降雨作用下邊坡穩(wěn)定性分析及防治

唐小軍

(云南省鐵路總公司，云南昆明 650118)

0 引言

我國是多山國家，是山體滑坡地質(zhì)災(zāi)害的高發(fā)區(qū)。大量滑坡資料表明滑坡主要發(fā)生在雨季，降雨是導(dǎo)致滑坡的主要誘因。降雨通過地表滲入坡積土層、殘積土層或直接滲入全風(fēng)化、強風(fēng)化巖體中，使巖土體中的親水礦物與吸附較多的水相結(jié)合，使土體處于暫時飽和狀態(tài)，增加了土體的容重，降低了土體的內(nèi)摩擦角和粘聚力，從而降低了土層的抗剪強度;并且在雨水入滲的過程中，產(chǎn)生了動水壓力，增大了坡體本身的下滑力，更容易使坡體產(chǎn)生滑坡動［1］。

1 降雨入滲及滲流模型

1.1 降雨入滲過程

降雨入滲過程是指地下水隨時間與空間的變化從飽和到非飽和的運動過程，是雨水在下滲的過程中不斷驅(qū)替空氣飽和孔隙的過程［2］。雨水滲入坡體到達潛水面是一個飽和～非飽和的滲流過程。邊坡土體的降雨入滲量受降雨強度與歷時、初始含水率、土壤性能、地形坡度、吸力狀況等諸多因素的影響，因此邊坡的降雨入滲是集時間與空間的動態(tài)過程［3］。若土的滲透能力大于降雨強度，雨水將全部滲入土中，不會出現(xiàn)地表徑流;若土的滲透能力小于降雨強度，邊坡表面上會出現(xiàn)地表徑流;雨停后邊坡表面一般不會有積水，并且雨水在邊坡土體上入滲滯后的時間較短，基本上降雨一停，降雨入滲也就停止了。降雨在邊坡中的滲透如圖1所示。

雨水在邊坡中的入滲使土體在時間和空間上都發(fā)生了巨大的變化［3］。在降雨的初始階段，地表含水量較低，一旦地表土體中有水分滲入，吸力梯度便逐漸形成，將上升到很高的位置，此時雨水入滲率也較高。在降雨初始階段，土體入滲率和含水梯度均大于降雨強度，雨水完全入滲，此階段為通量控制階段，屬于自由入滲或無壓入滲;隨著雨水入滲的持續(xù)進行，土體的入滲率和含水率梯度逐漸減小，當(dāng)降低到小于降雨的強度時，邊坡地表開始形成徑流或積水，此階段為剖面控制階段屬于有壓入滲。因此，降雨強度與持續(xù)時間、土體的初始含水量及邊坡地表徑流量的共同作用影響實際入滲量。

1.2 二維Richards滲流模型

使孔隙水壓力mw=?θw/?uw并以總水頭h為控制變量，則二維Richards滲流控制方程為［4］:

其中，uw為土的體積含水率;θw為土的孔隙水壓力;γw為水的容重;t為時間。

若邊坡土體處于飽和帶時，滲透系數(shù)可用飽和滲透系數(shù)表示，體積含水率為飽和含水率，即mw=0;若邊坡土體處于非飽和帶時，mw與滲透系數(shù)均為孔隙水壓力的函數(shù)。故該方程可以用來求解飽和～非飽和滲流問題。

根據(jù)飽和～非飽和滲流理論，可以得出任何時刻t的入滲率qr(t)為:

其中，h′為壓力水頭;坐標(biāo)z取向上為正方向。

在降雨的初始階段，地表含水率變化梯度?θ/?z的絕對值較大，其對應(yīng)的入滲率qr(t)和壓力水頭梯度 ?h′/?z都較大;隨著降雨的持續(xù)進行，雨水入滲率和壓力水頭梯度?h′/?z的絕對值不斷降低;當(dāng)降雨入滲持續(xù)一段時間后，土體的入滲率逐漸地趨于一個穩(wěn)定值，相對于地表含水率為θ0時，該值的導(dǎo)水率k0一般取k0=mwks，其中 0≤mw≤1，ks為飽和導(dǎo)水率。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 邊坡破壞形式

公路邊坡的形成過程中，在各種自然因素(如風(fēng)化剝蝕、工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)面、地下水等)與人為因素(如開挖、爆破等)作用下，邊坡內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)將發(fā)生變化，引起應(yīng)力的重新分布與應(yīng)力集中效應(yīng)，當(dāng)邊坡內(nèi)的應(yīng)力超過巖土體的強度時，將導(dǎo)致邊坡產(chǎn)生變形與破壞。公路邊坡常見的破壞形式有:崩塌、滑坡、剝落等。

2.2 邊坡穩(wěn)定模型

降雨對邊坡穩(wěn)定性的力學(xué)效應(yīng)主要表現(xiàn)為邊坡體所受的靜水壓力、動水壓力及地下水向上的揚壓力發(fā)生改變［5］，邊坡力學(xué)模型如圖2所示。

