力[7-io2．所以文献[3—4]的结论明显不合理，作者认水流的阻力为更合理的计算公式应为式(13)．￡=一要孥．(8)厶U3水力学作用下顺层边坡稳定性分析模型将式(1)带人式(8)，得厶根据图3a所示的边坡水力学模型，作用在边t一Jf．(9)厶坡滑体上的力有滑体重力、张裂缝中的静水压2．2结构面上的水头损失力V、结构面上的静水压力己，和动水压力T．结构水在结构面中流动的过程中，由式(6)得：当面长度为l，边坡的倾角为a，结构面的黏聚力为C，内摩擦角为．根据边坡稳定性分析的极限平衡理Y一0时，结构面中水流速度=告ybJf，流速最0论，边坡的稳定系数F可表示为大；当Y—b／Z时，“一0，流速最小．在结构面的法线方向上，水流流速从零迅速增大，过水断面上的～Wsi精n+Vcos+T．一(一14)水流呈不均匀状态，那么相邻两层流之间就会存在由式(14)可以看出，在水的作用下，边坡的稳相对运动，而实际流体又具有黏滞性，所以相对运定系数大大降低．根据图3a和式(4)，(13)可知，张动的层流之间就会产生内摩擦力．水在流动过程中裂缝中的充水高度决定了张裂缝和结构面上静水为克服这种摩擦力而引起单位重量水体在运动过压力以及结构面上动水压力的大小，因此可以用张 524中国矿业大学学报第41卷裂缝中的临界充水高度来判定边坡的稳定性．将u，V，T代入式(14)可得张裂缝中的临界充水高度h1．1一er蔷二—{[(64-)+2cos卢+2fsin—fcsc卢)(4Wfcos一4Wsin+4cl一2yblsin一yz。fsin)]一(6+z厂)}，(15)式中厂为结构面内摩擦角的正切值tan．压力的影响，现在讨论边坡对水的敏感性．以4．1两式虽然复杂，但是一个显式表达式，可方便的实例为例进行分析，计算不同假设条件下边坡的的编成计算机软件．当张裂缝中水位高度h>h稳定系数．分别设定4个条件：1)不考虑水的影时，边坡将失稳；当h—h。时，边坡处于极限平衡响；2)只考虑静水压力U和的影响；3)只考虑状态；当hH时，边坡将失0246810121416稳；当H一H⋯时，边坡处于极限平衡状态；当h／mH