降雨對山區(qū)高速公路棄土場邊坡穩(wěn)定性影響分析

夏怡, 柳治國, 鄒飛, 羅紅明, 羅世鑫

(1.貴州宏信創(chuàng)達工程檢測咨詢有限公司, 貴州 貴陽 550014; 2.貴州省交通運輸廳， 貴州 貴陽 550001; 3.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院， 貴州 貴陽 550025; 4.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室， 湖北 武漢 430071)

1 引言

山區(qū)高速公路建設(shè)受地形和地質(zhì)及生態(tài)環(huán)境條件的限制，不可避免地產(chǎn)生大量棄土，必須設(shè)置棄土場來滿足棄土處置的需要。棄土場是一種人工傾填形成的，具有密度小、固結(jié)性差、非飽和等特點，其穩(wěn)定性比自然邊坡差，在降雨尤其是特大暴雨、連續(xù)降雨等條件下易產(chǎn)生滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，將會對棄土場周邊的居民、重要基礎(chǔ)設(shè)施等構(gòu)成嚴重的威脅。因此，棄土場邊坡的穩(wěn)定性是涉及到棄土場長期安全的關(guān)鍵技術(shù)難題，尤其是降雨條件下邊坡的穩(wěn)定性問題[1]。

目前，中國學(xué)者對降雨條件下邊坡的穩(wěn)定性進行了系統(tǒng)的研究，取得了非常豐富的成果。李煥強等[2]采用物理模型試驗研究了降雨條件下不同坡度邊坡的變形失穩(wěn)規(guī)律，揭示了邊坡穩(wěn)定性隨降雨入滲的動態(tài)演化規(guī)律；譚文輝等[3]采用有限元方法研究了降雨入滲條件下邊坡的滲流場、應(yīng)力場和位移場，研究了降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律；唐棟等[4]采用有限元法研究了不同初始條件對不同土體邊坡穩(wěn)定性的影響，探討了前期降雨對不同土體邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律等。但棄土場邊坡在降雨條件下穩(wěn)定性一般選用假定滲流場來進行分析，而對不同降雨入滲條件下棄土場邊坡的滲流場分析方法研究甚少[5]，這將是棄土場穩(wěn)定性分析需要重點考慮的內(nèi)容。

該文以貴州省六盤水至威寧高速公路YK53+750右側(cè)40 m棄土場為例，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查，運用飽和-非飽和數(shù)值方法對不同降雨入滲條件下的棄土場邊坡滲流場進行計算分析，在此基礎(chǔ)上采用剛體極限平衡法對其安全系數(shù)進行計算，討論不同降雨工況條件下棄土邊坡滲流場的變化及其對邊坡穩(wěn)定性的影響，研究成果將為棄土場邊坡的防護設(shè)計及后期安全管理提供技術(shù)支撐。

2 棄土場邊坡降雨入滲分析方法

2.1 棄土邊坡降雨入滲分析方法

降雨入滲過程實際上是水分從地表非飽和區(qū)向坡體內(nèi)飽和區(qū)的流動過程。降雨入滲就是一個流量邊界，但入滲流量并不是一直未變，而是在滲流模擬計算中須根據(jù)地表含水率變化而不斷調(diào)整入滲流量，從而實現(xiàn)降雨入滲的模擬分析。因此，降雨入滲就是典型的飽和-非飽和滲流問題[6]，應(yīng)采用飽和-非飽和滲流理論來進行求解，從而獲得不同降雨條件下棄土場邊坡滲流場的動態(tài)變化。

飽和-非飽和水流運動可用下列Richards方程表述：

(1)

式中：kx、ky分別為x、y方向的滲透系數(shù)(m/s)；H為總水頭(m)；mW為土水特征曲線斜率；γW為水的重度(kN/m3)；t為時間(s)。

土水特征曲線一般通過試驗確定，但在實際中常采用基于統(tǒng)計分析理論提出的Fredlund&Xing模型，土水特征曲線模型如下：

(2)

式中：θ為非飽和土體的體積含水量；θs為飽和體積含水量；ψ為基質(zhì)吸力(kPa)；ψr為殘余含水量所對應(yīng)的基質(zhì)吸力(kPa)；a為與進氣值有關(guān)的參數(shù)(kPa)；b為與土水特征曲線斜率有關(guān)的參數(shù)；c為與殘余含水率有關(guān)的試驗參數(shù)。

2.2 飽和-非飽和滲流數(shù)值求解

飽和-非飽和滲流求解時，將滲流場劃分為有限單元，并對這些單元進行迭代計算，從而得到降雨入滲條件下棄土邊坡的滲流場，其迭代方程為：

(Δt[D]+[E]){Ht+Δt}=Δt[F]+[E]{Ht}

(3)

