降水入滲對(duì)山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定狀態(tài)的影響分析

劉順?shù)h 雷向陽(yáng)

摘要：基于降水條件的案例邊坡穩(wěn)定狀態(tài)分析，文章借助有限元數(shù)理計(jì)算的方式，分析降水入滲對(duì)山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定狀態(tài)的影響，以為同類(lèi)公路邊坡工程應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：山區(qū)公路;邊坡穩(wěn)定;降水入滲;影響狀態(tài)

0 引言

降水是公路邊坡失穩(wěn)病害的最主要影響因素[1]，降水入滲對(duì)邊坡失穩(wěn)病害的影響作用一直以來(lái)都是公路工程科技的熱點(diǎn)課題。本研究參考工程案例，借助有限元數(shù)理計(jì)算的方式，針對(duì)降水入滲對(duì)山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定狀態(tài)的影響課題開(kāi)展專(zhuān)題分析探究，以期為同類(lèi)公路邊坡工程應(yīng)用提供研究和技術(shù)參考，助力建設(shè)安全牢固的山區(qū)公路邊坡工程。

1 降水入滲理論和影響

降水經(jīng)地面層向土體內(nèi)部入滲即為降水入滲[2]。在降水過(guò)程中，降水在重力、毛管力以及分子力的統(tǒng)合作用下向土體入滲，可簡(jiǎn)單地劃分為以下三個(gè)階段：

（1）潤(rùn)浸段：降水基于分子力作用，浸入巖土體，在巖土表面構(gòu)成水潤(rùn)層，此階段的降水入滲強(qiáng)度相對(duì)較大。

（2）滲漏段：在毛管力及重力統(tǒng)合作用下，入滲水連續(xù)浸入土體間隙，充填至飽和狀態(tài)。

（3）透滲段：分子力與毛管力均消失，降水只在重力作用下入滲土體內(nèi)部，且呈特定的穩(wěn)定流態(tài)。

入滲率是描述降水入滲的一個(gè)指標(biāo)。隨著降水量累積，入滲率逐漸降低，剛開(kāi)始階段降水入滲能力比較高，是由于巖土體相對(duì)較干燥，土體內(nèi)存在著相對(duì)較大的分子力及毛管力，在其作用下，土體吸收降水。隨著降水量增加，入滲土體空隙的降水逐漸增多，當(dāng)達(dá)到某一極值時(shí)，毛管力及分子力逐漸消失，降水入滲率隨即降低[3-4]。

邊坡巖土體典型斷面降水入滲水分含量分布狀態(tài)如圖1所示。圖線揭示，剛降水時(shí)，巖土體面層的水分含量在非常短的時(shí)間內(nèi)快速加大到最大值，但土體仍舊處于非飽和狀態(tài)，伴隨著降水不斷入滲，土體的水分含量不斷加增，濕潤(rùn)鋒面在邊坡內(nèi)部不斷地下移，水分含量分布曲線由之前的陡直變得相對(duì)平緩，隨著降水時(shí)程連續(xù)加大，土體抵達(dá)飽和狀態(tài)，這時(shí)的土體含水率即是飽和含水率。

降水對(duì)邊坡的不利影響包括以下幾個(gè)方面：

（1）降水使土體水分含量增加，致使粘聚力下降，抗剪度隨之降低。因此降水的強(qiáng)度及連續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，邊坡內(nèi)部降水入滲到達(dá)一定程度，極易發(fā)生邊坡失穩(wěn)。

（2）降水入滲加大土體容重，土體承荷加重，下滑力增大。

（3）邊坡內(nèi)部過(guò)多入滲降水，導(dǎo)致地下水入滲、滑面強(qiáng)度下降。

（4）降水入滲對(duì)巖土體的軟弱化、侵損作用也相當(dāng)明顯。

2 案例地質(zhì)結(jié)構(gòu)及地形地貌

某山區(qū)公路K2+590～K2+900段邊坡區(qū)域地表富積粉質(zhì)黏土和殘積粘結(jié)土。場(chǎng)地原始坡度通常在20°～30°，屬低山斜坡地貌，斜坡約100 m總坡高。開(kāi)挖邊坡基本未滑動(dòng)，但經(jīng)降水沖刷，坡底棄土存在流失現(xiàn)象，密布沖刷小溝，西北側(cè)坡體局部存在小范圍土體坍塌現(xiàn)象。

