滑坡计算中地下水作用的探讨

　滑坡计算中地下水作用的探讨

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张利洁1， 聂文波2， 杨良策3

(1. 长江科学院， 武汉 430010； 2. 中南电力设计院， 武汉 430071； 3. 湖北省第二工程地质大队， 武汉 445000)

摘　　要：地下水是影响斜坡稳定性的主要自然因素之一。我国大多数滑坡都是以降雨下渗引起地下水状态变化为直接诱导因素。滑坡推力计算一般采用传递系数法，在不考虑地下水的作用的情况下，其计算公式较为简单，在考虑地下水的作用的情况下，我国各种规范都没有给出其完整的计算公式。一般而言地下水对岩土体产生三个方面的作用：物理作用、化学作用和力学作用，文中详细探讨了这三大作用和斜坡地下水的时空分布与变化，在此基础上给出了斜坡稳定性计算中考虑地下水作用的完整表达式。最后给出了黄腊石滑坡治理中排水工程的成功应用的实例。　关键词：滑坡地下水影响，排水工程　

中图分类号：TU 454　　　　　文献标识码：A 文章编号：1004-3152(2003)02-0023-03　

地下水是影响斜坡稳定性的主要自然因素之一，据统计90%以上的岩质边坡破坏与地下水的作用有关[1]，我国大多数滑坡都是以降雨下渗引起的地下水状态变化为直接诱导因素。滑坡推力计算一般采用传递系数法，在不考虑地下水的作用的情况下，其计算公式较为简单，但如考虑地下水的作用，我国各种规范都没有给出完整的计算公式，因此，对滑坡推力计算中地下水的作用的探讨就显得很有必要。

施加影响。前者通过减小岩土体的有效应力而降低岩土体的强度，在裂隙岩体中的空隙静水压力可使裂隙产生扩容变形；后者对岩土体产生切向的推力以降低岩土体的抗剪强度。地下水在松散土体、松散破碎岩体及软弱夹层中运动时对土颗粒施加一体积力，在空隙动水压力的作用下可使岩土体中的细颗粒物质产生移动，甚至被携出岩土体之外，产生潜蚀而使岩土体破坏，这就是管涌现象；对于岩质边坡而言，地下水对滑体施加两种力，一是垂直于裂隙壁的空隙静水压力(面力)，二是平行于裂隙壁的空隙动水压力(体力)。

1 地下水对斜坡岩土体的作用

地下水对岩土体产生三个方面的作用：物理的、化学的和力学的[2]。

地下水对岩土体产生物理作用表现在润滑作用、软化和泥化作用以及结合水的强化作用。滑带在地下水的作用下摩擦力减小，剪应力效应增强，导致滑体沿滑面产生剪切运动。地下水对岩土体的软化和泥化作用主要表现在对土体和岩体结构面中充填物的物理性状的改变上，土体和岩体结构面中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，使得滑带的力学性能降低，内聚力和内摩擦角减小。对于包气带土体来说，由于土体处于非饱和状态，其中的地下水处于负压状态，此时土中的地下水为结合水。按照有效应力原理，非饱和土体中的有效应力大于土体的总应力，地下水的作用强化了土体的力学性能，一旦包气带土体中出现重力水时，水的作用就会弱化土体力学性能。

地下水对岩土体产生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、水化作用、水解作用、溶蚀作用、氧化还原作用、沉淀作用及渗透作用而产生的。

地下水对岩土体产生力学作用主要通过空隙静水压力和空隙动水压力作用对岩土体的力学性质

　* 收稿日期：2002-11-22

2 斜坡地下水的时空分布与变化

对于边坡变形破坏而言，影响地下水位变化的主要因素为气象、水文，而最主要的是降雨量和降雨强度，其次是江河与沟谷洪水。对于一个发育滑坡的特定斜坡而言，斜坡表面的覆盖物、植被、坡面形态、斜坡地质结构、各种不连续面的空间组合、弱(不)透水层分布等因素影响地下水的时空分布及变化。仅就降雨而言，当降雨强度超过坡面覆盖物的下渗能力时，超渗雨形成坡面流，随着降雨不断向坡表面的覆盖物下渗，当覆盖物达到饱和且其下为弱(不)透水层时，部分水沿坡侧向流动，形成表层流，若是斜坡发育的各种变形裂缝贯通，降雨将继续向下运行，下渗雨水达到斜坡地下水面，参与地下径流，当地下水位在滑面以上则由于降雨入渗引起的地下水动态变化将极大的恶化斜坡稳定条件。根据滑坡体内地下水的补给、径流和排泄条件分析，由于地下水受到降水入渗补给，滑坡内地下水动态属非稳定流，坡顶属补给区其地下水水力梯度小于零(△H≤0)、在径流区地下水水力梯度等于零(△H=0)、坡脚属排泄区其地下水水力梯度大于零(△H＞0)。因此，在补给区的包气带岩土体的有