式中：Δt為時間增量；D為單元滲透系數(shù)矩陣；E為單元儲水矩陣；Ht+Δt為t+Δt時刻水頭；Ht、F為t時刻水頭、邊界流量。

在飽和-非飽和求解中，降雨入滲邊界條件處理方法如下：① 當(dāng)降雨強度小于地表土體的入滲能力時，此時降雨全部入滲土體內(nèi)，入滲量等于降雨強度，按流量邊界處理，隨著降雨持續(xù)，土體表層含水率將逐漸增加，直到達到某一穩(wěn)定值；② 當(dāng)降雨強度超過地表土體的入滲能力時，此時降雨一部分轉(zhuǎn)化為地表徑流，另一部分滲入坡體，地表入滲邊界點達到飽和狀態(tài)，按壓力水頭邊界處理。

2.3 非飽和土抗剪強度

降雨時邊坡由非飽和狀態(tài)逐漸向飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變，降雨結(jié)束后又向非飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變，邊坡土體抗剪強度受基質(zhì)吸力影響先減小后增大，對邊坡的穩(wěn)定性有影響。因此，需應(yīng)用非飽和抗剪強度理論來進行邊坡穩(wěn)定性分析，非飽和抗剪強度計算公式如下：

τf=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb

(4)

式中：c′為有效內(nèi)摩擦角(°)；φ′為有效黏聚力(kPa)；(σ-ua)為凈法向應(yīng)力(kPa)；(ua-uw)為基質(zhì)吸力(kPa)；φb為隨基質(zhì)吸力變化的內(nèi)摩擦角(°)。一般來說，φb隨著基質(zhì)吸力的增大而減小，在邊坡穩(wěn)定性分析中將其假定為一常數(shù)。

3 棄土場降雨入滲數(shù)值分析

3.1 工程概況

貴州省六盤水至威寧高速公路YK53+750右側(cè)40 m棄土場位于路線左側(cè)沖溝，溝底相對平緩，原地表覆蓋角礫土，下伏基巖。棄土場邊坡高度為16.5 m，棄方量為6.0萬m3，棄土場下游為沖溝，無其他危害對象，根據(jù)有關(guān)規(guī)范，該棄土場級別屬于5級[7]。棄土場典型地質(zhì)剖面見圖1。

圖1 棄土場典型地質(zhì)剖面

3.2 計算模型與參數(shù)

選取棄土場現(xiàn)狀邊坡的典型剖面，建立有限元模型，采用四邊形和三角形混合單元進行有限元網(wǎng)格剖分，共剖分為4 768個單元，4 886個節(jié)點，見圖2。

圖2 棄土場邊坡滲流分析有限元計算模型(單位：m)

棄土邊坡巖土體滲流、力學(xué)參數(shù)根據(jù)資料類比選取，具體見表1。

表1 棄土場邊坡巖土體參數(shù)取值

3.3 計算工況與邊界條件

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查與地質(zhì)勘探資料，在勘察范圍內(nèi)未見地下水位，滲流計算不考慮地下水，只考慮降雨入滲。降雨入滲滲流計算則選取短時暴雨和連續(xù)降雨等類型進行滲流計算[8]。因此，棄土場邊坡的穩(wěn)定性計算考慮4種工況，其中降雨工況考慮3種工況(表2)。

表2 滲流計算工況

(1) 正常工況：不考慮降雨的影響，同時為后續(xù)降雨條件下滲流計算分析提供初始滲流場。

(2) 降雨工況分3種情況：第1種是只考慮經(jīng)歷降雨后巖土體飽和，計算參數(shù)采用飽和狀態(tài)參數(shù)即采用總應(yīng)力抗剪強度參數(shù)，不形成暫態(tài)飽和地下水位；第2種是在正常工況的基礎(chǔ)上進行短時暴雨條件下邊坡滲流場計算，計算參數(shù)采用有效抗剪強度參數(shù)，并考慮基質(zhì)吸力影響；第3種是在正常工況的基礎(chǔ)上進行連續(xù)降雨對邊坡滲流場的影響，計算參數(shù)選用與第2種情況一樣。

棄土邊坡表面為降雨流量邊界，模型底面為零流量邊界，兩側(cè)地下水位以上為零流量邊界，地下水位以下為定水頭邊界。

3.4 邊坡降雨入滲數(shù)值模擬計算結(jié)果

采用GeoStudio軟件Seep模塊對棄土場邊坡在不同降雨條件下的飽和-非飽和滲流場進行計算，得到不同降雨條件下棄土場邊坡的滲流場，見圖3、4，典型節(jié)點的孔隙水壓力隨時間的關(guān)系曲線見圖5、6。

圖3 短時暴雨條件下棄土場邊坡孔隙水壓力等值線圖(單位：kPa)

圖4 連續(xù)降雨條件下棄土場邊坡孔隙水壓力等值線圖(單位：kPa)

圖5 短暫暴雨條件下坡頂不同位置基質(zhì)吸力隨時間變化曲線

圖6 連續(xù)降雨條件下坡頂不同位置基質(zhì)吸力隨時間變化曲線

從圖3、5可以看出：短時暴雨時，棄土飽和滲透系數(shù)略小于降雨強度，降雨入滲使邊坡地表的基質(zhì)吸力先減小至0，并在表層形成暫態(tài)飽和區(qū)，坡體內(nèi)一定深度范圍內(nèi)的基質(zhì)吸力減??；在降雨結(jié)束后，邊坡地表的暫態(tài)飽和區(qū)消失，基質(zhì)吸力逐漸增大，而在覆蓋層頂面位置(坡頂以下15.6 m)一定范圍內(nèi)的基質(zhì)吸力減小，覆蓋層底面位置(坡頂以下20.4 m)的基質(zhì)吸力幾乎不變。

