降雨作用下粉土-風化巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析

摘要：文章以柳州經(jīng)合山至南寧高速公路K15+460～K15+580右側(cè)路塹為研究對象，分析降雨作用下邊坡的水位線、孔隙水壓力及穩(wěn)定性情況，并基于極限平衡理論，建立降雨入滲模型，利用GEOSTUDIO軟件對邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)進行求解。結(jié)果表明：降雨時長與邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系密切，不同的降雨時段邊坡的水位線變化和孔隙水壓力變化不同；降雨作用下邊坡滑動面由裂縫處向巖土體交界處貫通；通過裂縫處理與坡面排水措施、設(shè)置支擋工程、優(yōu)化邊坡坡率、做好坡腳和坡頂防護以及邊坡監(jiān)測工作，可有效解決降雨作用下的邊坡穩(wěn)定性問題。

關(guān)鍵詞：降雨條件；邊坡；滑坡；滑動面；穩(wěn)定性

中文分類號：U416.1+6A190583

0引言

我國南部地區(qū)年降雨量較大，并且降雨時間較長。在公路建設(shè)過程中難免遇到不良地質(zhì)，這些地段巖體風化嚴重，其構(gòu)成的邊坡穩(wěn)定性差。開挖導致邊坡失穩(wěn)［1-2］或穩(wěn)定性降低［3］，在降雨的作用下，邊坡的穩(wěn)定性進一步降低，發(fā)生滑坡，嚴重影響工程進度和周邊群眾的人身財產(chǎn)安全［4-5］，而降雨入滲作為邊坡失穩(wěn)的重要誘因一直受到人們的關(guān)注。因此，對降雨條件下邊坡水位線和孔隙水壓力的變化研究對邊坡的防護和治理具有理論和實際意義。不同的降雨條件下，邊坡的入滲條件是不同的［6-7］。當降雨強度小于邊坡土體入滲率時入滲率與坡度和雨強有關(guān)，當降雨時間進一步增加時坡體入滲能力降低，當降雨時間達到一定階段時入滲率進一步降低且坡面形成積水。因而，合適的降雨邊界條件對分析邊坡的穩(wěn)定性以及邊坡含水率變化是非常重要的。

本文以我國南部地區(qū)一個土體和風化巖體的邊坡為研究對象，以邊坡發(fā)生破壞的降雨特征和地下水水位情況作為邊坡的邊界條件，來分析降雨作用下邊坡的水位線和穩(wěn)定性系數(shù)變化情況。降雨邊界條件根據(jù)降雨強度和降雨時間與土體入滲率的關(guān)系確定，基于GEO-STUDIO軟件的SEEP/W模塊來對降雨作用下邊坡的水位線和孔隙水壓力變化進行模擬。邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)利用SLOPE/W模塊來進行求解，求解過程中的孔隙水壓力情況基于SEEP/W模塊計算結(jié)果。同時，基于GEO-STUDIO軟件的模擬結(jié)果提出相應(yīng)的邊坡處治措施，為類似工程提供參考。

1研究區(qū)概況

柳州經(jīng)合山至南寧高速公路K15+460～K15+580段右側(cè)路塹位于柳南區(qū)洛滿鎮(zhèn)龍范村，原設(shè)計為整體式路基，設(shè)計高程為314.36～316.52 m。坡體地表分布殘坡積黏土、崩坡積塊石，厚度變化較大，下伏主要地層巖性為石炭系下統(tǒng)大塘階（C1d）頁巖、砂巖、灰?guī)r。

2021年4月該路塹邊坡發(fā)生變形滑移，坡頂產(chǎn)生裂縫，后緣裂縫超出坡頂截水溝約6 m；裂縫最大寬度約20 cm，形成約20 cm高差錯臺。此次變形范圍距離坡頂房屋最近水平距離約40 m，尚未牽引至村莊。2022年6月，邊坡所在區(qū)域接連發(fā)生特大暴雨，大量集中的地表水滲入坡體，使坡體形成了較大規(guī)模的滑坡變形。邊坡上部3座房屋開裂，房屋裂縫走向一致，大致與公路平行。若不及時治理，滑坡一旦產(chǎn)生急劇整體滑動，將嚴重威脅高速公路的正常運營，給群眾的生命財產(chǎn)造成巨大損失。