邊坡開挖過程中的應(yīng)力重新分布，坡頂為切向應(yīng)力，形成張拉裂隙。在降雨初始階段，降雨對邊坡起到加載作用，坡體受自重、雨水入滲及裂隙靜水壓力荷載的作用，張拉裂縫向深部發(fā)育，當(dāng)裂隙到達滑動面時靜水壓力達到峰值，此時邊坡穩(wěn)定系數(shù)為:

其中，Wi為條分法中第i塊坡體重量;li為第i塊坡體長度;α為坡體潛在破壞面角度;c為粘聚力;φ為內(nèi)摩擦角;∑為總靜水壓力。

降雨初期雨水入滲邊坡內(nèi)部產(chǎn)生的靜水壓力為:

其中，h為裂隙張開深度;γw為水的容重。

隨著裂隙擴展，靜水壓力不斷增大，邊坡穩(wěn)定系數(shù)逐漸降低。當(dāng)裂隙深度h=H時，雨水沿裂隙繼續(xù)向邊坡滲入到達滑動面，產(chǎn)生的動水壓力為:

其中，l為坡長;i為水力梯度。

若降雨持續(xù)進行，此階段的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為:

由于邊坡表面裂隙不斷增多使靜水壓力增大，水體滲流使動水壓力也增大。邊坡土體滲入雨水后其力學(xué)參數(shù)發(fā)生變化，抗剪力降低，使邊坡趨于不穩(wěn)定。

3 防治措施

降雨是誘發(fā)邊坡滑坡失穩(wěn)的主要因素之一，根據(jù)降雨入滲特性及力學(xué)分析，為保證邊坡的穩(wěn)定性，可采取相應(yīng)的排水、截水措施。截、排水措施可有效地防止地表水下滲、減少地下水活動對邊坡穩(wěn)定的影響。

1)邊坡坡率與坡面防護。

放緩邊坡，采用臺階式放坡，上緩下陡，減小坡角，在邊坡上進行生態(tài)防護，合理搭配草、灌木比例，防止雨水沖刷及坡面松弛。增大粘聚力，最大程度的減少水土流失，為適應(yīng)公路外觀和結(jié)構(gòu)整體性的需要，應(yīng)當(dāng)進行適當(dāng)?shù)木G化，防止沖刷和美化環(huán)境。

2)地表排水。

排除地表水是處理公路路基及邊坡病害不可缺少的措施之一。通過攔截、疏導(dǎo)地表水，及時進行動態(tài)跟蹤，盡快處理邊坡裂隙，防止雨水滲入坡體，確保邊坡排水暢通。防止進入坡體內(nèi)，可減少因降雨等引發(fā)的滑坡災(zāi)害的發(fā)生。

3)地下水處理。

可采取豎井、盲溝等豎向排水措施降低地下水位，疏干邊坡體內(nèi)及鄰近地下水，可降低邊坡的動水壓力、靜水壓力與揚壓力，增強抗剪力，使邊坡穩(wěn)定。

4 結(jié)語

降雨誘發(fā)邊坡失穩(wěn)是山地災(zāi)害研究的重點與難點。降雨入滲使邊坡土體非飽和帶內(nèi)的含水量增大，粘聚力降低，孔隙水壓力增大，基質(zhì)吸力降低，出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)與暫態(tài)水壓力，基質(zhì)吸力的下降使得邊坡土體非飽和帶的抗剪強度降低，導(dǎo)致邊坡土體的強度降低，影響邊坡的穩(wěn)定性。截排水措施是確保邊坡穩(wěn)定治理效果的重要環(huán)節(jié)，邊坡治理方案應(yīng)該綜合考慮地形地貌特征、地質(zhì)條件、施工技術(shù)以及周邊的自然環(huán)境與社會環(huán)境等因素，正確認(rèn)識邊坡、合理設(shè)計、適當(dāng)治理，把邊坡失穩(wěn)造成的災(zāi)害程度降到最低。

［1］曾添華.淺談地質(zhì)災(zāi)害邊坡穩(wěn)定性分析及治理［J］.科技信息，2005(10):435-436.

［2］榮 冠，張 偉，周創(chuàng)兵.降雨入滲條件下邊坡巖體飽和非飽和滲流計算［J］.巖土力學(xué)，2004，26(10):1545-1549.

［3］孔 嶸.邊坡生態(tài)防護的雨水入滲及設(shè)計優(yōu)化研究［D］.長沙:長沙理工大學(xué)，2012.

［4］Fredlund D G.Slope Stability Analysis incorporating the effect of soil suction［M］.//Anderson M G，Richards SlopeStability.New York Wiley，1987:113-114.

［5］李曉鴻.降雨條件下邊坡穩(wěn)定性分析及滑坡防治措施［J］.交通科技與經(jīng)濟，2012(5):9-11.