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　 效应力大于其总应力，该区包气带地下水动水压力增强了岩土体的强度，在坡脚为地下水的排泄区，岩土体承受很大的静动水压力，岩土体的有效应力大大减小，从地下水动力学来看，斜坡的顶部较安全、而坡脚易失稳。

边坡中地下水的分布与变化比较复杂，主要取决于岩土体的透水性、地下水分布的边界条件和动态变化条件[3]。断裂构造中，当不透水或弱透水并位于边坡下部、倾向与坡向一致、倾角大于坡角时，其后可能有较高的地下水位，空隙水压力较大，对边坡稳定不利；但当位于边坡上部、倾向与坡向相反时，则能阻止地下水渗入，空隙压力较小，对边坡稳定有利。裂隙发育的岩质边坡，长期干旱的裂隙粘土边坡，潜滑体和大块体危岩后缘的拉张裂隙，一旦充水，空隙水压力增加较大，以至对边坡破坏起启动作用。边坡岩体中的裂隙，往往分布不均，透水性不一，并非都是贯通的，即便是同一裂隙的不同部位，也可能因透水性、地下水补给条件等的不同而使地下水压力随之变化。当边坡岩土体透水性好，补给水源充分，前缘排泄畅通时，空隙水压力和渗透压力都比较大；如果前缘排泄不良，则空隙水压力较大，渗透压力小。

在长江中上游地区，由于河流下切和山体新构造运动的抬升作用，形成高陡的岩质边坡，在暴雨作用下极易诱发滑坡，暴雨迅速入渗到斜坡体内，导致地下水迅速升高，增强了滑面的润滑作用，同时在坡脚处瞬间产生很大的静动水压力使坡体滑移，另外在斜坡后缘拉裂缝内瞬间产生很大的静水压力，使裂缝扩容；坡体瞬间滑移导致坡前地下水渗流的排泄通道迅速减小，在坡前形成极高的渗透压力，从而导致滑坡。

对于三峡库区而言，不论斜坡渗透性如何，三峡水库水位的变化都会对斜坡的稳定性产生影响。对于岩土体渗透性很差的斜坡，在三峡水库水位骤降时，斜坡地下水随之向长江排泄，由于斜坡岩土体渗透性差而导致坡脚处动静水压力迅速增长，容易导致斜坡失稳；对于岩土体渗透性很好的斜坡，在三峡水库水位骤升时，江水迅速渗入坡体内并在斜坡坡脚处迅速形成很高的扬压力，以减小岩体的有效压力，容易导致斜坡失稳。

条块重量计算中饱水部分用饱和容重，由此获得总应力，按有效应力原理计算有效应力。稳定渗流的情况下。地下水力学效应的简化计算方法如下[5]：滑面上的空隙水压力沿着垂直方向的部分，用于计算有效应力；沿着水平方向的部分与条分界面的空隙水压力得合力，用于计算动水压力。

根据静水压力原理，饱和岩土体中任一断面单位面积上作用的空隙水压力Pw为：

Pw=ãw×h×ë

式中：ãw为水的重度；h为该断面平均水头高度；ë为有效作用面积系数(其值为0~1，视该处的充水程度或给水度而定)。空隙动水压力，也称渗透压力，任一给定范围内单位体积渗流的渗透压力PD可表示为：

PD=ãw×I

式中：ãw为水的重度；I为水力坡度，其作用方向与渗流方向一致。地下水渗透压力是影响滑坡稳定性的敏感因素，滑坡计算表明：地下水每升高0.1hw(hw为滑体厚度)，其增大的渗透压力引起滑坡稳定性系数降低0.05~0.07[6]。

图1为考虑地下水作用时边坡计算模型，假定沿滑面取单位宽度计算，不计两侧摩擦力；滑动面和破裂面分别按直线计算，整体呈折线滑动，其中左图为不考虑地下水的作用，右图为仅考虑地下水的作用，其计算公式如下：

图1 第i条块的受力情况

3 斜坡稳定性分析中地下水的考虑

计算滑面上的空隙水压力必须区分出稳定渗流和非稳定渗流两种情况[4]。稳定渗流的情况下，假定任何一点的空隙水压力等于该点距地下水面之垂直距离，根据浮力定理，滑面上法向应力的计算有两种途径：一是用浮容重计算条块重量，此时无需计算空隙水压力；另一种是用饱和容重计算条块重量，此时需计算空隙水压力以获得有效应力。非稳定渗流的情况下，需要考虑超空隙水压力，此时

