第9章斜坡岩(土)体稳定性的工程地质

斜坡岩(土)体稳定性的工程地质分析环境与土木工程学院地质工程系2007年9月掌握斜坡和人工边坡的基本概念，斜坡变形破坏方式及研究意义；掌握斜坡岩体应力分布特征；掌握斜坡变形破坏的基本类型及一般特征；掌握斜坡变形破坏的演变过程；理解内外营力对斜坡变形破坏的作用；掌握斜坡稳定性评价的基本方法；掌握防治斜坡变形破坏的基本原则及主要措施。本章学习内容及要求本章重点：•(1)斜坡岩体应力分布特征，斜坡形成后引起岩体内应力的重分布，致使主应力大小和方向发生变化，坡脚应力集中，形成对斜坡稳定性不利的应力组合。注重坡顶拉应力、坡面附近近似于单向应力分布、坡脚剪应力集中的应力分布特征。•(2)斜坡变形破坏方式及形成机制，分变形和破坏两方面。斜坡变形的基本形式是卸荷和蠕变变形，而实际的斜坡变形往往是多种基本变形形式的组合。斜坡的破坏常见基本形式是崩塌和滑坡。要求掌握滑坡识别标志——滑坡要素。•(3)斜坡变形破坏的演变过程，要求掌握斜坡变形破坏的六种地质力学模式及建模的思想方法。分析斜坡变形的组合方式。•(4)斜坡稳定性评价的演变历史分析方法，其核心是将斜坡的变形和破坏纳入地质历史长河，在地质历史发展演化背景条件下研究斜坡变形破坏发生、发展、演化全过程，并预测其发展趋势。本章重点及难点本章难点：•(1)斜坡变形破坏的基本类型。其力学作用方式和变形形式的演变和转化，微裂纹扩展和总体滑面形成贯通过程。•(2)演变历史分析方法。实质是利用斜坡变形、破坏的基本规律，通过追溯斜坡演变的全过程，对斜坡稳定性发展总趋势和区域特征作出评价和预测。本章重点及难点斜坡定义：指地壳表部一切具有侧向临空面的地质体。其特点是具有一定的坡度和高度。§9.1基本概念及研究意义•自然斜坡和人工边坡的概念天然斜坡：就是在一定的地质环境中，在各种地质营力作用下形成和演化的自然历史过程的产物，未经人为扰动。如山坡、海岸、河岸等。人工边坡：人类为某种工程、经济目的而开挖，往往是在自然斜坡的基础之上形成的，其特点就是具有规则的几何形态，如路堑边坡、露天矿边帮、运河（渠道）边坡等。§9.1基本概念及研究意义工程影响及研究意义斜坡的变形破坏过程和它所造成的不良地质环境均可对人类工程活动带来十分严重的危害，并且还可能引起生态环境的失调和破坏，造成更大范围和更为深远的影响。据国土资源部网站资料，我国的滑坡、崩塌、泥石流等斜坡地质灾害正随着工程建设和资源能源的开发而加剧，每年由此造成的损失近300亿元。近10年来，全国有400多个市县受到斜坡地质灾害的侵害，在全国铁路沿线分布的大中型滑坡达1000余处，平均每年中断交通运输44次。全国有近千座水电站及数百座水库受到崩塌、滑坡和泥石流灾害的严重威胁。§9.1基本概念及研究意义崩塌、滑坡名称发生日期方量（104m3）运动速度最大运动距离（m）死亡人数斜坡类型①诱发因素盐池河崩塌（湖北）1980.6.310034m/s（最大值）400284平缓层状，软弱基座地下采矿铁西滑坡（四川，成昆线）1981.7.82204m/h(平均值）70中倾外层状体，老滑体局部复活地面采石渡口灰岩矿山滑坡（四川，攀枝花）1981.6.104165.5m/min（平均值）220中倾外层状体斜坡地面采石四川盆地西部暴雨滑坡1981.7月，9月数百个，单个滑坡方量大多小于100万m35m/s±100±约10人多种类型层状体斜坡暴雨（数十年一遇，暴雨强度＞200mm/d）鸡扒子滑坡（四川，长江云阳）1982.7.2415003－10m/min150－200变角倾外层状体斜坡，老滑坡局部复活暴雨洒勒山滑坡－碎屑流（甘肃）1983.3.73000－400032m/s（最大值）900237平缓层状体斜坡新滩滑坡（湖北，长江新滩）1985.6.12300010m/s80老滑坡复活马家坝滑坡（湖北，姊归）1986.7.162400中速数十米缓倾外层状体斜坡，老滑坡复活暴雨西宁滑坡－碎屑