案例區(qū)域土體主要參數(shù)和基于220次標(biāo)貫測(cè)試的巖土層標(biāo)貫統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1和表2。

區(qū)域年平均氣溫為18.5 ℃，四季濕潤(rùn)溫暖，年度最低氣溫為8.6 ℃左右，通常出現(xiàn)在1月份;最熱月份是7月，年度最高氣溫為28.3 ℃左右;極端最低氣溫為-4.1 ℃，最高氣溫為40.6 ℃。年降水量平均為1 679.2 mm，最小為1 198.9 mm，最大高達(dá)2 484.4 mm。不同時(shí)節(jié)降水量差別較大，臺(tái)風(fēng)及暴雨7～9月多發(fā)，降水量可占全年降水量的45%～65%;3～6月份梅雨時(shí)節(jié)的降水量，可達(dá)年降水量的30%～40%。

3 基于降水條件的案例邊坡穩(wěn)定狀態(tài)分析

3.1 滲流起始狀態(tài)分析

案例邊坡降水前間隙水壓分布狀態(tài)如圖2所示。參考圖中信息可知，降水出現(xiàn)以前，低于地下水潤(rùn)浸線區(qū)域?yàn)轱柡蛥^(qū)，該潤(rùn)浸線亦是間隙水壓正負(fù)分界線。飽和區(qū)間隙水壓正值時(shí)，最大可達(dá)50 kPa;高于地下水潤(rùn)浸線區(qū)域?yàn)榉秋柡蛥^(qū)，間隙水壓負(fù)值，最小可達(dá)-300 kPa（吸力）。圖3為降水前，案例邊坡間隙水壓與邊坡高程的演變關(guān)系圖。曲線揭示，降水出現(xiàn)以前，間隙水壓由頂至底呈梯次減小的線性關(guān)系。

降水前飽和度分布見(jiàn)下頁(yè)圖4。圖線揭示，飽和區(qū)均處于地水潤(rùn)浸線以下區(qū)域，因?yàn)槭芡馏w毛細(xì)管作用，地水潤(rùn)浸線以上存在部分非飽和區(qū)，其飽和度自0.859 8降低到0.250 9，對(duì)應(yīng)間隙水壓亦隨飽和度下降而下降。

案例邊坡降水前有效垂向應(yīng)力分布狀態(tài)見(jiàn)下頁(yè)圖5。圖線揭示，有效垂向應(yīng)力從坡面向坡內(nèi)呈現(xiàn)逐漸遞增的態(tài)勢(shì)，但基礎(chǔ)平向應(yīng)力分布與之完全不同。

3.2 降水入滲作用結(jié)果分析

比較邊坡體內(nèi)部降水前后的間隙水壓可以知道，不論降水后還是降水前，間隙水壓都從坡底至坡頂逐漸降低。圖6～13揭示的是連續(xù)12 h、24 h、48 h和72 h時(shí)間，480 mm/d降水強(qiáng)度條件下，案例邊坡間隙水壓分布狀態(tài)和相應(yīng)時(shí)刻的間隙水壓隨邊坡高程演變的關(guān)系狀態(tài)。圖線揭示，連續(xù)降水作用下，潤(rùn)浸線以下區(qū)域，間隙水壓相對(duì)變動(dòng)較小，以上區(qū)域間隙水壓相對(duì)變動(dòng)較大。可見(jiàn)，降水入滲對(duì)邊坡土體非飽和區(qū)域的影響相對(duì)比較大，是由于非飽和土不乏液態(tài)、固態(tài)和氣態(tài)結(jié)構(gòu)，存在相當(dāng)數(shù)量的間隙，間隙亦充斥著氣體。間隙中氣體隨著降水入滲被排擠出溢，間隙充滿(mǎn)雨水，致使間隙水壓快速改變。隨著降水時(shí)間延長(zhǎng)，降水入滲影響范圍亦在慢慢加大。間隙水壓不僅于邊坡面層土體中改變，深層間隙水壓亦同樣隨著降水量增加而加大，地下水水位亦慢慢提升。