第i块的下滑力为：

Ti=Wisinαi+KcWicosαi+(PWi−1−PWi)cosαi

+Ei−1cos(αi−1−αi)+PDicosβi

第i块的抗滑力为：

Ni=[Wicosαi−KcWisinαi−（PWi−1−

PWi)cosαi−Ui+Ei−1sin(αi−1−αi) −PDisinβi]tanϕi+cili

滑坡的稳定性系数为：

第2期 　　 张利洁等： 滑坡计算中地下水作用的探讨　 25

NK=n

Tn

第n条块的下滑力为：

En=Wnsinαn+KcWncosαn+

(PWn-1−PWn)cosαn+1

{[Wncosαn−KcWnsinαn−Ks

(PWn−1−PWn)cosαn−Un]tanϕn+cnln}+λnEn−1

λn=[cos(αn-1−αn)−Ui=(pi+pi+1)li/2

其中：Wi为i条块的重量；PWi为第i条块与第i－1条块交界面上的静水压力；Kc为水平地震加速度系数；Ei-1为第i－1条块对第i条块的作用力；PDi-为第i条块所受的渗透力；Ui为第i条块所受的浮托力；Ks为安全系数；Ci为第i条块滑带土的内聚力；öi为第i条块滑带土的内摩擦角；âi 为第i条块所作用的动水压力(PDi)方向与滑动面之间的夹角; ái为第i条块滑面与水平面的夹角；ëi为推力传递系数。

tanϕn

sin(αn-1−αn)]Ks

察、分析表明，滑坡群中大石板滑坡稳定性最差，防治工程比较了削方减载、支挡结构-抗滑桩、改善滑带土性质和排水系统工程，结果是：由于黄腊石滑床较陡，无明显的主滑和阻滑段，故不宜采用削方减载方案；用支挡结构来承受由于地下水产生的巨大下滑推力极不合理亦不经济；改善滑带土性质尚处于试验试用阶段，不宜在大规模滑坡防治工程中采用；排水方案能有效地降低滑体中的地下水，合理布置排水系统，地下水能降到设计所规定的要求，而且工程投资较少。故最终采用排水方案。

本排水工程于1993年6月竣工，达到了最大限度地阻止滑坡体外地表汇流进入滑坡区、尽快把滑坡区内地表汇流排出滑坡区的设计要求，继地表排水工程完成之后，布置于大石板滑坡的洞、井结合的第一期地下排水工程于1995年9月竣工。该期工程是为了弥补地表排水工程的不足，通过降低地下水位至0.4倍含水层厚度以下，使滑坡在50年一遇降雨条件下保持稳定。地下排水工程由主平硐和左右支洞组成。左右支洞各长15m，共布置垂向排水井31个，井间距为5m和10m。垂向排水井排出的地下水经由长度近70m的主平洞导出。到目前为止，黄腊石滑坡的变形得到了有效的控制，表明排水工程达到了预期目的。

参　　考　　文　　献　

　[1] 张作辰. 滑坡地下水作用研究与防治工程实践[J]. 工程地质学报，

1996,4(4)

[2] 仵彦卿. 地下水与地质灾害[J]. 地下空间，1999.

[3] 雷谦荣. 边坡地下水压力问题的探讨[J]. 工程勘察,1997,(1) [4] 林峰等. 地下水对土坡稳定性的影响分析[J]. 地质灾害与环境保

护，1999,10(4)

[5] 潘家铮. 建筑物的抗滑稳定和滑坡分析[M]. 北京：中国水利水电出

版社，1990.

[6] 王冬珍. 地下水对滑坡稳定评价的影响分析[J]. 水利水电快

报，1999,20(22)

4 排水工程实例

在滑坡防治过程中，地表和地下排水工程往往是防治工程中的首选方案，对于特大型滑坡成群分布地区更是如此。黄腊石滑坡位于长江西陵陕与巫峡之间，距巴东县城下游1.5km江北岸斜坡上，是一个多类型、多层次、多期活动的大型滑坡群。黄腊石滑坡严重威胁着长江航道、巴东县及附近居民的生命财产，治理非常必要，意义重大。滑坡勘

Discusstion of Groundwater Effect on Landslide Stability Calculation

ZHANG Li-jie1， NIE Wenbo2， YANG Liang-ce3

Abstract Groundwater is one of the main influential factors in landslide stability. In our country, most landslides are directly induced by rain. In most conditions, slope thrust is calculated by coefficient transimission method. The calculation formula is simple when groundwater is not considered. But in China all specifications don’t give complete expressions with groundwater considered. Generally, there are three interactions between groundwater and rock or soil masses, namely, physical, chemical and mechanical interaction. On the basis of the recent studies and control construction, the space-time distribution and change of groundwater in landslide and multi-effects of groundwater on slope stability are systematically generalized in the paper. At last, an example is given to show the validity of drainage in landslide prevention and cure. Key words landslide, groundwater effect, drainage work

(1. Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China; 2. Zhongnan Electric Design Institute, Wuhan 430071, China;

3. The 2rd Eng. Geological Team of Hubei, Wuhan 445000, China)