降雨作用下路堤邊坡水毀機理及影響因素分析

孫吉書 邱博超 肖田

摘 要：為明確降雨對路堤邊坡內部滲流場以及穩(wěn)定性的影響，對路堤邊坡水毀機理及其主要影響因素進行了研究。在特定土質、壓實度以及沖刷入滲時間等控制條件下，通過邊坡模型試驗探究降雨對邊坡坡面沖刷破壞過程的特征，運用GeoStudio程序進行數值模擬分析，找出降雨作用下路堤邊坡內部滲流場和穩(wěn)定性的變化規(guī)律。結果表明：降雨過程中雨水沖刷造成邊坡坡面結構破壞，而邊坡內部受到雨水滲流作用導致穩(wěn)定性降低，降雨作用從外到內對邊坡造成影響;隨著2種土質邊坡壓實度從85%提升至95%，砂性土邊坡的沖刷量減少了46.18%，邊坡安全系數提升了13.74%，黏性土邊坡沖刷量降低了33.70%，安全系數提升了10.21%;隨著降雨時間的增加，黏性土邊坡后期沖刷深度趨于穩(wěn)定，但砂性土邊坡沖刷深度有增大的趨勢;相同控制條件下，降雨前后黏性土邊坡安全系數變化量小于砂性土邊坡。因此，同等控制條件下，黏性土邊坡的抗水毀性能以及整體穩(wěn)定性均強于砂性土邊坡，研究結果有助于更全面地了解降雨過程中路堤邊坡的水毀機理及主要因素的影響規(guī)律，提高道路支撐的穩(wěn)定性。

關鍵詞：路基工程;沖刷破壞;模型試驗;數值模擬;穩(wěn)定性

中圖分類號：U416.1+4?? 文獻標識碼：A

doi：10.7535/hbkd.2021yx04012

收稿日期：2021-04-27;修回日期：2021-05-31;責任編輯：張士瑩

基金項目：國家自然科學基金（41877255）;天津市交通運輸科技發(fā)展計劃（2018-06）

第一作者簡介：孫吉書（1976—），男，河北廣宗人，副教授，博士，主要從事道路工程方面的教學與科研工作。

通訊作者：邱博超。E-mail：571162644@qq.com

孫吉書，邱博超，肖田.降雨作用下路堤邊坡水毀機理及影響因素分析[J].河北科技大學學報，2021，42（4）：415-423.SUN Jishu，QIU Bochao，XIAO Tian.Analysis on water damage mechanism and influencing factors of embankment slope under rainfall[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2021，42（4）：415-423.

Analysis on water damage mechanism and influencing factors of embankment slope under rainfall

SUN Jishu1，QIU Bochao1，XIAO Tian2

（1.School of Civil Engineering and Transportation，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China;2.Tianjin Municipal Engineering Design & Research Institute，Tianjin 300392，China）

Abstract：In order to clarify the influence of rainfall on the seepage field and stability of embankment slope，the mechanism of embankment slope water failure and its main influencing factors were studied.Under the specific control conditions of soil quality，compaction degree and erosion infiltration time，this study explored the erosion damage of subgrade slope under rainfall through slope model test，and then combined with GeoStudio program to find out the seepage field and stability change law of subgrade slope during rainfall.The results show that in the process of rainfall，the slope surface is scoured by rain water and the external structure is damaged，while the internal stability of the slope is reduced by the seepage action of rain water.The two effects from the outside to the inside simultaneously lead to the overall damage of the slope.With the increase of compaction degree of two kinds of soil slopes from 85% to 95%，the erosion amount of sandy soil slopes decreased by 46.18%，and the slope safety factor increased by 13.74%，while the erosion amount of cohesive soil slopes decreased by 33.70%，and the safety factor increased by 10.21%.With the increase of rainfall time，the scouring depth of cohesive soil slope tends to be stable in the later stage，while the scouring depth of sandy soil slope tends to increase; Under the same control conditions，the change of safety factor of cohesive soil slope before and after rainfall is smaller than that of sandy soil slope.Under the same control conditions，the water damage resistance and overall stability of the clay soil slope are stronger than that of the sandy soil slope.The research results are helpful for more comprehensive understanding of the water-damage mechanism of the embankment slope and the influence laws of the main factors in the process of rainfall，and improve the stability of the road support.

