S315省道K92邊坡變形破壞機理分析

趙 薦，鄭文俊，江 浩，雷 怡，帥飛翔

（1.浙江省衢州市公路管理局，浙江衢州324000；2.浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江舟山316000）

1 概述

降雨是引起邊坡環(huán)境條件變化的周期性因素，在各種邊坡變形破壞的影響因素中，降雨引起地下水滲流作用變化，往往是大量滑坡發(fā)生的直接原因，也是最復(fù)雜和變化最頻繁的影響因素。雨水下滲到坡體中可以造成兩方面效應(yīng)：滲透水進入巖土體的孔隙和裂縫中，使巖土的抗剪強度降低；地下水位抬升，減小滑動面的有效法向應(yīng)力，而且滲透壓力會增大坡體的下滑力。目前研究地下水對滑坡穩(wěn)定性的影響，常見的方式是根據(jù)水頭作用力分布，通過沿滑面施加于土體或土條滲透壓或傾覆力，計算滑坡的整體安全性[1-3]。研究發(fā)現(xiàn)，滑坡的滲透系數(shù)是影響地下水位的內(nèi)在因素[4]，低滲透率的土體會導(dǎo)致局部壓力水頭蓄積過高。地下水的高水頭、高滲透壓力是影響滑坡穩(wěn)定性的主要環(huán)境因素[5]。

邊坡穩(wěn)定性分析方法有極限平衡法、塑性極限分析法、強度折減法等[6-9]，到目前為止，極限平衡法仍是邊坡穩(wěn)定分析的最常用方法。本文采用GeoStudio內(nèi)置的極限平衡法對邊坡進行穩(wěn)定性分析，研究了地下水位變化對邊坡安全系數(shù)的影響，為S315省道K92邊坡變形破壞機理分析與工程治理決策提供了依據(jù)。

2 邊坡工程概況與工程地質(zhì)條件

2.1 邊坡概況

S315的K92邊坡位于浙江省江山段與衢江段交界處附近，涉及邊坡樁號為K92+070～K92+290，長度約為220m，邊坡最大開挖高度約32m。邊坡建設(shè)項目于2014年完工，因2015年3月遇強降水，邊坡發(fā)生多處滑塌。如圖1所示，現(xiàn)狀坡面設(shè)兩級邊坡，一級坡坡率1∶1.5，設(shè)4m寬平臺及水平排水溝，二級坡坡率1∶1.75。平臺水平排水溝沒有發(fā)生淤堵等不良情況。坡面采用香根草種植，平臺位置種植灌木叢。開挖邊坡以上自然斜坡的地形坡度一般為10°～20°，有較大的匯水面積和良好的入滲條件。

2.2 工程與水文地質(zhì)條件

開挖邊坡巖性為殘坡積土，黃褐色、褐紅色，結(jié)構(gòu)致密，巖性為粉質(zhì)粘土夾碎石，碎石含量約10%～20%，碎石粒徑一般小于5cm，個別碎石粒徑為10～20cm。邊坡巖土的力學(xué)強度較好，自然邊坡的穩(wěn)定性好，干旱季節(jié)開挖的直立邊坡高度大于2m仍然具有自穩(wěn)性。

由于邊坡后緣有廣闊的降雨入滲補給區(qū)域，且表層坡積土滲透性好，降雨入滲條件好，邊坡有良好的降雨入滲補給地下水的條件。殘坡積土層厚度大，但滲透性較差，邊坡地下水排泄梳干過程緩慢。因此，邊坡既具有良好的降雨入滲條件也具有良好的儲水條件及較差的排泄條件，雨季邊坡地下水豐富。

圖1 邊坡設(shè)計開挖坡面

邊坡區(qū)域為亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，溫暖濕潤，雨量充沛。年內(nèi)降雨分布不均勻，有明顯的旱季和雨季。降雨最多季節(jié)常在3～6月份的梅雨期和7～9月份的臺風(fēng)期，年均降雨量1648mm，水面年均蒸發(fā)量約1000mm。而邊坡巖土粘粒含量高，滲透性低，邊坡地下水位變化幅度大。高地下水位時，坡面地下水滲出點的最大高度處于二級邊坡坡腳附近；而低地下水位時，坡面沒有地下水滲出。從坡面地下水滲出情況看，邊坡巖土體處于季節(jié)性干濕變化過程。

3 滑坡特征與穩(wěn)定性分析

3.1 滑坡特征與穩(wěn)定性計算

因2015年3月左右雨季強降水，在長度約為220m的邊坡上發(fā)生了方量大于100m3的滑坡2處，小于100m3的滑坡5處。典型滑坡如圖2所示，滑坡的基本特征表現(xiàn)為：滑動面呈圓弧形，屬于均質(zhì)土坡的典型滑動形態(tài)；滑坡的前緣剪出口多位于坡腳擋墻的頂部；滑坡體厚度較小，一般厚度不超過5m，局部最大厚度不超過8m；滑坡僅限于1級邊坡，滑坡后緣沒有跨過一級邊坡和二級邊坡間的平臺。

滑坡形成的滑坡后壁多有大量地下水滲出，流出的地下水在滑坡體表面形成徑流，沖刷坡面形成泥漿水。從滑坡后壁的地下水滲出位置看，滑坡發(fā)生的后緣一般與地下水滲出的最大高度接近，表明地下水滲流作用對滑坡的形成具有直接作用。

