水文環(huán)境對(duì)高速公路邊坡滑坡的影響

■ 中國(guó)公路工程咨詢集團(tuán)有限公司 方鑫

邊坡問(wèn)題是工程建設(shè)過(guò)程中面臨的主要問(wèn)題之一。導(dǎo)致邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)的因素有多種，包括其所處區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造等內(nèi)部因素以及氣候降水等外部因素?；趯?duì)邊坡失穩(wěn)原因的分析，發(fā)現(xiàn)其多與水因素有關(guān)。本文以某高速公路邊坡工程為背景，通過(guò)離心模型試研究了在土體密度以及邊坡坡度一定的情況下，含水量對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響；以數(shù)值分析的方式對(duì)水流滲透下土體的應(yīng)力場(chǎng)分布情況進(jìn)行分析，以期為今后類(lèi)似項(xiàng)目提供借鑒與參考。

1.離心模型試驗(yàn)

斜坡的自身結(jié)構(gòu)及物質(zhì)組成對(duì)其穩(wěn)定性有較大影響，而導(dǎo)致其出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象的因素主要與降雨有關(guān)。土質(zhì)邊坡容易因雨水的滲透而導(dǎo)致其滲流場(chǎng)出現(xiàn)變化，從而增大土體荷載并降低其抗剪參數(shù)。此次試驗(yàn)采用的是土工離心模型試驗(yàn)，對(duì)坡角以及坡高一定的邊坡進(jìn)行模擬，分析其應(yīng)力場(chǎng)在降雨影響下的分布情況，研究應(yīng)力場(chǎng)與含水量之間的關(guān)系，從而取得土質(zhì)邊坡與含水量之間的關(guān)系。此次試驗(yàn)共設(shè)置了三個(gè)試驗(yàn)組，具體情況如表1所示。

2.試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

（1）試驗(yàn)組1

此次試驗(yàn)的加載加速度在七分鐘前上漲到60個(gè)，在之后的時(shí)間里以10g的上漲幅度每隔半小時(shí)上漲一次。所得結(jié)果如圖1所示。

邊坡坡頂處有豎直向下的滑裂面，有拉破壞出現(xiàn)在坡頂土層，當(dāng)其破壞深度達(dá)到某一數(shù)值時(shí)將會(huì)出現(xiàn)剪切破壞，大致表現(xiàn)為圓弧型的滑裂面。此次試驗(yàn)表現(xiàn)為幾何破壞，該種破壞類(lèi)型主要表現(xiàn)為有蠕變剪切變形出現(xiàn)在邊坡坡腳位置處，在該位置有較快的鼓出土體，且早期容易有拉裂縫出現(xiàn)在坡頂位置；邊坡破壞容易因不斷鼓出的坡腳土體而表現(xiàn)出較快的破壞發(fā)展速率。對(duì)于邊坡的整體穩(wěn)定而言，邊坡坡腳是其主要的影響因素，保持該邊坡保持穩(wěn)定的最大高度為15m。

表1 試驗(yàn)分組

圖1 試驗(yàn)組1位移矢量圖

（2）試驗(yàn)組2

從圖2分析可知，邊坡坡腳處有鼓出現(xiàn)象發(fā)生，且有拉裂縫出現(xiàn)在坡頂位置，導(dǎo)致其出現(xiàn)下沉，而邊坡整體未有顯著的變形出現(xiàn)。在邊坡坡頂處有滑裂面出現(xiàn)，該位置處整體表現(xiàn)為拉破壞，其破壞深度滿足一定限制之后有偏轉(zhuǎn)出現(xiàn)，表現(xiàn)有剪切破壞，滑裂面整體形式表現(xiàn)出圓弧型。該邊坡保持在穩(wěn)定狀態(tài)的最大高度為10m。

（3）試驗(yàn)組3

該組試驗(yàn)以分層設(shè)置的方式模擬邊坡模型，模型尺寸如圖3所示。

該邊坡的坡腳位置未有鼓出現(xiàn)象發(fā)生，試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)僅有少量的拉裂縫出現(xiàn)在坡頂位置，但隨著加載時(shí)間的不斷推移，有較為顯著的局部裂縫出現(xiàn)在坡腳位置，并且原有的坡頂裂縫表現(xiàn)為深度及寬度不斷加深，但邊坡整體保持在穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

從試驗(yàn)1和試驗(yàn)2的模擬結(jié)果可知，在僅改變含水量的情況下，隨著加載的不斷進(jìn)行，邊坡的位移及破壞形式均不同。對(duì)于邊坡的穩(wěn)定性而言，含水量的影響較大，并且其與邊坡保持穩(wěn)定的最大高度表現(xiàn)有非線性的關(guān)系，即隨著不斷增加的含水量，邊坡保持穩(wěn)定的最大高度降低程度不斷增加。

對(duì)比試驗(yàn)2和試驗(yàn)3可知，兩個(gè)試驗(yàn)具有基本一致的幾何形狀和基本一致的平均密度及含水量。但因試驗(yàn)3的配置屬于分層的形式，雖然試驗(yàn)3的上層含水率是最高的一組，但其相比于下層土而言密度較小、含水量較高，導(dǎo)致在試驗(yàn)2破壞程度較高時(shí)，試驗(yàn)3的模型仍然保持完整，表明對(duì)于邊坡而言，下部土體的穩(wěn)定性對(duì)其有較大影響。因此，在實(shí)際施工時(shí)應(yīng)確保地下水具有較好的排泄能力，并且在開(kāi)挖邊坡之后應(yīng)馬上對(duì)其進(jìn)行防護(hù)，避免邊坡的穩(wěn)定性受到地下水滲透的影響，在修建完成高邊坡之后，應(yīng)將排水天溝設(shè)置在坡頂位置。

