地下水對邊坡穩(wěn)定性的影響分析

王靜

（西部建筑抗震勘察設計研究院 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力地質(zhì)現(xiàn)象，它的發(fā)生和發(fā)展是極其錯綜復雜的。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、人類工程活動等，這些因素對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，促進邊坡變形的發(fā)生發(fā)展，導致邊坡失穩(wěn)破壞。

    大量實例表明，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，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)面的強度等因素，從而改變邊坡的受力極限平衡狀態(tài)。水是導致失穩(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

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

    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水體及江河湖海的水體。當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；當侵蝕切露坡體底部的軟弱結(jié)構(gòu)面時，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)應力，有統(tǒng)計結(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，并且對巖土體產(chǎn)生物理和化學作用，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)定性計算分析可知，坡體重量的增大會產(chǎn)生兩方面影響：一方面是增加滑動面的下滑力，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

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

    地下水的潤滑作用使巖土體的內(nèi)摩擦角減小。滑帶在地下水作用下摩擦力減小，剪應力效應增強，導致滑體沿滑面產(chǎn)生剪切運動。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滑作用，呈現(xiàn)明顯的各向異性，強度大為減弱，又如砂質(zhì)土，雖然親水性好，但由于水的潤滑作用，使砂粒間的膠合力和表面摩擦力都有一定程度的降低，使其強度相應減弱。

    地下水對巖土體的軟化和泥化作用，使得巖土體強度降低、巖體結(jié)構(gòu)面中充填物的物理性狀改變。在巖土體強度方面，地下水對分選較好的粗粒土，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)和支撐會減弱，強度較低。地下水對粘性土的影響顯著，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，粒間以強結(jié)合水連結(jié)，土體呈固態(tài)，強度高；含水量高于塑限低于液限時，粒間以弱結(jié)合水連結(jié)，土體呈塑態(tài)，強度較低；含水量高于液限時，粒間為自由水，土體呈流態(tài)，土體喪失其強度。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，使得滑帶的力學性質(zhì)降低，內(nèi)聚力和摩擦力減小。

    3.3 化學作用

    地下水對巖土體的化學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。當其滲入坡體上部松散層時，會大量吸收腐殖酸及高壓CO2，其腐蝕性得到提升，這種水溶液進入包氣帶底部及飽水帶后，便開始發(fā)生化學作用，這種作用將涉及巖土體幾乎所有礦物。地下水的化學作用在一定程度上會使斜坡巖土體強度衰減，結(jié)構(gòu)面c、φ值降低，甚至會使有節(jié)理的巖體逐漸碎裂變得松散，這也會使坡體中的有效空隙度增大，貯水和導水能力增強，地下水徑流交替及滲透潛蝕加劇，對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不利的影響。

    3.4 力學作用

    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主要方面。因為地下水壓力改變邊坡巖土體的應力狀態(tài)和力學形狀，并可急速的變化，導致邊坡穩(wěn)定性明顯的降低，以至成為邊坡破壞起主導作用的觸發(fā)因素。

    地下水壓力指地下水對巖土體的力學作用的總稱，它主要通過地下水靜水壓力和動水壓力對巖土體作用。

    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。考慮到邊坡巖土體中賦存地下水的條件和地下水作用特點，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。

    由有效應力原理，地下水靜水壓力通過減小巖土體的有效應力而降低巖土體的強度，減小變形體潛在滑動面上的正應力，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)生擴容變形，使邊坡發(fā)生漸進性破壞。

    3.4.2 動水壓力

    動水壓力是指地下水的水力梯度使地下水在運動過程中受到巖土顆粒或隙壁阻礙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，在動水壓力很大時，巖土體的細粒物質(zhì)產(chǎn)生移動，甚至被攜帶至巖土體之外，使巖土體產(chǎn)生滲透變形、強度降低，而產(chǎn)生滲透破壞。

    對于透水性較好的邊坡，一般當巖土體透水性相對較弱，潛在滑動面有地下水活動時，地下水壓力作為一種面力，對邊坡產(chǎn)生浮托力和側(cè)面靜水壓力，當水位迅速上升時，靜水壓力急劇增大，潛在滑動面上抗剪強度減小，有效正應力大幅降低，邊坡破壞。對于巖土體透水性較好，并且有地下滲流時，地下水作為一種體力，對坡體產(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水壓力共同作用。此時，靜水壓力使?jié)撛诨瑒用嫔系挠行д龖�力降低，動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、力學作用來改變邊坡巖土體的性質(zhì)，降低坡體強度，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重要。

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