從圖4、6可以看出：連續(xù)降雨時，棄土飽和滲透系數(shù)大于降雨強度，降雨能全部滲入坡體，坡體內(nèi)的基質(zhì)吸力減小，未能在地表形成暫態(tài)飽和區(qū)，覆蓋層頂面位置(坡頂以下15.6 m)一定范圍內(nèi)的基質(zhì)吸力減小到-5 kPa，土體接近于飽和狀態(tài)；降雨結(jié)束3 d后，邊坡表層基質(zhì)吸力逐漸增大，覆蓋層頂面位置的基質(zhì)吸力幾乎不變，而覆蓋層底面位置(坡頂以下20.4 m)基質(zhì)吸力緩慢增大。

4 降雨入滲對棄土場邊坡穩(wěn)定性影響

4.1 棄土邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果

以棄土場邊坡降雨后的滲流場計算結(jié)果作為邊坡穩(wěn)定性計算的初始條件，利用GeoStudio軟件Slope模塊采用Bishop法對棄土場邊坡的穩(wěn)定性進行計算，搜索到棄土場邊坡最小安全系數(shù)的滑動面，得到棄土邊坡安全系數(shù)，計算結(jié)果見表3。

表3 不同降雨工況條件下邊坡安全系數(shù)計算結(jié)果

4.2 降雨入滲對棄土場邊坡穩(wěn)定性的影響

從表3可以看出：在正常工況條件下棄土邊坡的安全系數(shù)為1.806，明顯高于邊坡在降雨工況條件下的安全系數(shù)；若不考慮降雨過程，假定降雨后棄土完全飽和，此時邊坡的安全系數(shù)為1.281，低于短時暴雨和連續(xù)降雨條件下邊坡的安全系數(shù)。

若在短時暴雨條件下邊坡的安全系數(shù)為1.573；待降雨停止18 h后邊坡的安全系數(shù)為1.530，比降雨結(jié)束時邊坡安全系數(shù)略有減小。

若在連續(xù)降雨條件下邊坡的安全系數(shù)為1.448；待降雨停止3 d后邊坡的安全系數(shù)為1.519，相比降雨結(jié)束時邊坡的安全系數(shù)略有增大。

綜上可知：降雨對棄土場邊坡穩(wěn)定性的影響是顯著的，并且連續(xù)降雨條件下邊坡的安全系數(shù)要低于短時暴雨條件時的邊坡安全系數(shù)。采用假定巖土體飽和的方法來計算降雨工況條件下邊坡的安全系數(shù)相對考慮降雨入滲影響的結(jié)果是偏小的，對工程而言偏于安全，對于棄土場穩(wěn)定性評價可以采用這種假定方法來計算降雨條件下棄土場邊坡穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

以貴州省YK53+750右側(cè)40 m棄土場為例，采用非飽和滲流分析方法對不同降雨條件下棄土場邊坡的滲流場進行了分析，并探討了降雨入滲對棄土邊坡穩(wěn)定性的影響，得到以下結(jié)論：

(1) 在短時暴雨條件下，棄土邊坡表層的基質(zhì)吸力減小，隨著降雨的持續(xù)，邊坡表面部分區(qū)域會形成暫態(tài)飽和區(qū)；但降雨停止后，棄土邊坡表面的暫態(tài)飽和區(qū)逐漸消散，基質(zhì)吸力逐漸增大，而坡體內(nèi)基質(zhì)吸力先減小后緩慢增大，雨停后邊坡的安全系數(shù)略有減小。

(2) 在連續(xù)降雨條件下，降雨能全部滲入坡體，在降雨期間邊坡表面無暫態(tài)飽和區(qū)，入滲使得坡體內(nèi)的基質(zhì)吸力減??；但降雨結(jié)束3 d后，邊坡淺表層基質(zhì)吸力逐漸增大，坡體內(nèi)的基質(zhì)吸力也緩慢增大，邊坡的安全系數(shù)略有增加，但低于短時暴雨條件下邊坡的安全系數(shù)。

(3) 降雨入滲引起棄土邊坡的基質(zhì)吸力減小、棄土的抗剪強度參數(shù)降低，從而導(dǎo)致棄土邊坡的安全系數(shù)逐漸減小和邊坡穩(wěn)定性下降。由此可見，降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響顯著。

(4) 相對于采用滲流穩(wěn)定計算，采用假定巖土體全部飽和的方法來進行降雨條件下棄土邊坡安全系數(shù)計算，得到的邊坡安全系數(shù)小于短時暴雨和連續(xù)降雨條件下的邊坡安全系數(shù)，結(jié)果相對偏于保守，相對工程而言偏于安全，可以采用這種假定方法來評價降雨條件下棄土場邊坡的穩(wěn)定性。