第六章边坡工程地质问题nppt课件.ppt

第六章 边坡的工程地质问题,主要内容,第一节 概述第二节 边坡的应力分布特征第三节 边坡变形破坏的基本类型第四节 影响边坡稳定性的因素第五节 边坡稳定性的工程地质评价方法第六节 防治边坡变形破坏的工程措施,第一节 概述,1、基本概念 边坡包括自然边坡和人工边坡二种类型。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。,自然边坡是指在自然地质作用下形成的山体斜坡、河谷岸坡、海岸陡崖等.人工边坡是指人类工程活动形成的规模不同、陡缓不等的斜坡，例如道路工程中的路堑、路堤边坡，房屋、桥梁工程的基坑边坡，露天矿山的边坡，水利水电工程中的运河渠道边坡，船闸、溢洪道边坡、引水隧洞进、出口边坡、土石坝边坡及坝肩边坡等。,边坡滑移破坏,高陡边坡,绿化防护后的边坡,边坡实况,2、滑坡实例 1963年10月9日发生的意大利瓦依昂大滑坡，是一次震惊世界的大坝失事。巨大的深层滑动岩体(据缪勒估计为2、8亿m3)从峡谷左岸在30s内快速滑落到库底，产生260m高的涌浪(据巴黎、罗马等地测得的地震记录推算)，越过高276m双曲薄拱坝的坝顶，冲向下游河谷。下游朗加隆镇的大部分房屋、道路，在7min后荡然无存，死亡近3000人，正在坝址现场进行观测的45名工程师全部罹难。滑坡体岩体由下侏罗纪到上白垩纪的沉积岩组成，主要为夹有多层粘土岩与泥灰岩的石灰岩，其上覆盖更新统冰碛砾石，岩层受过强烈褶皱，由于构造运动保存了较大的构造应力。构造应力释放产生的回弹节理、卸荷裂隙和张开的层面在峡谷陡壁上纵横交叉，将岩体切割成碎裂结构。由于地质条件差，暴雨补充的地下水渗人不断降低了岩体的强度，水库蓄水的影响引起边坡岩体蠕滑，最后破坏了边坡勉强维持的自然平衡状态，导致了大滑坡。,案例阅读：,1980年6月湖北远安县盐池河磷矿发生灾难性的大崩坍。高度160m，体积约100万m3的山体突然崩落，冲击气浪将一幢四层大楼抛到对岸撞碎，崩落岩体向下滚动到高差近400m的河谷中，造成建筑物摧毁和284人丧生。 1981年7月四川暴雨，引起了大区域的滑坡、泥石流和洪水等灾害，全省90个县、州发生了6万处滑坡，其中规模大的约为47000处。滑坡数量之多，分布之广，发生时间的集中，造成灾害的严重是历史上罕见的。在暴雨期间，还发生了1000处以上的泥石流，其中成昆线的利子依达泥石流流量竟达2000 m3s以上，引起桥毁车翻的重大事故，是新中国成立以来铁路营运史上未曾有过的重大事故。 由此可见，边坡稳定性分析有重要意义：一方面通过对边坡的勘察要对边坡的稳定性做出评价和预测；另一方面要为设计合理的工程边坡和制定有效地防治措施提供地质依据。,第二节 边坡的应力分布特征,1.斜坡中的应力分布状态 (1)天然状态下，包括自重应力，构造应力，地热，地下水； (2)自重应力作用下，主应力为铅直，水平状态； (3)形成斜坡后，侧向临空面产生卸荷回弹，引起主应力重新分布，集中； (4)应力重分布分析：a.斜坡面附近的主应力轨迹明显发生偏转；b.最大主应力平行于坡面，而最小主应力则垂直于破面，在破面附近产生应力集中带； c.主应力发生偏转，坡体内的最大剪应力也发生变化，由直线状-凹面状弧面；d.坡面处于二向应力状态，坡面处的径向应力实际为0；,2.影响斜坡应力分布的因素(1)岩体初始应力状态的影响，有水平应力和构造应力； (2)坡形的影响，如坡高和坡角等； (3)岩土体的性质和结构，泊松比，结构面等；,如图所示：在性质软弱，岩性较差的土质边坡中，在遇到大量降水的情况下，就由可能发生此类的崩塌或是滑坡，尤其在性质软弱的粘性土及具有大量结构面和风化软弱夹层的岩质边坡及土质边坡中，最容易发生危害国民经济和老百姓的生命和财产安全。我们科技工作者应着力进行岩土体的性质和结构，泊松比，结构面等方面的研究。