通過(guò)72 h入滲作用后，邊坡出現(xiàn)的平向位移狀態(tài)如圖14所示，圖中信息揭示，平向最大位移出現(xiàn)在坡腳處;通過(guò)72 h入滲作用后，邊坡出現(xiàn)的垂向位移狀態(tài)如圖15所示，圖中信息揭示，邊坡最大垂向位移出現(xiàn)在坡頂。綜合兩幅移位圖可以知道，外部水流沿間隙流入土體內(nèi)部，間隙水進(jìn)一步充盈，流速變大，當(dāng)入水動(dòng)能≥巖土顆粒的粘結(jié)力時(shí)，相當(dāng)數(shù)量巖土顆粒跟隨水流移動(dòng)，致使邊坡密度一定程度下降。假如其變動(dòng)很小，可能引發(fā)邊坡不均勻沉降。當(dāng)內(nèi)部水量進(jìn)一步增加，跟隨水流移動(dòng)的巖土顆粒越來(lái)越多，則可能隨時(shí)引發(fā)泥石流或是滑坡等嚴(yán)重邊坡災(zāi)害。

圖16是降水時(shí)長(zhǎng)與邊坡最大水平位移的關(guān)系圖，由圖可知，隨著降水時(shí)長(zhǎng)的增加，邊坡的最大位移在不斷擴(kuò)大，并且在60 h時(shí)，水平位移突增，由最早的1.10 mm擴(kuò)大到9.08 mm。圖17是降水時(shí)長(zhǎng)與邊坡最大垂向位移對(duì)應(yīng)關(guān)系，同樣在60 h時(shí)，垂向位移突增，由0.31 mm突增至6.05 mm。圖18是降水時(shí)長(zhǎng)與邊坡總體最大位移的關(guān)系圖，在60 h時(shí)，總體移位突增，由1.12 mm突增至9.82 mm?？蓮倪@三張關(guān)系圖中看到，在連續(xù)強(qiáng)降水60 h后，該邊坡內(nèi)部已然開(kāi)始出現(xiàn)較為嚴(yán)重的形變，60 h以后邊坡將連續(xù)擴(kuò)大位移量，最終致使邊坡?lián)p壞。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究借助有限元數(shù)理計(jì)算的方式，分析了480 mm/d降水強(qiáng)度，不同降水入滲時(shí)程條件下，案例邊坡所發(fā)生的穩(wěn)定性狀態(tài)變化情況。經(jīng)過(guò)對(duì)邊坡在各既定時(shí)間的間隙水壓的比對(duì)及降水72 h后邊坡的位移實(shí)施分析，得到主要結(jié)論如下：

（1）降水對(duì)巖土邊坡的影響作用主要包含兩方面，其一是降水入滲對(duì)細(xì)小土體顆粒的沖刷作用，其二是積累在巖土體表面的降水徑流的沖刷作用。

（2）模擬結(jié)果揭示，伴隨著降水連續(xù)實(shí)施，雨水的不斷入滲致使巖土體間隙中的氣體被連續(xù)地排出，雨水充滿(mǎn)整個(gè)空隙。巖土顆粒間的作用力在降水作用下不斷降低，間隙水壓連續(xù)增加，有效應(yīng)力迅速降低，土體抗剪強(qiáng)度亦隨之降低。

（3）降水的入滲，加重了邊坡體容重及水分含量，巖土顆粒隨著入滲水流在土體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，致使邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)形變。邊坡在垂向及平向都出現(xiàn)不同程度的形變，形變的方式直觀地呈現(xiàn)為坡腳向外側(cè)移動(dòng)及坡頂垂向沉陷，且隨著降水量積累，形變量亦不斷加劇，邊坡穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)一步下降，致使邊坡存在滑動(dòng)形變態(tài)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉紅衛(wèi). 山區(qū)公路滑坡研究[D]. 西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2005.

[2]張香斌. 滑坡穩(wěn)定性分析與預(yù)測(cè)技術(shù)研究[D]. 北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），2018.

[3]宋 航. 粉質(zhì)黏土類(lèi)邊坡穩(wěn)定性影響因素的研究[D]. 烏魯木齊：新疆大學(xué)，2018.

[4]陳燕青. 強(qiáng)降雨作用下高陡型順層風(fēng)化巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性研究[D].廣州：廣州大學(xué)，2018.

收稿日期：2020-05-27