流（四川，巫溪）1988.1.1070018－50m/s80026倾内层状体斜坡，软弱基底溪口滑坡－碎屑流（四川，华蓥山）1989.7.102020－30m/s1500221倾内层状体斜坡暴雨昭通滑坡－碎屑流（云南，金沙江支流）1991.9.231500－200075m/s（平均）4500216倾外层状斜坡暴雨表9－1我国80年代重大崩、滑灾害事件§9.1基本概念及研究意义瓦依昂滑坡发生前的大坝1963年267m高双曲拱坝§9.1基本概念及研究意义§9.1基本概念及研究意义斜坡岩（土）体稳定性的工程地质分析涉及两个方面的任务：（1）要对斜坡的稳定性作出评价和预测；（2）要为设计合理的人工边坡以及制定有效整治措施提供依据。以上两方面任务的实现，都必须阐明斜坡是否具有产生危害性变形与破坏的可能性，以及变形破坏方式和规模。要设计一个稳定而又经济合理的边坡，也应以边坡在运营期间不发生危害性的变形和破坏为准则。因此，斜坡稳定性的工程地质分析，应从研究斜坡变形和破坏的规律入手，对斜坡的演变全过程展开系统的研究。§9.1基本概念及研究意义§9.2斜坡岩体应力分布特征9.2.1斜坡应力场的基本特征斜坡成坡过程中，临空面周围的岩体发生卸荷回弹（图9-2上），引起应力重分布和应力集中等效应（图9-2下）。据有限元研究，斜坡成坡后，岩体的应力状态较以前发生了以下几个主要方面的变化：图9－2用有限元解出的位移迹线图（上）和主应力迹线图（下）（a）重力场条件（N＝0.33）；（b）以水平应力为主的构造应力场条件下（N＝3）（1）由于应力的重分布，斜坡周围主应力迹线发生明显偏转。无论是在重力场条件下，还是在以水平应力为主的构造应力场条件下，其总的特征表现为愈靠近临空面，最大主应力愈接近平行于临空面，最小主应力则与之近于正交(图9－2下)。（2）由于应力分异的结果，在临空面附近造成应力集中带。但坡脚区和坡缘(斜坡面与坡顶面的交线)区情况有所不同。具体体现在：§9.2斜坡岩体应力分布特征坡脚附近最大主应力(相当于临空面的切向应力)显著增高，且愈近表面愈高(图9－2下)；最小主应力(相当于径向应力)显著降低，于表面处降为零，甚至转为拉应力。因而，这一带是斜坡中应力差或最大剪应力最高的部位，形成一最大剪应力增高带，通常是斜坡中最容易发生变形和破坏的部位，往往因此而产生与坡面或坡底面平行的压致拉裂面(参见图3－29)。坡缘附近，在一定条件下，坡面的径向应力和坡顶面的切向应力可转为拉应力，形成一张力带(图9－3)。因而，这些部位的岩体容易被拉裂形成与坡面近于平行的拉裂面(参见图3－29)。§9.2斜坡岩体应力分布特征§9.2斜坡岩体应力分布特征§9.2斜坡岩体应力分布特征（3）与主应力迹线偏转相联系，坡体内最大剪应力迹线由原先的直线变为近似圆弧线，弧的下凹面朝着临空方向。（4）坡面处由于径向压力实际等于零，所以实际上处于单向应力状态(不考虑斜坡走向方向的σ2时)，向内渐变为两向或三向(考虑σ2时)状态。§9.2斜坡岩体应力分布特征9.2.2影响斜坡岩体应力分布的主要因素§9.2斜坡岩体应力分布特征（1）原始应力状态的影响岩体的原始应力状态中，水平剩余应力的大小对坡体应力状态的影响尤为显著。它不但使主应力迹线的分布形式有所不同(图9－2下)，而且明显地改变了各应力值的大小，尤其对坡脚应力集中带和张力带的影响最大。在坡脚区，根据图9－2可见，坡底的切向应力最大值约相当于原始水平应力的三倍左右。当有侧向水平应力时，该值成倍增高，如当σL＝3ρgh时，该值可达7－10ρgh，与σL=0的情况相比，相差十分悬殊。§9.2斜坡岩体应力分布特征§9.2斜坡岩体应力分布特征§9.2斜坡岩体应力分布特征（2）坡形的影响研究表明，坡高并不改变应力等值线图像，但坡内各处的应力值均随坡高增高而线性增大。坡角明显改变应力分布状况。随坡角变陡，坡面附近张力带范围也随之扩大和增强(图9－3)，成坡过程中，位移矢量离面趋势也变得更加明显(图9－2上)；坡脚应力集中带最大剪应力值随之增高(图9－4)。