地下水对边坡稳定性的影响.doc

地下水对边坡稳定性的影响分析

摘 要：影响边坡稳定性的因素有很多，其中水对边坡稳定的影响是导致边坡失稳破坏的主要因素之一，而水的影响主要以地下水的作用影响坡体。本文从地下水与边坡岩土体的相互作用着手，分析了地下水对边坡稳定性的影响。
关键词：边坡；地下水；稳定性 ；影响
Abstract: factors affecting slope stability, water on slope stability is one of the main factors that cause slope instability and failure, and water affect the slope of groundwater. Begin this article from the mechanism of interaction between groundwater Slope Ground groundwater under the slope stability analysis.
Keywords: groundwater; slope; stability; impact
1 边坡稳定的影响因素
边坡的变形破坏不是单纯的动力地质现象，它的发生和发展是极其错综复杂的。影响边坡稳定的因素很多，概括地说，主要可分为内部因素和外部因素。内部因素包括地层岩性、地质构造、岩体结构等，这些因素的影响是长期的、缓慢的，是边坡变形破坏的内在条件。它们决定了边坡变形的形式和规模，对边坡稳定性起着控制作用。外部因素包括水文地质条件、地震、气候条件、人类工程活动等，这些因素对边坡的变形和破坏影响比较明显和迅速，它们只有通过内因对边坡稳定起着重要的作用，促进边坡变形的发生发展，导致边坡失稳破坏。[1]
大量实例表明，水在边坡的变形破坏中起着举足轻重的作用，据资料统计，90%左右的边坡破坏（滑坡）均发生在雨季，尤其是暴雨、连续雨或是地下水的参与，这充分说明了水是影响边坡稳定性的重要因素。[2]

2 水对边坡稳定的影响
边坡岩性、结构面特性等因素是影响边坡稳定的内因，然而水将直接影响边坡岩土体的性质、结构面的强度等因素，从而改变边坡的受力极限平衡状态。水是导致失稳的直接因素之一，主要以降雨、地表水、地下水形式作用于边坡。
2.1 降雨
降雨对边坡作用主要表现为：降雨过程中，对边坡的冲刷作用；雨水下渗进入岩土体导致岩土体饱和，裂隙水压力增大，容重增大，岩土体的抗剪强度降低；雨水进入地下，转化成为地下水对坡体的作用。
2.2 地表水
地球表面上的水称为地表水，包括降雨后地面上的流动水体及江河湖海的水体。[3]当这些水体的水流不断地冲刷切割地表和岸坡，使岸坡的外形发生变化，逐渐使岸坡增高和变陡；当侵蚀切露坡体底部的软弱结构面时，坡体处于临空状态，或侵蚀切露坡体下伏软弱面的顶面，使坡体失去原有平衡状态，最终导致边坡破坏。另外，地表水水位（如水库库水位）的升降变化，将引起地下水位的升降变化，使坡体所受的地下水压力的增大，降低其稳定性。
2.3 地下水
存在于地表岩土层的水统称为地下水。地下水是一种重要的地质应力，有统计结果显示：90%以上的滑坡是由地下水或其渗流作用引起的。[4]地表水及大气降雨往往是地下水直接的补给源，它们转化为地下水直接影响坡体的稳定性。地下水既是土体的赋存环境又是其部分，地下水既可以使土体力学性能变化，又可以作为土体中压力的组成部分。地下水可使岩土体的含水量和容重增加，并且对岩土体产生物理和化学作用，使岩土体结构面软化，并改变岩土体性质，另外，地下水的力学作用破坏边坡的平衡状态，是影响边坡变形破坏的重要因素。
3 地下水与边坡岩土体的作用
水对边坡稳定性的影响有很多方式，但降雨、地表水的作用大都通过入渗转化成为地下水对坡体的作用来影响边坡稳定性的。因此，从以下几方面来探讨地下水是如何作用边坡岩土体的。
3.1 坡体含水量和容重的增加
坡体中地下水位的高低，表现出坡体内的含水量的多少，它直接影响坡体的重量。地下水位升高，坡体中含水量增大，容重增大。从常规的坡体稳定性计算分析可知，坡体重量的增大会产生两方面影响：一方面是增加滑动面的下滑力，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，最终的结果仍然使边坡的稳定系数降低。
3.2 物理作用
地下水对岩土体产生物理作用主要表现为润滑作用、软化作用、泥化作用以及结合水的强化作用等。地下水的润滑作用使岩土体的内摩擦角减小。滑带在地下水作用下摩擦力减小，剪应力效应增强，导致滑体沿滑面产生剪切运动。如片状结构的岩石页岩、绢云母片岩、板岩等，由于层理和片理中渗入地下水而起到了润滑作用，呈现明显的各向异性，强度大为减弱，又如砂质土，虽然亲水性好，但由于水的润滑作用，使砂粒间的胶合力和表面摩擦力都有一定程度的降低，使其强度相应减弱。地下水对岩土体的软化和泥化作用，使得岩土体强度降低、岩体结构面中充填物的物理性状改变。在岩土体强度方面，地下水对分选较好的粗粒土，如卵石、砾石的性质影响不大，在这类土中地下水以自由水的形式存在，不影响土粒间的连结，但若粗粒土中含有少量粘性土，如坡积、洪积的碎石和角砾，其粒间的连结和支撑会减弱，强度较低。地下水对粘性土的影响显著，因含水量不同，粒间连结力的性质和大小均有差异，含水量低于塑限时，粒间以强结合水连结，土体呈固态，强度高；含水量高于塑限低于液限时，粒间以弱结合水连结，土体呈塑态，强度较低；含水量高于液限时，粒间为自由水，土体呈流态，土体丧失其强度。结构面中的充填物随含水量的变化，发生从固态向塑态直至液态转化的弱化效应，使得滑带的力学性质降低，内聚力和摩擦力减小。
3.3 化学作用
地下水对岩土体的化学作用主要是通过地下水与岩土体之间的离子交换、溶解作用、溶蚀作用、水化作用、水解作用、氧化还原作用、沉淀作用等产生的。边坡地下水一部分水来源于PH值为7左右或7以下、矿化度为数十毫克/升的降水。当其渗入坡体上部松散层时，会大量吸收腐殖酸及高压CO2，其腐蚀性得到提升，这种水溶液进入包气带底部及饱水带后，便开始发生化学作用，这种作用将涉及岩土体几乎所有矿物。地下水的化学作用在一定程度上会使斜坡岩土体强度衰减，结构面c、φ值降低，甚至会使有节理的岩体逐渐碎裂变得松散，这也会使坡体中的有效空隙度增大，贮水和导水能力增强，地下水径流交替及渗透潜蚀加剧，对边坡稳定性产生不利的影响。
3.4 力学作用
边坡中的地下水以多种方式影响边坡的稳定性，地下水压力是其中的一个主要方面。因为地下水压力改变边坡岩土体的应力状态和力学形状，并可急速的变化，导致边坡稳定性明显的降低，以至成为边坡破坏起主导作用的触发因素。地下水压力指地下水对岩土体的力学作用的总称，它主要通过地下水静水压力和动水压力对岩土体作用。
3.4.1 静水压力
地下水静水压力是孔隙水压力、裂隙水压力及浮托力的总称。考虑到边坡岩土体中赋存地下水的条件和地下水作用特点，亦可统称这类静水压力为空隙水压力或广义孔隙水压力，它是岩土体的孔隙、裂隙和空洞中的地下水静力传递自重应力作用于岩土体上的力。根据静水压力原理，一般说来，任一给定断面单位面积上所承受的静水压力P为
P=γw·h （1）
γw—水的容重 h—该断面平均水头高度力的方向与作用面垂直，属于面力。
由有效应力原理，地下水静水压力通过减小岩土体的有效应力而降低岩土体的强度，减小变形体潜在滑动面上的正应力，降低抗滑力。在裂隙岩体中的静水压力的“水楔”作用，可使裂隙产生扩容变形，使边坡发生渐进性破坏。
3.4.2 动水压力
动水压力是指地下水的水力梯度使地下水在运动过程中受到岩土颗粒或隙壁阻碍而施加于岩土体上的力，亦即渗透力，它反映了地下水渗流过程中总水头损失的那一部分空隙水压力转化为作用在水流方向上的力。任意给定范围单位体积渗透水流作用于岩土体的动水压力（渗透力）