圖2 滑坡特征

針對滑坡特征，根據(jù)圖1所示的滑坡剖面建立計算模型如圖3所示，通過改變邊坡后緣的水位，計算地下水位變化對邊坡穩(wěn)定性的影響，并根據(jù)地下水位變化分析邊坡穩(wěn)定性變化特征。根據(jù)開挖坡面巖土分布特征調(diào)查分析和土工試驗，確定計算分析模型的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖3 邊坡滲流場和穩(wěn)定性計算剖面

3.2 邊坡滲流場

表1 土體材料參數(shù)

采用有限元軟件對邊坡進行滲流和穩(wěn)定性分析，對計算模型約束底部的水平和豎直位移，約束兩側(cè)的水平位移，斜坡表面設(shè)定為排水邊界。在進行滲流計算時，坡體的地下水滲流服從達(dá)西定律：

（5）加強質(zhì)量監(jiān)督信息化管理。監(jiān)管方式要與時俱進，對工程項目采取信息化手段開展監(jiān)控式管理，實行遠(yuǎn)程監(jiān)督。逐步推動流域內(nèi)水利工程建設(shè)實時監(jiān)控系統(tǒng)、衛(wèi)星遙感遙測監(jiān)控系統(tǒng)[5]、水利工程質(zhì)量監(jiān)督信息系統(tǒng)等信息化工程建設(shè)，實現(xiàn)與水利部、各省水利工程質(zhì)量信息平臺的互聯(lián)互通和信息共享，按政務(wù)公開相關(guān)規(guī)定發(fā)布質(zhì)量信息。同時與已建成的“全國水利建設(shè)市場信用信息平臺”聯(lián)網(wǎng)，將檢查出的質(zhì)量問題納入各生產(chǎn)經(jīng)營單位信用信息系統(tǒng)，由質(zhì)量監(jiān)督機構(gòu)參與信用體系評價和管理，為長江流域質(zhì)量監(jiān)督提供信息化科技保障。

式中：x、y——單元的滲透主方向；

vx、vy——滲流沿x、y方向上的滲流速度；

Kx、Ky——土體的x、y方向上的滲流系數(shù)；

H——滲透水頭。

通過改變邊坡后緣的地下水位進行穩(wěn)態(tài)滲流計算，結(jié)果如圖4所示。隨著邊坡后緣坡體地下水位上升，地下水會在開挖邊坡坡面出露，這與雨季邊坡地下水在坡面滲出的實際情況相一致。

3.3 穩(wěn)定性分析

圖4 邊坡滲流場隨坡體后緣水位的變化

根據(jù)邊坡滲流場計算結(jié)果，考慮不同降雨入滲條件引起的滲流場條件，采用滑坡穩(wěn)定系數(shù)計算公式（2），計算分析地下水滲流場變化條件對邊坡穩(wěn)定性的影響特征。

αi——第i條塊滑面傾角，（°）；

φi——第i條塊內(nèi)摩擦角，（°）；

Ci——第i條塊內(nèi)聚力，kPa；

Li——第i條塊滑面長度，m；

ψj——第i-1塊段的剩余下滑力傳遞至第i塊段時的傳遞系數(shù)，即ψj=cos（αi-1-αi）-sin（αi-1-αi）·tanφi；Rn=Wncosαntanφi+CnLn；Tn=Wnsinαn。

依據(jù)不同后緣地下水位引起的邊坡滲流場變化，計算邊坡安全系數(shù)與邊坡后緣水位的關(guān)系如圖5所示。由圖5可知，隨著邊坡后緣地下水位的抬升，邊坡穩(wěn)定系數(shù)逐漸減小。當(dāng)邊坡后緣水位上升到30m高程時，1級邊坡安全系數(shù)小于1.0。因此，地下水位的上升引起滲流力的增加是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞的主要原因。

圖5 邊坡后緣水位與安全系數(shù)關(guān)系圖

4 結(jié)語

315省道K92邊坡巖性為殘坡積土，巖土的力學(xué)強度較好，干旱季節(jié)邊坡的穩(wěn)定性好。但由于邊坡后緣有廣闊的降雨入滲補給區(qū)，其表層坡積土滲透性強，降雨入滲條件好，前緣開挖邊坡殘坡積土層厚度大，滲透性較差，造成邊坡地下水排泄梳干過程緩慢。因此，邊坡具有良好的降雨入滲條件和良好的儲水條件及較差的排泄條件，雨季邊坡地下水豐富?；碌幕咎卣鞅憩F(xiàn)為：滑動面呈圓弧形，屬于均質(zhì)土坡的典型滑動形態(tài)；滑坡的前緣剪出口多位于坡腳擋墻的頂部；滑坡體厚度較小，一般厚度不超過5m，局部最大厚度不超過8m；滑坡形成的滑坡后壁多有大量地下水滲出，流出的地下水在滑坡體表面形成徑流。說明滑坡的成因受地下水位變化影響顯著，通過改變邊坡后緣的水位，計算地下水位變化對邊坡穩(wěn)定性的影響，并根據(jù)地下水位變化分析邊坡穩(wěn)定性變化特征，表明隨著邊坡后緣地下水位的抬升，邊坡穩(wěn)定系數(shù)逐漸減小。當(dāng)邊坡后緣水位上升到30m高程時，1級邊坡安全系數(shù)小于1.0。由此可見，地下水位的上升引起滲透力增加是導(dǎo)致315省道K92邊坡失穩(wěn)破壞的主要原因，進行邊坡深部排水，有效降低坡面附近地下水位，可作為該邊坡災(zāi)害治理的主要手段。