,第三节 边坡变形破坏的基本类型,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。 边坡变形：而在贯通性破坏面形成之前，斜坡岩体的变形与局部破裂。 边坡破坏：指斜坡岩(土)体中已形成贯通性破坏面时的变动。 变形体：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。 为了研究边坡变形和破坏规律，常将变形破坏分：松弛张裂、崩塌、倾倒、溃屈、深层蠕动、滑坡。,1、松弛张裂（卸荷回弹） 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，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，或改造一些原有结构面。,2、蠕变 是在坡体应力(以自重应力为主)长期作用下发生的一种缓慢而持续的变形，这种变形包含某些局部破裂，并产生一些新的表生破裂面。坡体随蠕变的发展而不断松弛。 蠕变波及范围可以相当大，一些高山地区(如我国西南、西北地区，国外的阿尔卑斯山等)，都发现有深达数百甚至数千米的巨型蠕变体。,3、崩塌 (1)特点:突然脱离母体,发生在高陡边坡的坡肩部位, 质点位移SySx,在垂直方向运动为主;其无依附面,飞跃而下,规律复杂,爆发突然。 (2)分类: 从规模上,由坠石,山崩等; 从物质成分上,由土崩,岩崩; (3)产生的机制是由于动力学平衡条件被打破。,4、倾倒 倾倒是指层状反坡向结构及部分陡倾角顺层的边坡，表部岩层因蠕动变形而向临空一侧发生弯曲、折裂，形成所谓“点头哈腰”的现象。多发生于塑性的薄层岩层或软硬相间岩层组成的反坡向结构的边坡中，陡倾角顺层边坡或脆性岩层顺层边坡垂直于层面的节理发育、切割较深时，表层亦可能发生倾倒蠕动变形。 5溃屈 层状结构顺层边坡，岩层倾角与坡角大致相似，上部坡体沿软弱面蠕滑，由于下部受阻而发生岩层鼓起、拉裂等现象。,6、深层蠕动 深层蠕动是由于坚硬岩层组成的边坡底部存在软弱垫层或软弱结构面时，由于软弱垫层的塑性流动或者坡体岩层沿软弱面发生缓慢的蠕变性滑移，上覆硬岩层因而出现张裂隙，软弱岩层则向临空侧挤出，甚至发生上覆脆性岩石缓慢解体下沉挤入软层，出现不均匀沉陷的现象。,7、滑坡（滑动） 滑坡是指边坡一部分岩体以一定加速沿某一滑动面发生剪切滑动的现象。滑动面可以是受剪应力最大的贯通性剪切破坏面或带，也可以是岩体中已有的软弱结构面。按滑动面的形状，可划分为圆弧形滑面和平面两种基本类型。圆弧形滑面多发生在土质、半岩质（例如粘土层）或强风化的岩质边坡中，这类滑面的形状受坡体最大剪应力面所控制，常接近于对数螺旋曲线，在力学计算中，为简化起见，常作为圆弧形滑面。沿圆弧形滑面的滑坡体在下滑时将发生旋转，故又称旋转式滑坡。平面滑坡还包括折线形滑动和由两组或三组以上软弱组成楔形体滑动。,兴趣阅读：,河南平顶山发生矸石山崩塌18间民房被埋压 -据人民网（转载） 平顶山煤业集团四矿矸石山自燃崩塌灾害搜救工作已经基本结束，目前已确认有8人遇难，另有122人不同程度被灼伤，其中6人伤势较重。,工作人员在崩塌现场进行搜救,5月15日19时40分左右，位于平顶山市区北边的平煤四矿矸石山突然发生自燃崩塌，造成100米外的18间居民房不同程度受损，房中人员被埋压。16日1时零6分，在抢险过程中，因突发暴雨导致矸石山再次喷发，造成现场40多名抢险人员被不同程度烧伤。 灾害发生后，河南省委书记徐光春立即作出批示，副省长史济春16日早晨赶赴现场指导抢险工作。平煤集团、平顶山市负责人第一时间赶到现场，调集当地的消防、矿山救护队伍一共200余人，全力抢救被埋人员。 16日上午记者在现场看到，尽管下着雨，抢险现场的烟尘仍很大，数十名戴着防尘面具的救护队员，用铁锨和双手在房屋废墟、矸石灰中紧张搜救，一台挖土机也在不停地往外清理灰土。