綜上所述，對(duì)于邊坡的穩(wěn)定性而言，在密度及坡度不變的情況下，含水量對(duì)其有較大的影響，因此，邊坡開(kāi)挖應(yīng)盡量避免在雨季進(jìn)行，并在開(kāi)挖之后應(yīng)及時(shí)開(kāi)展支護(hù)措施，避免邊坡的穩(wěn)定性受到地表水滲透的影響；從邊坡穩(wěn)定性的角度出發(fā)可知，下部土體對(duì)其影響較大，在實(shí)際施工時(shí)應(yīng)確保地下水排出質(zhì)量。

3.降雨滲流場(chǎng)數(shù)值模擬

基于上述試驗(yàn)結(jié)果，為研究邊坡與含水量之間的關(guān)系，本文采用GEO-SLOPE軟件對(duì)降雨進(jìn)行模擬。

圖2 試驗(yàn)2位移矢量圖

圖3 試驗(yàn)3模型尺寸圖

圖4 應(yīng)力等值線圖

設(shè)置降雨滲流邊界在坡頂位置，使其具備降雨瞬態(tài)模型。此次試驗(yàn)的降雨模擬采用等強(qiáng)度的降雨。地表土體隨著降雨的進(jìn)行不斷趨于飽和，導(dǎo)致其水分不斷移動(dòng)到邊坡內(nèi)部，從實(shí)驗(yàn)?zāi)M所取得的等值線控制來(lái)看，坡頂土體在前期降雨時(shí)具有較大的含水量變化，并且表現(xiàn)有較快的下滲深度。隨著時(shí)間的不斷推移，坡頂體積含水量趨于穩(wěn)定，且表面水的下滲深度也趨于平緩，而邊坡下部土體含水量則不斷上升。

對(duì)于邊坡的穩(wěn)定性而言，降雨的下滲主要影響的是其土體的應(yīng)力場(chǎng)，導(dǎo)致其體積含水量出現(xiàn)變化，從而影響到土體的強(qiáng)度參數(shù)。因此，本文將以數(shù)值分析的方式對(duì)邊坡應(yīng)力與地表水下滲之間的關(guān)系進(jìn)行分析。

表2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

在1x10-5m/s的降雨強(qiáng)度下，隨著雨水的不斷增加，邊坡土體的應(yīng)力場(chǎng)不斷受到影響，部分應(yīng)力等值線如圖4所示。

從土體的應(yīng)力分布可知，有較大的拉應(yīng)力出現(xiàn)在坡頂?shù)暮髠?cè)，并有局部分布在下坡面位置。從離心實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在邊坡坡頂位置存在有豎直向下的滑裂面，即有拉破壞出現(xiàn)在邊坡坡頂位置，此外，當(dāng)該拉破壞達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，將會(huì)有剪切破壞出現(xiàn)，可見(jiàn)其表現(xiàn)與應(yīng)力的數(shù)值分析結(jié)果一致。

為了便于對(duì)數(shù)值進(jìn)行分析計(jì)算，此次試驗(yàn)以平均含水量下土體強(qiáng)度作為分析對(duì)象，研究滲透深度以及降雨強(qiáng)度不同的邊坡穩(wěn)定系數(shù)，所得結(jié)果如表2所示。

當(dāng)降雨強(qiáng)度一定時(shí)，邊坡的安全系數(shù)在不斷增加的降雨下滲深度下表現(xiàn)出不斷降低的趨勢(shì)。此外，隨著水下滲深度的不斷上升，邊坡安全系數(shù)的下降速率也不斷變快；當(dāng)降雨強(qiáng)度不同時(shí)，邊坡的最小安全深度隨著水下滲深度的不斷增加而表現(xiàn)出不斷增加的趨勢(shì)；當(dāng)下滲深度相同時(shí)，邊坡的最小穩(wěn)定系數(shù)隨著含水量的增加而有所降低，即隨著時(shí)間的不斷推移，降雨的下滲強(qiáng)度也在不斷增加，不利于邊坡穩(wěn)定。因此，在開(kāi)挖邊坡后應(yīng)立刻采取相應(yīng)的支護(hù)措施，降低降雨下滲的影響程度。

4.結(jié)語(yǔ)

基于離心試驗(yàn)以及數(shù)值分析可知，邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)在土體密度、滲透深度以及邊坡坡度一定的條件下，其隨著不斷增加的含水量表現(xiàn)出不斷變小的趨勢(shì)。從邊坡穩(wěn)定性的角度研究發(fā)現(xiàn)，含水量對(duì)其具有較大的影響，即對(duì)于邊坡穩(wěn)定而言，降雨入滲對(duì)其有較不利的影響。因此，在邊坡開(kāi)挖時(shí)應(yīng)盡可能避免在雨季施工，并在開(kāi)挖之后及時(shí)采取相應(yīng)的支護(hù)措施，避免邊坡穩(wěn)定性受到地表水下滲的影響；當(dāng)降雨強(qiáng)度保持一定時(shí)，邊坡的安全系數(shù)隨著不斷增加的降雨下滲深度表現(xiàn)出不斷降低的趨勢(shì)，且隨著不斷增加的降雨下滲深度，該種規(guī)格降低速率不斷增大。因此，對(duì)于邊坡穩(wěn)定性而言，下部土體的穩(wěn)定性具有較大的影響，故在邊坡施工時(shí)應(yīng)確保地下水排泄質(zhì)量。