PW =γw·i ( i水力梯度)，它是一种体积力，力的方向与渗流主方向一致。计算某一条块所受渗透力为

P=γw·i ·Vi （2）
vi—条件单位宽度岩土体的水下体积即浸水面积动水压力主要是沿边坡临空面产生推力而增加了下滑力，使稳定系数减小。另外，边坡中某些土体、岩体破碎带及软弱夹层等，在动水压力很大时，岩土体的细粒物质产生移动，甚至被携带至岩土体之外，使岩土体产生渗透变形、强度降低，而产生渗透破坏。
对于透水性较好的边坡，一般当岩土体透水性相对较弱，潜在滑动面有地下水活动时，地下水压力作为一种面力，对边坡产生浮托力和侧面静水压力，当水位迅速上升时，静水压力急剧增大，潜在滑动面上抗剪强度减小，有效正应力大幅降低，边坡破坏。对于岩土体透水性较好，并且有地下渗流时，地下水作为一种体力，对坡体产生浮力和渗透力。地下水位以下的岩土体受静水压力和动水压力共同作用。此时，静水压力使潜在滑动面上的有效正应力降低，动水压力沿渗流方向使下滑力增大，使边坡稳定性降低，发生变形破坏。 因此，地下水压力的改变，直接影响边坡的稳定状态。
4 结语
边坡的变形与破坏是内外多种因素综合作用的结果，通过分析表明，水对边坡稳定性的影响是显著的，它主要以地下水为主要形式影响边坡稳定性。地下水通过与岩土体之间的物理、化学、力学作用来改变边坡岩土体的性质，降低坡体强度，破坏边坡的受力平衡状态等，从而影响边坡的稳定性。因此，在边坡稳定性分析中正确合理的考虑地下水的影响至关重要。
参考文献：
[1] 包永兴等，《边坡稳定分析中主要影响因素的判别》，四川水利，1998，19（3）：49～52
[2] 王乾程，《水作用下土坡稳定性分析及防治对策探讨》，西部探矿工程，2003，84（5）：29～32，156-157
[3] 牟会龙，《滑坡》，地震出版社，1987
[4] 晏同珍，《水文工程地质与环境保护》，中国地质大学出版社，1994
[5] 王大纯，《水文地质学基础》，北京：地质出版社， 1995
[6] 东南大学、浙江大学、湖南大学、《苏州城建环保学院》，土力学，北京：中国建筑
出版社，2001