此时，一名遇难者的遗体被清理出来，是一位老太太，救护人员估计事发时她正坐在旁边的沙发上看电视。截至记者发稿时，昨晚至今在现场一共找到了7名遇难者，加上在医院救治过程中死亡的1人，目前确认有8人遇难。,救护队员抬着一位遇难者的遗体走向救护车，远处就是发生崩塌的矸石山,工作人员在崩塌现场清理倒塌的房屋,现场抢险指挥部的专家介绍，类似这样的矸石山自燃崩塌灾害十分罕见，具体原因尚待进一步调查分析。在搜救工作结束后，现场的重点将转向矸石山内部火区的灭火工作。此外，在送往医院救治的100多名伤员中，目前有6人伤势较重。当地4家医院的医护人员和从郑州赶来的医护专家，正在对这些受伤人员进行全力救治。,人类活动会诱发滑坡 -据芜湖市国土资源局（转载） 违反自然规律，破坏斜坡稳定条件的人类活动都会诱发滑坡。 例如： 1.开挖坡脚：修建公路、铁路、依山建房、建厂等工 程，常常因使坡体下部失去支撑而发生下滑。例如，我国西 南、西北的一些铁路、公路，因修建时大力爆破、强行开挖，事后，陆陆续续地在边坡上发生了滑坡，给道路施工、 运营带来危害。 2.蓄水、排水：水渠和水池的漫溢和漏水、工业生产 “用水和废水的排放、农业灌溉等，均使水流渗人坡体，加大： 孔隙水压力，软化土石，增大坡体容重，从而促进或诱发滑 坡的发生。水库的水位上下急剧变动，加大了坡体的动水压 力，也可诱发滑坡发生。,补充阅读：,3.堆填加载：在斜坡上大量兴建楼房、修建重型工厂、大量堆填土石、矿渣等，使斜坡支撑不了过大的重量， 失去平衡而沿软弱面下滑。尤其是矿厂废渣的不合理堆弃； 常常触发滑坡的发生。 此外，劈山开矿的爆破作用，可使斜坡的岩上体受振动 而破碎，产生滑坡：在山坡上乱砍滥伐，使坡体失去保护， 便有利于雨水等水体的人渗从而诱发滑坡；等等。如果上述 的人类作用与不利的自然作用互相结合，则就更容易促进滑坡的发生。 随着经济的发展，人类越来越多的工程经济活动破坏了自然坡体，因而近年来滑坡的发生越来越频繁，并有愈演愈烈的趋势。,第四节 影响边坡稳定性的因素,影响边坡稳定性的因素可分为内在因素和外在因素来年各个方面：内部因素：岩土体的性质、地质构造、岩土体的结构、岩体初始应力等。外部因素：水的作用、地震、岩体风化、工程荷载条件、人工开挖等。,1、岩土类型和性质的影响 易遇水软化的土层中和一些软岩中发生滑坡，如：第四纪的各类堆积物、沉积物。砂岩、页岩和泥岩互层，煤系地层。石灰岩、白云岩与页岩、泥岩互层。泥质岩的变质岩系，如千枚岩、板岩、云母片岩、绿泥石片岩、滑石片岩。软质或易风化的凝灰岩。,2、地质构造和岩体结构的影响（1）边坡内部的结构，包括不同土石层的产状及其相互组合情况，岩石中断层、节理的产状和特征及其与边坡产状的相互关系，与滑坡发生的难易程度有密切关系。（2）在大的断裂构造带附近，岩体破碎，构成破碎岩层滑坡的滑体。（3）各种构造结构面，控制了滑动面的空间范围、位置及滑坡周界。（4）地质构造决定了滑坡区地下水的类型、分布、状态和运动规律，从而不同程度的影响着滑坡的产生和发展。,3、水的作用影响 水的渗入使岩土的质量增大，进而使滑动面的滑动力增大；其次，在水的作用下岩土被软化而抗剪强度降低；另外，地下水的渗流对岩体产生动水压力和静水压力，这些都对岩体边坡的稳定性产生不利影响。 4、地震作用的影响 地震使岩土体结构破坏，同时使岩土体承受地震惯性力、增加下滑力，从而诱发滑坡。5、人为因素的影响 (1)人工开挖边坡、坡体上部加载、下部减载、改变其形态。 (2)破坏斜坡植被，促使其风化。 (3)人工爆破，产生振动，使岩石破碎松散，强度降低。 (4)筑坝拦水、水库和水渠渗漏、农田灌溉、工业废水、城镇生活用水等，也常常诱发滑坡。,第五节 边坡稳定性的工程地质评价方法,评价包括两方面的任务： （1）要对人类工程活动有关的天然斜坡或已建成的人工边坡的稳定性和演化趋势作出评价预测； （2）要为设计合理的边坡和整治斜坡的措施提供设计依据。 