Keywords：

subgrade engineering;erosion failure;model test;numerical simulation;stability

路堤邊坡作為公路與鐵路的主要結構支撐部分，在自然環(huán)境中的各項性能表現(xiàn)會對道路的實際使用造成極大影響。由于邊坡常年暴露于室外環(huán)境下，受到自然環(huán)境和人類活動產生的影響，因而極易發(fā)生各種變形、失穩(wěn)甚至破壞，其中降雨的沖刷和入滲對路基邊坡造成的破壞尤為明顯。

迄今為止，國內外專家學者從不同角度就降雨對路堤邊坡破壞問題進行了研究，主要集中在利用理論分析[1-3]、數值模擬[4-9]和模型試驗[10-12]等方式探究降雨對邊坡的影響形式和作用機制。然而在實際工程中，路堤邊坡與自然邊坡的作用以及形成過程有所不同，為了使道路支撐更為穩(wěn)定，對路堤邊坡一般采取分層壓實方法降低滲透系數，提高穩(wěn)定性。此外，路堤頂面還會鋪設一層有一定厚度和散水坡度的路面層，降雨過程中路面層具有一定的散水坡度，可使雨水匯集形成股流并以一定速度流至坡面[13-15]?？梢?，路堤邊坡受到的降雨影響主要是水流的沖刷以及雨水入滲的綜合作用。當前針對路堤邊坡沖刷以及入滲綜合作用引起失穩(wěn)破壞的研究并不多。吳謙等[16]、馮興波等[17]運用顆粒流程序PFC3D對邊坡降雨沖刷過程進行模擬，得到沖刷破壞過程中邊坡不同部位土體孔隙率、水流流速、顆粒平均運動速度的分布及變化過程。邱勝光[18]為研究降雨入滲對非飽和土體邊坡穩(wěn)定性的影響，基于飽和-非飽和滲流理論，分析了降雨入滲條件下邊坡內部滲流場變化及其對邊坡穩(wěn)定性的影響[19]。程樹斌等[20]通過建立非飽和種植土-碎石綠化帶雨水入滲的有限元模型，對比了有限元分析結果與理論計算結果，得出均勻降雨條件下雨水的入滲特征并驗證了模型的正確性。綜合國內外諸多專家學者的研究成果可知，降雨對路堤邊坡的危害主要表現(xiàn)在2個方面：一是邊坡坡面匯聚的水流以一定速度對路堤邊坡直接沖刷，導致邊坡表面結構失穩(wěn);二是水流入滲坡體內部，使土壤粘聚力下降、下滑力增加，坡體內部孔隙水壓力發(fā)生變化，導致邊坡內部穩(wěn)定性降低。

運用模型試驗方法以及實際工程案例分析方法能夠直觀展現(xiàn)降雨對路堤邊坡的破壞機理，但較難觀測邊坡內部的滲流變化;運用有限元以及理論計算方法只能從理想狀態(tài)分析路堤邊坡滲流場及穩(wěn)定性的變化情況，較難反映邊坡坡面沖刷破壞的機理。為此，筆者結合模型沖刷試驗和數值模擬分析，研究在特定土質、壓實度以及沖刷入滲時間等控制條件下邊坡由外到內的沖刷入滲過程，更全面地探究降雨過程中路堤邊坡的水毀機理以及造成路基邊坡水毀的主要因素和影響規(guī)律。

1 邊坡沖刷破壞的物理模型試驗

1.1 試驗模型設計

在進行室內模擬試驗時，首先要從多方面明確室內模擬與原型之間的相似關系。為了使模擬試驗結果更貼近實際工程，應盡量采取大比例尺模型。本試驗模型選取的參數如下：長度比尺γl=10，試驗模型坡高L=1 m，坡比為1∶1.5。坡面由上至下等距離設置9個測量點，分別測量各時段的沖刷深度。模擬邊坡沖刷模型如圖1所示，邊坡物理試驗模型如圖2所示。采用分層夯實法填筑邊坡，壓實過程中應保持每次壓實力度基本相同，根據需要的壓實度調整夯擊的力度和次數，滿足整個坡面壓實度基本一致，并通過控制夯擊時長使邊坡土體的壓實度達到設計值。

1.2 試驗材料

為了探究不同土質邊坡的沖刷水毀機制，選取黏性土和砂性土2種典型的土質作為試驗土樣，各土樣的物理力學參數指標如表1所示。設置降雨強度R為5.83×10-7 m/s，通過控制水箱內水流的輸入量，使坡面水流沖刷速度達到0.015 m/s。