研究區(qū)屬亞熱帶季風氣候，氣候特點是夏長冬短，年平均降水量為1 514.1 mm，年降水量最大值為2 447.9 mm，年暴雨（gt;50 mm）天數(shù)為5.2 d，最大月降雨量為634.4 mm，最大日降雨量為307.9 mm，最大小時降雨量為105.2 mm。本次勘查各鉆孔均見有地下水，測得穩(wěn)定水位埋深為4.80～37.00 m，根據(jù)地下水賦存、分布特征及區(qū)域水文地質(zhì)資料評價，地下水水量中等，對滑坡影響較大。

2邊坡模型

根據(jù)地質(zhì)勘探資料和現(xiàn)場滑坡情況，研究區(qū)滑坡產(chǎn)生的原因主要為降雨和地下水。因而，本文將分別考慮降雨、地下水對邊坡邊界條件的影響，并基于極限平衡理論對研究區(qū)的邊坡穩(wěn)定性進行評價。

2.1降雨入滲模型

當降雨強度大于坡面入滲速率時，會在坡面形成積水，且坡面的入滲速率隨著坡面含水率的增加也會越來越慢；當降雨強度小于土體的滲透系數(shù)時，雨水滲入坡面，入滲速率為降雨強度。坡面的降雨入滲速率i1等于坡面的法向降雨強度，可以表示為：

i1=qcos α（1）

式中：q——降雨強度（mm/h）；

α——邊坡坡率。

當降雨達到一定程度入滲能力降低，則可以表示為：

i2=kszfcosα+sfzf（2）

式中：zfcosα——坡面至濕潤鋒面處的總水頭差（m）；

sf——濕潤鋒面的平均基質(zhì)吸力（N/cm2）；

zf——入滲深度（m）。

當坡面即將產(chǎn)生積水時，入滲速率ip為降雨強度p。

ip=p=qcosα=kszfpcosα+sfpzfp（3）

式中：ip——臨界土體入滲率（cm/h）；

zfp——臨界濕潤鋒面深度（m）；

sfp——臨界濕潤鋒面處的平均基質(zhì)吸力（N/cm2）。

當坡面產(chǎn)生積水，此時土體入滲速率i3如式（4）所示：

i3=kszf2cosα+sf2zf2（4）

式中：zf2——坡面積水后某時刻的濕潤鋒面的深度（m）；

sf2——坡面積水后某時刻濕潤鋒面的平均基質(zhì)吸力（N/cm2）。

土體入滲率如式（5）所示：

i=kszf+hf+Hzf（5）

式中：i——土體入滲率（m/s）；

hf——基質(zhì)吸力水頭（m）；

H——地表的積水深度（m）。

2.2邊坡穩(wěn)定性計算模型

基于Fellenius理論并結(jié)合降雨入滲模型，可以得到降雨條件下邊坡穩(wěn)定性分析模型，如式（6）所示：

K=∑（（（hi-h′i）γ+h′iγsat）cos α tan φ′）+cL∑（（hi-h′i）γ+h′iγsat）sin α（6）

式中：γ——土體重度（kN/m3）；

γsat——土體的飽和重度（kN/m3）；

h′i——某土體降雨入滲深度（m）；

hi——土體的高度（m）；

φ——土體的有效內(nèi)摩擦角（kPa）；

L——滑動面的長度（m）；

c——土體的粘聚力（kPa）。

假設(shè)濕潤鋒平行于坡面，降雨入滲深度距離滑動面深度為S1，入滲深度距離坡面部分距離為S2，則：

S1=D-h′itan αh2（7）

S2=Dh2-S1（8）

綜上所述，則：

K=（（S1γ+S2γsat）cos α tan φ′）+cL（S1γ+S2γsat）sin α（9）

式中：D——邊坡在水平方向的長度（m）。

2.3模型的建立

基于上述模型，利用GEO-STUDIO軟件來對邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)進行求解。邊坡的降雨條件根據(jù)式（1）、式（2）、式（4）、式（5）確定，并利用SEEP/W模塊添加到邊坡坡面。

邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)基于Fellenius理論，并結(jié)合降雨邊界條件確定。邊坡的邊界條件分別為降雨條件和地下水水位條件，固定邊坡左右兩側(cè)邊界及底部邊界。邊坡的計算模型如圖1所示。

圖1中的網(wǎng)格的單元格尺寸為1 m，共有12 078個節(jié)點、11 979個單元。圖1中由上往下的巖土體材料分別為粉質(zhì)黏土、強風化粉砂質(zhì)泥巖和中風化粉砂質(zhì)泥巖。不同巖土體的物理參數(shù)如表1所示。

3計算結(jié)果及分析

3.1模型計算結(jié)果

基于SEEP/W模塊進行邊坡降雨入滲模擬，降雨初期、中期和后期的入滲深度如下頁圖2所示。

從圖2可以看出，降雨初期邊坡的裂縫處、粉質(zhì)黏土與泥巖接觸面以及坡腳處的水位線變化比較明顯；坡腳處的孔隙水壓力最大，裂縫處的孔隙水壓力次之。降雨中期，裂縫處、接觸面以及坡腳處的水位線變化更為明顯，坡腳處的水位線變化最為明顯，接觸面次之，裂縫處的水位線變化小于前兩者，邊坡其他部位的水位線變化最??；坡腳的孔隙水壓力最大，接觸面和裂縫處差別不大，而邊坡其他部位孔隙水壓力最小。降雨后期，坡腳的水位線變化最大，邊坡1/3處（坡腳方向，包含接觸面）的水位線變化較大，裂縫到坡頂處水位線變化次之；同時，孔隙水壓力的變化規(guī)律與水位線的變化規(guī)律一致，均表現(xiàn)出坡腳、裂縫處、接觸面和坡頂周邊變化較大。

隨著水位線與孔隙水壓力的變化，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)也隨之改變，邊坡滑動面計算結(jié)果如下頁圖3所示。

基于SLOPE/W模塊對邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)進行求解，過程中孔隙水壓力情況則基于SEEP/W模塊模擬結(jié)果求解。經(jīng)過計算得到：降雨初期邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.02，降雨中期邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為0.91，降雨后期邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為0.75。

3.2結(jié)果分析

通過邊坡孔隙水壓力與水位線的變化情況可以發(fā)現(xiàn)，邊坡的坡腳處、粉土與泥巖的接觸面以及裂縫處的孔隙水壓力最大且水位線變化最大?？紫端畨毫υ酱?，土體的抗剪強度越低，土體越容易發(fā)生破壞［8］。降雨初期，邊坡最大的安全隱患在于裂縫處、坡腳處以及接觸面，此時極有可能形成一條由裂縫到巖土體接觸面的滑動面。隨著降雨歷時的增加，裂縫靜水壓力不斷增加，而邊坡坡腳處發(fā)生破壞的概率和范圍也逐漸增加，滑動面受到了后推前拉的力，邊坡失穩(wěn)的可能性進一步增加。隨著降雨的持續(xù)，邊坡坡頂?shù)暮室搽S之增加，坡頂可能產(chǎn)生新的滑坡，并進一步有助于滑坡的發(fā)生。坡腳處發(fā)生破壞的范圍進一步增加，滑動面下滑的阻力進一步減小，邊坡失穩(wěn)的風險不斷增加。