坡底的宽度(W)对坡脚的应力状态也有一定影响，当W0.8H时，坡脚最大剪应力随底宽缩小而急剧增高(图9－4)，而当W0.8H时，则保持为一常值(称为“残余坡脚应力”)。斜坡的平面形态对其应力状态也有明显的影响。三维分析表明，平面形态上的凹形坡，由于受到沿斜坡走向方向的应力的支撑，应力集中程度明显减缓。圆形和椭圆形矿坑边坡，坡脚最大剪应力仅为一般斜坡的二分之一左右。图9－3斜坡张力带分布状况及其与水平剩余应力（σL）、坡角（β）关系示意图（据Stacey，1970）图9－4坡角最大剪应力与坡脚和坡底宽（W）关系图解（据Stacey，1970）§9.2斜坡岩体应力分布特征§9.2斜坡岩体应力分布特征§9.2斜坡岩体应力分布特征（3）斜坡岩体特性和结构特征的影响研究表明，岩体的弹性模量对均质坡的应力分布并无明显影响。岩体的泊松比(μ)可以改变σx、τxy的大小，但是当斜坡中侧向剩余应力很高时，这种影响也就被掩盖了。可见，均质坡中，岩体材料性质对应力分布的影响是很微弱的。斜坡含有平缓的或倾向坡外的软弱结构面时，在成坡过程中有利于上覆岩体中水平构造剩余应力的释放和结构调整，使其应力状况由重力场和剩余应力叠加型向重力场转化（图9-6a、b、c）。拉应力区有所扩大，易形成拉张破裂。软弱结构面倾向坡内，往往可约束部分剩余应力，随斜坡继续变形而逐渐释放。坡内含有软弱层(带)，其影响与它在成坡过程中，压缩变形或塑性流变程度有关，可使上覆岩体中拉应力区和可能的破坏区明显增加，更易被拉裂解体（图9-6d）。§9.2斜坡岩体应力分布特征(a)(c)(b)(d)13C-2E-1E-1B-1图9-6斜坡应力场数值模拟实例(b)、（）、（）黄河拉西瓦花岗岩谷坡应力场正演数值模拟（据黄润秋，1989）；雅砻江二滩电站三维反演数值模拟（据李根华，1988）斜坡形成过程中，由于应力状态的上述变化，斜坡岩(土)体将发生不同方式、不同规模和不同程度的变形，并在一定条件下发展为破坏。斜坡破坏系指斜坡岩(土)体中已形成贯通性破坏面时的变动。而在贯通性破坏面形成之前，斜坡岩体的变形与局部破裂，称为斜坡变形。斜坡中已有明显变形破裂迹象的岩体，或已查明处于进展性变形的岩体，称为变形体。§9.3斜坡的变形与破坏§9.3斜坡的变形与破坏广东S223线丙村至梅州公路§9.3斜坡的变形与破坏2003年7月13日三峡库区沙镇溪发生千将坪滑坡，致使24人失踪。都江堰市麻溪滑坡:位于紫坪铺水库工程建设区，在降雨和工程开挖的影响下发生了两次滑坡，滑坡体总方量达到60万。由于监测和预报及时，没有人员伤亡，造成滑坡前缘213国道公路中断达20多小时。被贯通性破坏面分割的斜坡岩体，可以多种运动方式失稳破坏，如滑落、崩落等。破坏后的滑落体(滑坡)或崩落体等被不同程度地解体。但在特定的自身或环境条件下，它们还可继续运动，演化或转化为其他运动方式，称为破坏体的继续运动。斜坡变形、破坏和破坏后的继续运动，分别代表了斜坡变形破坏的三个不同演化阶段。§9.3斜坡的变形与破坏9.3.1斜坡变形的主要方式斜坡变形实际上在其形成过程中即已发生，表现为卸荷回弹和蠕变两种主要方式。卸荷回弹(unloadingrebound)是斜坡岩体内积存的弹性应变能释放而产生的。在高地应力区的岩质斜坡中尤为明显。成坡过程中斜坡岩体向临空方向回弹膨胀(参见图9－2上)，使原有结构松弛；同时又可在集中应力和剩余应力作用下，产生系列新的表生结构面(参见图3－29)，或改造一些原有结构面。§9.3斜坡的变形与破坏在上述卸荷回弹过程中当然也包含有蠕变，但是它是由岩体中积存的内能作功所造成的，所以一旦失去约束的那一部分内能释放完毕，这种变形即告结束，大多在成坡以后于较短时期内完成。斜坡中经卸荷回弹而松弛，并含有与之有关的表生结构面的那部分岩体，通常称为卸荷带(unloadingzone)。它的发育深度与组