2 邊坡沖刷破壞過程特征及結果

2.1 邊坡沖刷破壞過程

按照水流沖刷試驗裝置進行坡面沖刷試驗，在保持壓實度相同的情況下，利用相同流速的水流分別沖刷2種不同土質的邊坡模型，2種不同土質邊坡沖刷過程見圖3和圖4。

由圖3、圖4可以看出，水流對邊坡的破壞是一個持續(xù)發(fā)展的過程。試驗開始時水漫過水箱邊緣，形成厚度相同的水簾以一定速度沖刷至坡頂，水流順著坡面流下。當沖刷時間為3 min時，2種邊坡表層浮動的土顆粒被水流帶走，黏性土邊坡模型表面出現(xiàn)少許細長的沖溝，而砂性土邊坡出現(xiàn)分布不均勻的沖坑。6 min 時邊坡的浸蝕破壞已經非常明顯，由于坡面不平，水流匯入沖溝和沖坑，使其流量和沖刷強度逐漸增大，導致沖溝以及沖坑的尺寸逐漸增大。當沖刷時間達到9 min時，沖刷現(xiàn)象更加嚴重，模型底部出現(xiàn)大量土體流失，由于先前形成的沖溝地勢底，導致水流大量匯集于沖溝。兩者相互促進，使原來的沖溝尺寸越來越大。對比2個模型的沖刷過程可以看出，砂性土的黏結強度相對于黏性土要低，隨著時間的增加，黏性土邊坡坡面的沖刷深度繼續(xù)增大，邊坡的沖溝加深，坡腳有坍塌現(xiàn)象出現(xiàn);砂性土邊坡坡面沖坑尺寸變大，導致沖坑的上部結構失穩(wěn)產生局部滑塌。由于水流的作用，不同土質的邊坡坡面破壞形式不同。從沖刷相同時間的破壞程度來看，砂性土邊坡的破壞程度要高于黏性土邊坡。

2.2 模型試驗結果分析

圖5為2種土質模型各測點的沖刷深度對比圖。從圖5可以看出，坡腳（85%壓實度）沖刷深度最大，其次是坡中（90%壓實度），坡頂（95%壓實度）沖刷深度最小。由圖5 a）和圖5 b）可以看出，在相同測點處，壓實度越大，邊坡沖刷深度越小。當壓實度為85%時，黏性土邊坡與砂性土邊坡各測點的沖刷深度平均值分別為29.188 mm和37.467 mm;當壓實度由85%提升至90%時，黏性土邊坡與砂性土邊坡各測點的沖刷深度平均值分別為24.325 mm和29.426 mm，黏性土邊坡沖刷深度在壓實度為85%的基礎上降低了16.67%，而砂性土邊坡則降低了21.46%;當壓實度提升至95%時，路基邊坡的沖刷深度最小，黏性土邊坡沖刷深度在壓實度為85%的基礎上降低了33.70%，而砂性土邊坡則降低了46.18%。對比沖刷深度的降低量可以看出，提高壓實度能夠有效減少砂性土邊坡的沖刷深度，且對砂性土邊坡的抗沖刷性能提升要高于黏性土邊坡。

圖6為2種土質邊坡模型沖刷深度隨時間的變化曲線。將整個沖刷過程分為3個階段， 0～3 min屬于快沖階段，此時邊坡浮土與松散顆粒被沖離坡面，黏性土和砂性土邊坡的沖刷深度差值穩(wěn)定在2 mm以內;3～6 min為持續(xù)階段，坡體表面浮土沖離邊坡，由于下方土質密實，匯流水對坡面沖刷的難度增加，所以邊坡沖刷深度的增長速度減緩;6～9 min為累進性沖刷階段，此階段2種土質邊坡的沖刷深度差值由原來的2 mm左右增加到8 mm以上，黏性土的沖刷深度逐漸趨于穩(wěn)定，而砂性土邊坡的沖刷深度有增大的趨勢。對比圖6 a）、圖6 b）和圖6 c）可以看出，當壓實度為85%時，砂性土邊坡和黏性土邊坡的沖刷深度差值為15.8 mm;當邊坡壓實度從85%提升至90%時，砂性土邊坡和黏性土邊坡的沖刷深度差值降低了10.2%;當壓實度提升至95%時，砂性土邊坡和黏性土邊坡的沖刷深度差值相比較于邊坡壓實度為85%時降低了21.3%。從2種土質邊坡的沖刷差值可以看出，短時間的降雨沖刷，壓實度對2種土質邊坡的沖刷深度變化影響較小;隨著沖刷的進行，提升壓實度對砂性土邊坡的影響要大于對黏性土邊坡的影響。