尽管是两方面的任务，但解决途径是一致的。评价预测方法可概括为地质分析法、理论计算法和工程地质类比法。,1、地质分析法 应用斜坡变形、破坏的基本规律，通过对变形破坏演变全过程的分析研究，对斜坡稳定性发展的总趋势和区域性特征，作出评价及预测。 研究内容： A环境因素的特征及其动态变化：水文、气象、地貌发展史、地震、地形变等； B斜坡的岩体结构和水文地质条件：控制性结构的发育特征；地下水类型及活跃带； C已有的变形破坏现象：变形破坏与环境因素的关系；变形破坏与岩体结构之间相关分析。,评价：A评价区域性斜坡稳定性现状，预测发展趋势稳定性分区；B对稳定性较低、在工程年代内将发生破坏的斜坡作出总体评价： a.破坏的形式和特点； b.目前所处的变形破坏发展阶段稳定性现状 c.判断促进变形破坏发展的主导因素及今后发展趋势； d.提供计算指标：控制性结构面的抗剪指标；主要影响因素的作用强度； e.可供选择的防治措施。,滑坡的识别方法 ： 在野外，从宏观角度观察滑坡体，可以根据一些外表迹象和特征，可粗略的判断它的稳定性。 已稳定的老滑坡体有以下特征：(1)后壁较高，长满了树木，找不到擦痕，且十分稳定；(2)滑坡平台宽大、且已夷平，土体密实，有沉陷现象；(3)滑坡前缘的斜坡较陡，土体密实，长满树木，无松散崩塌现象。前缘迎河部分有被河水冲刷过的现象；(4)目前的河水远离滑坡的舌部，甚至在舌部外已有漫滩、阶地分布；(5)滑坡体两侧的自然冲刷沟切割很深，甚至已达基岩；(6)滑坡体舌部的坡脚有清晰的泉水流出等等；,不稳定的滑坡体常具有下列迹象：(1)滑坡体表面总体坡度较陡，而且延伸很长，坡面高低不平；(2)有滑坡平台、面积不大，且有向下缓倾和未夷平现象； (3)滑坡表面有泉水、湿地，且有新生冲沟；(4)滑坡表面有不均匀沉陷的局部平台，参差不齐；(5)滑坡前缘土石松散，小型坍塌时有发生，并面临河水冲刷的危险：(6)滑坡体上无巨大直立树木。,2、极限平衡理论法计算边坡的稳定性,土质边坡土力学上,岩质边坡 首先，确定边坡滑体的边界条件，以便确定滑体的类型。根据结构面的产状及组合情况同常在计算分析中坝边坡岩体的破坏分：同倾向单滑面型，同倾向双滑面型和多滑面型。,单滑面,双滑面,其次，在滑体类型确定后，要研究滑体的受力条件。 包括：岩体自重、水压力、地震及人工爆破产生的振动力、工程荷载等。 再次，选着边坡稳定计算中的计算参数。包括：内摩擦角、粘聚力、岩体重度、地下水位高度等。 最后，选择合适的计算方法。,1、单滑面平面滑动,用滑体的尺寸来表示滑体体积G，稳定性系数为：,岩质边坡常遇到的两种滑动类型：,令K1，可得滑动体极限高度Hcr,从上可以看出：单滑面的稳定系数与滑面长L，坡脚无关，与滑体厚度H成反比。对这种单滑面滑坡治理时，可以削减滑体厚度。,2、同倾向双滑动面,同坝基深层滑动稳定性,3、工程地质类比法 已有的天然斜坡或工程边坡的研究及设计经验条件相似的斜坡。可比性问题： 相似性：岩性、结构及水文地质条件； 环境因素气象、剥蚀、风化等； 发展阶段目前所处的发展阶段。已有的经验：A斜坡剖面的经验： 岩性、结构、坡高、坡角稳定性； 选择坡高、坡角的经验。B变形破坏及发展规律的经验： 斜坡地质结构类型变形破坏形式；C治理方面的经验。,第六节 防治边坡变形破坏的工程措施,斜坡变形破坏的防治原则防治原则应以防为主，及时治理，并应根据工程的重要性制订具体整治方案。 以防为主就是要尽量做到防患于未然。所谓防主要包括两方面内容。 第一，要正确地选择建筑场地，合理地制订人工边坡的布置和开挖方案。例如在高地应力区开挖人工边坡时，应注意合理布置边坡方向，尽可能使边坡走向大致与地区最大主应力方向一致，露天采矿宜采用椭圆形矿坑，其长轴应平行于最大主应力方向。对于那些稳定性极差，而治理又难度高、耗资大的斜坡地段(例如：有可能发生或再次活动的大型滑坡区、崩塌区)，应以绕避为宜。