根據(jù)現(xiàn)場勘探資料顯示，滑動面位于粉砂巖與泥巖的交界面，進口為邊坡上部的裂縫，與本文模擬結(jié)果一致。另外，邊坡含水率與水位線的變化也符合邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律，說明對于滑坡的防治必須做好坡腳的加固與坡體的抗滑。根據(jù)邊坡水位線變化情況可以發(fā)現(xiàn)，在長時間的降雨過程中還需要對坡頂做好相應(yīng)的處治。

4邊坡防治技術(shù)

4.1裂縫處理與坡面排水措施

坡面的降雨入滲是引起邊坡失穩(wěn)的重要誘因，而坡面裂縫處的水位和孔隙水壓力對降雨入滲響應(yīng)比較明顯。因而，邊坡防治必須對坡面裂縫進行回填并做好封閉處理。另外，完善邊坡的排水系統(tǒng)，做好坡面和坡體的排水工作，保證坡面積水和坡體滲水能夠順利排出。主要措施為：在滑坡周邊設(shè)置截水溝，以攔截和疏導坡面積水；在滑坡前設(shè)置盲溝，排疏滑坡體內(nèi)部滲水。

4.2設(shè)置支擋工程

根據(jù)模擬結(jié)果和勘探結(jié)果，發(fā)現(xiàn)滑動面基本貫通。為了保證邊坡前緣高速公路的安全運營，必須對邊坡設(shè)置支擋抗滑樁，以增加邊坡的抗滑力，提高邊坡的穩(wěn)定性。

4.3優(yōu)化邊坡坡率

根據(jù)式（9）可以發(fā)現(xiàn)，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)與邊坡的坡率關(guān)系密切。邊坡坡率越大，邊坡的穩(wěn)定性越差。因而，為了提高邊坡的穩(wěn)定性可以在工程要求的合理范圍內(nèi)減小邊坡坡率。

4.4做好坡腳和坡頂防護

坡腳是降雨導致邊坡最容易發(fā)生破壞的部位，對坡腳的防護工作至關(guān)重要。根據(jù)施工現(xiàn)場開挖情況，可以通過回填反壓的方法來加固坡腳，以提高邊坡的穩(wěn)定性。另外，坡頂處可以適當增加柔性防護材料來減少降雨入滲情況，以減小坡頂變化對滑動面的影響。

4.5做好邊坡監(jiān)測工作

為了實時了解邊坡滑移情況，必須做好邊坡的監(jiān)測工作。邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)主要包括：（1）邊坡表面水平位移和垂直位移；（2）抗滑樁的樁身應(yīng)力監(jiān)測。邊坡的位移監(jiān)測可以通過GNSS自動化監(jiān)測方式實時監(jiān)測，并實時獲取監(jiān)測點的水平位移和垂直位移資料?？够瑯稑渡響?yīng)力監(jiān)測采用振弦式鋼筋應(yīng)力計監(jiān)測。

5結(jié)語

（1）降雨時長與邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系密切，不同的降雨時段邊坡的水位線變化和孔隙水壓力變化是不同的。降雨初期，邊坡水位線和孔隙水壓力變化主要集中于邊坡裂縫、坡腳和不同巖層交界處。降雨中期，裂縫處的邊坡水位線和孔隙水壓力變化要小于坡腳和不同巖層交界處。降雨后期，邊坡坡頂?shù)乃痪€和孔隙水壓力變化也發(fā)生明顯變化。

（2）降雨作用下邊坡的破壞主要從邊坡裂縫處、坡腳處和巖土體交界處開始，滑動面由裂縫處向巖土體交界處貫通。

（3）根據(jù)降雨條件下邊坡發(fā)生滑坡的誘因、破壞部位和滑動面情況，提出了邊坡防滑的綜合處治技術(shù)。主要包括：裂縫處理與坡面排水措施、設(shè)置支擋工程、優(yōu)化邊坡坡率、做好坡腳和坡頂防護及邊坡監(jiān)測工作等。

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作者簡介：韓偉（1992—），碩士，工程師，研究方向：巖土工程。