3 模擬邊坡降雨入滲過程及分析結果

降雨過程中路堤邊坡不僅受到雨水的沖刷作用，還受到雨水的滲流作用。室內模型試驗更直觀地展現(xiàn)了降雨沖刷作用對邊坡坡面的影響，而降雨對邊坡內部的影響無法觀測。由于降雨過程中坡面水流滲透入邊坡內部，導致土體的粘聚力下降，單位重度增大，因而引起邊坡穩(wěn)定性不斷降低，嚴重時發(fā)生滑坡。為探究降雨對路堤邊坡的內部滲流場以及穩(wěn)定性的影響，運用GeoStudio（SLOPE/W和SEEP/W耦合）程序進行相關數值模擬分析。首先，通過SEEP /W計算模塊獲取降雨過程中路堤邊坡各時段的滲流場信息;然后，將其代入SLOPE/W模塊中進行降雨入滲過程中各時段邊坡穩(wěn)定性分析;最后，根據各測點孔隙水壓力變化情況以及邊坡安全系數隨時間的變化趨勢進行分析。

3.1 數值分析模型

結合物理模型試驗以及實際工程中的各項參數指標設置模型參數，各項參數如表2所示。在模型各部位設置8個測點，用于測量各測點孔隙水壓力的變化情況。此仿真模型以0.3 m的網格進行劃分，計算單元761，節(jié)點數量821。建模結果如圖7所示。

模型共有3個初始邊界條件：①模型左右兩側以及底部邊界為連續(xù)不透水邊界;②坡腳、坡頂以及右側坡面為自由入滲邊界，其中降雨入滲單位流量為5.83×10-7 m/s;③初始地下水位線H左=6 m，H右=3 m。

3.2 入滲過程

以壓實度為90%、坡比為1∶1.5的黏性土質邊坡和砂性土質邊坡為例，分別進行邊坡水流入滲分析，分析過程如圖 8和圖 9所示。

由分析結果可以看出，模擬時間為0 min時，邊坡整體孔隙水壓力分布呈層狀，其孔隙水壓力由上到下遞增。當邊坡被水流沖刷至10 min時，坡頂平臺以及坡面表層土首先達到飽和狀態(tài)，由于水的滲流導致邊坡孔隙水壓力曲線由層狀變成環(huán)形分布。對比2種土質邊坡的孔隙水壓力圖可以看出，黏性土入滲速度較慢，同樣的時間里砂性土邊坡表面更厚的土層達到飽和狀態(tài)，并且慢慢向土體內部延伸，而黏性土僅僅只是表層少許土達到飽和狀態(tài)，隨著水流的持續(xù)，水流掃過的邊坡表層土壤逐漸達到飽和。水流沖刷30 min后，砂性土模型中水流已入滲到邊坡內部，而黏性土模型剛剛入滲到中部。通過對比2種土質邊坡的入滲情況可以看出，相比于砂性土，同等條件下黏性土的抗入滲能力更強，土體內部的穩(wěn)定性不容易受水流影響。

3.3 模擬結果

3.3.1 孔隙水壓力變化

圖10為90%壓實度的路堤邊坡各監(jiān)測點孔隙水壓力隨時間的變化曲線。

以壓實度為90%的2種土質邊坡入滲分析結果為例。由圖10可知，無論是黏性土還是砂性土，隨著雨水的入滲，最先響應的是測點2、測點5、測點8，雨水入滲開始此處的孔隙水壓力逐漸增大，隨后孔隙水壓力變?yōu)?，說明在雨水入滲一段時間后此處的土體基本達到飽和狀態(tài)。其次是測點1、測點4、測點7號，測點孔隙水壓力發(fā)生變化，經過較長一段時間孔隙水壓力才達到平穩(wěn)狀態(tài)，但是變化曲線相對于前者要平緩很多。最后響應的是測點3、測點6，由于該點處于邊坡較深處，因而孔隙水壓力變化相對較緩慢。對比圖10 a）和圖10 b）可以看出，黏性土邊坡模型各測點的孔隙水壓力變化速率小于砂性土邊坡模型，并且沖刷30 min后黏性土邊坡的各測點才剛剛趨于穩(wěn)定，而砂性土經過25 min后各測點孔隙水壓力基本達到穩(wěn)定。

3.3.2 邊坡安全系數變化

仿真過程中通過極限平衡法計算邊坡安全系數。該方法通過計算滑塊上的土體抗滑力與滑動力的比值來定義滑塊本身的安全系數，安全系數越大，邊坡越穩(wěn)定。根據《公路路堤設計規(guī)范》（JTG D 30—2015）中邊坡穩(wěn)定性安全系數的規(guī)范標準可知，對于一般工況而言，正常運行條件下的安全系數為1.35。