,第二，查清可能导致天然斜坡或人工边坡稳定性下降的因素，事前采取必要措施消除或改变这些因素，并力图变不利因素为有利因素，以保持斜坡的稳定性，甚至向提高稳定性的方向发展。 及时处理就是要针对斜坡已出现的变形破坏的具体状况，及时采取必要的增强稳定性的措施。当斜坡变形迹象已十分明显或已进入加速蠕变阶段时，仅采取消除或改变主导因素的措施已不足以制止破坏发生，在这种情况下，必须及时采取降低斜坡下滑力，增强斜坡抗滑能力的有效措施，迅速改善斜坡的稳定性。 考虑工程的重要性是制订整治方案必须遵循的经济原则。对于那些威胁到重大永久性工程安全的斜坡变形和破坏，应采取较全面的、严密的整治措施，以保证斜坡具有较高的安全系数。对于一般性工程或临时性工程，则可采取较简易的防治措施。,斜坡变形破坏的防治措施,根据上述防治原则，措施可归纳为以下几个方面。 消除、削弱或改变使斜坡稳定性降低的各种因素 这方面的措施可分为两类： 一类是针对导致斜坡外形改变的因素而采取的措施。主要是保证斜坡不受地表水的冲刷或海、湖、水库水波浪的冲蚀。如修筑导流堤(顺坝或丁坝)、水下防波堤(破浪堤)等。 另一类措施是针对改变斜坡岩体强度和应力状态的因素采取的。为了防止易风化的岩石表层由于风化而产生剥落，可以在边坡筑成之后用灰浆抹面，或在坡面上用浆砌片石筑一层护墙。,在护墙脚处一定要设排水措施，排除坡内积水。为了防止坠石，可在坡面上铺设钢丝网，或增设阻挡岩石的铁链拦栅。对于胀缩性较强的土质斜坡，可在边坡面上种植草皮，使坡面土层保持一定的湿度，防止坡面开裂，减小降水沿裂缝渗入的可能性，避免土层性能恶化而发生土爬或滑坡。 调整坡面水流、排除斜坡内的地下水、截断进入坡内的地下水流，对于防止坡体软化、消除渗透变形作用、降低空隙水压力和动水压力，都是极为有效的。这些措施在滑坡区和可能产生滑坡的地区尤为重要。,为了不让外围地表水进入滑坡区，可沿滑坡边界修筑天沟（下图a）沟壁应不透水，否则反而起到向斜坡内输水的作用。在滑坡区内，为了减少降雨渗入，可在坡面修筑排水沟。在岩质斜坡中还可采用灰浆沟缝等措施。,排除滑坡区地表和地下水的措施,排除地下水的措施很多，应根据斜坡地质结构特征和水文地质条件加以选择。通常在土质斜坡内修筑支撑盲沟能收到良好效果（上图b）。截断地下水流对于防止深层滑动或治理较大型的滑坡是很有效的，一般采用地下排水坑道（下图）。斜坡若有含水层时，水平坑道设在含水层与隔水层之间效果较好。,截断地下水流的地下排水坑道,排水坑道 含水层基岩滑坡体,（2）降低下滑力，提高斜坡抗滑能力 降低下滑力主要通过刷方减载。在刷方时必须正确设计刷方断面遵循“砍头压脚”的原则。特别注意不要在滑移弯曲变形体隆起部位刷方，否则可能加速深部变形的发展。 提高滑体抗滑能力的措施很多。一种是直接修筑支、挡建筑物以支撑、抵挡不稳定岩体。 支、挡建筑物的基础必须砌置在滑移面以下。岩质斜坡采用预应力锚杆或钢筋混宁土锚固桩杆加固，是一种很有效的措施。它可以增高结构面的抗滑能力，改善结构面上剪应力的分布状况，显著降低沿之发生累进性破坏的可能性。锚杆的方向和设置深度应视斜坡的结构特征而定(下图)。在大型的滑坡体中还可采用成排的抗滑桩或(和)预应力锚索格子梁等措施阻挡滑坡，后者在日本、香港等地滑坡治理中已收到良好效果。,不同地质结构岩质斜坡中预应力锚杆的设计方案,另一类方式是通过改良岩体的强度性能来增强斜坡的抗滑能力。对于岩质斜坡可采用固结灌浆等措施，但必须注意选择适宜的灌浆压力，否则反而促进斜坡变形。对于土质斜坡可采取电化学加固法、冻结法(用于临时性边境)，还可采用焙烧法，即对坡脚处的土体进行焙烧加热，使其成为坚硬似砖的天然挡土墙(下图)，这种方法仅适用于粘土类土层中。我国铁路线上某些滑坡曾采用过这种方法，并取得良好效果。,防御和绕避措施 如明洞、卸塌棚等。,