圖11為2種土質在不同壓實度下的邊坡穩(wěn)定性分析，由于砂性土與黏性土的各項參數不同，導致其初始邊坡安全系數不同。砂性土邊坡模型的安全系數在2.0以下，黏性土邊坡模型則高于2.0。從圖11可以看出，初始入滲階段，砂性土的響應速度明顯比黏性土要快，隨著時間的推移，穩(wěn)定系數的衰減速度逐漸變小，最后逐漸趨于穩(wěn)定，并且砂性土的安全系數衰減速度要遠大于黏性土，當入滲時間達到25 min時砂性土各壓實度下的安全系數已趨于穩(wěn)定且沖刷后安全系數衰減了29.1%，而黏性土則在30 min時才有穩(wěn)定的趨勢，安全系數衰減了30.75%。砂性土邊坡穩(wěn)定性變化曲線相對平滑，黏性土邊坡則有微小的起伏。由圖10 a）與圖10 b）可以看出，入滲過程中，壓實度為95%時2種土質的安全系數均高于1.35;當壓實度從85%升高到90%時，黏性土邊坡安全系數各時段整體提高了6.01%，而砂性土邊坡則提高了7.31%;當壓實度升高到95%時，黏性土邊坡和砂性土的安全系數分別提升了10.21%和13.74%。經歷了30 min的入滲，黏性土邊坡的安全系數變化量要小于砂性土邊坡，且提升壓實度對提高黏性土邊坡穩(wěn)定性的效果要小于砂性土邊坡。

4 結 語

在不考慮邊坡防護的條件下，通過建立尺寸較大的物理模型，更真實地模擬了降雨對路堤邊坡的沖刷作用，結合SEEP/W和SLOPE/W模塊的耦合分析，探討了降雨過程中雨水入滲現(xiàn)象以及對邊坡內部結構的影響，得出以下結論。

1）降雨過程中，坡面易產生沖溝和沖坑，沖坑與沖溝都有匯聚水流的作用，從而促使原有沖坑以及沖溝內的水流加大，導致邊坡表面受到的破壞愈來愈嚴重。由于水流入滲作用，邊坡內部土體之間的粘聚力降低且孔隙水壓力上升，導致路堤邊坡穩(wěn)定性降低。在沖刷與入滲的共同作用下，導致邊坡從內到外的整體穩(wěn)定性遭受破壞。

2）隨著邊坡壓實度從85%提升至95%，黏性土邊坡安全系數各時段整體提高了10.21%，邊坡各測點平均沖刷量降低了33.70%，而砂性土邊坡安全系數提高了13.74%，其平均沖刷量降低了46.18%。沖刷時間相同時，提升壓實度可以有效提升邊坡的抗沖刷性能以及邊坡穩(wěn)定性，壓實度的改變對砂性土邊坡的影響要高于黏性土邊坡。

3）沖刷模型試驗中，隨著時間的增加，黏性土邊坡的沖刷量變化率先增大、后減小，最后趨于穩(wěn)定;而砂性土前期沖刷量變化率與黏性土相近，沖刷后期其沖刷量變化率呈增長趨勢。數值模擬過程中，當控制條件相同時，隨著時間的增長，黏性土邊坡安全系數變化量要小于砂性土邊坡安全系數的變化量。

4）對比2種土質邊坡表面沖刷以及內部穩(wěn)定性的變化情況可知，在相同控制條件下，黏性土邊坡表面的抗沖刷能力及邊坡整體穩(wěn)定性都要強于砂性土邊坡。無論是改變邊坡壓實度還是控制沖刷入滲時間，黏性土邊坡表面結構穩(wěn)定性和內部結構穩(wěn)定性的變化響應速度都比較緩慢，而砂性土邊坡則響應迅速，其變化量大于黏性土邊坡。

降雨對邊坡的作用過程是一個從外到內的過程。本文結合模型試驗和數值模擬，較為全面地探究了邊坡外部結構破壞以及內部結構失穩(wěn)的機理，通過改變控制條件明確了影響路堤邊坡水毀的主要因素和影響規(guī)律。但是，本研究尚未考慮不同降雨強度對邊坡的影響，并且在進行數值模擬分析時未能將邊坡坡面沖刷破壞考慮進去。在后續(xù)研究中，將通過PFC3D顆粒流模擬軟件分析降雨對邊坡的影響，該軟件能同時考慮坡面沖刷作用和邊坡內部滲流作用，更大程度地還原降雨對邊坡的作用過程。

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