考慮降雨入滲的高邊坡開挖支護穩(wěn)定性分析

阮浩東 鄭曉東 付建寶 沈一鳴 趙逸博

摘 要：【目的】為研究降雨入滲對多級開挖支護后高邊坡的穩(wěn)定性，針對四川達(dá)州市某高邊坡工程，基于ABAQUS軟件并結(jié)合現(xiàn)場工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，建立高邊坡開挖降雨滲流模型。【方法】考慮不同降雨條件的影響，引入多層非飽和土計算方法，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測情況，對降雨工況進行研究，進而研究非飽和土邊坡的穩(wěn)定性。【結(jié)果】研究結(jié)果表明，孔隙水壓、邊坡位移與降雨強度和降雨持續(xù)時間呈正相關(guān)，長時間高強度降雨易使多級開挖的高邊坡產(chǎn)生較大滑移?！窘Y(jié)論】建議采取邊開挖邊支護的施工措施。研究成果可為高邊坡多級開挖支護的穩(wěn)定性研究提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：高邊坡；穩(wěn)定性分析；降雨入滲；多層非飽和土；現(xiàn)場監(jiān)測；數(shù)值模擬

中圖分類號：U416.1???? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A???? 文章編號：1003-5168（2024）08-0054-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.08.011

Analysis of High Slope Excavation Support Stability Considering

Rainfall Infiltration

RUAN Haodong1，2，3 ZHENG Xiaodong1，2 FU Jianbao3，4，5，6 SHEN Yiming1，2 ZHAO Yibo1，2，3

（1.College of Water Resources and Hydropower， Hebei University of Engineering， Handan 056001， China;

2.Hebei Key Laboratory of Intelligent Water Conservancy， Hebei University of Engineering， Handan 056038， China; 3.CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.， Ltd.， Tianjin 300222， China; 4. Key Laboratory of Geotechnical Engineering of Ministry of Communications， Tianjin 300222， China; 5. Key Laboratory of Geotechnical Engineering of Tianjin， Tianjin 300222， China; 6.Tianjin Key Laboratory of Port Geotechnical Engineering Technology， Tianjin 300222， China）

Abstract： [Purposes] In order to study the stability of the high slope after multi-stage excavation and support， a high slope project in Dazhou City， Sichuan Province was established based on ABAQUS software and combined with the site engineering geology and hydrogeological conditions. [Methods] Considering the influence of different rainfall conditions， the calculation method of multilayer unsaturated soil is introduced， and combined with the field monitoring， the rainfall condition is studied， and the stability of unsaturated soil slope is summarized. [Findings] The results show that the pore water pressure and slope displacement are positively correlated with rainfall intensity and rainfall duration， and long-term high intensity rainfall is prone to large slip in multi-stage excavated high slope. [Conclusions] It is suggested to take the construction measures of excavation and support. The results can provide some theoretical reference for the stability research of multi-stage excavation support of high slope.

Keywords： high slope; stability analysis; rainfall infiltration; multi-layer unsaturated soil; field monitoring; numerical simulation

0 引言

近年來，人工邊坡的高度和面積逐漸增加，加上復(fù)雜多變的工程地質(zhì)條件和降雨等特殊工況，由降雨入滲造成的邊坡失穩(wěn)和破壞情況并不少見。如陳家灣溝滑坡［1］、云南紅河滑坡均揭示了降雨入滲是導(dǎo)致非飽和土邊坡失穩(wěn)的主要因素之一［2-3］。

對于降雨工況下邊坡穩(wěn)定性的研究方式主要包括數(shù)值建模和試驗?？子綮车龋?］分析了降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性的影響，進行了有限元模擬計算。李煥強等［5］研究了不同因素對邊坡穩(wěn)定性的影響，得出了降雨入滲條件下土體含水率的變化規(guī)律。史振寧等［6］通過試驗并結(jié)合非飽和土抗剪強度理論及極限平衡理論，得到降雨入滲條件下土質(zhì)邊坡淺層穩(wěn)定性的計算方法。呂波等［7］采用Midas-GTS/NX，分析了四川盆地某懸崖墓墳邊坡的穩(wěn)定性，結(jié)果表明，邊坡在自然狀態(tài)下較穩(wěn)定，進行錨索加固后安全系數(shù)顯著提高。在降雨條件下，邊坡的降雨強度、持續(xù)時間和土壤分布對邊坡的穩(wěn)定性有不同程度的影響。許方領(lǐng)等［8］利用ABAQUS有限元軟件，建立了二維非飽和土邊坡數(shù)值模型，發(fā)現(xiàn)邊坡孔隙壓力、飽和度等因降雨入滲而增大。張南楠［9］通過土工試驗和數(shù)值模擬方法，揭示了土質(zhì)高陡邊坡失穩(wěn)因素包括巖土體特征和坡面形態(tài)兩個內(nèi)因，以及降雨和人類工程活動等外因。

本研究以四川省達(dá)州市某高邊坡項目為例，通過數(shù)值分析，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析降水入滲條件下高邊坡施工過程的剪切變形和滑坡位移情況，重點對不同層級邊坡的穩(wěn)定性進行研究，為降雨工況下邊坡安全防護提供參考。

1 工程概況

擬建場區(qū)位于達(dá)州市西外蓮花湖片區(qū)，具體情況如圖1所示。場區(qū)距北側(cè)道路約0.2 km，場平標(biāo)高311.0～330.0 m，場地南側(cè)、東側(cè)及北側(cè)原始地面標(biāo)高為315.0～400.0 m，因此經(jīng)場平作業(yè)后將形成50～80 m高的人工邊坡。全市雨量充沛，年平均降雨量為1 080～1 638 mm，日最大降水量為52～96 mm。

2 參數(shù)及模型建立

2.1 土—水特征曲線

通過室內(nèi)試驗測試，獲得粉質(zhì)黏土、強風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化泥巖的土層參數(shù)，見表1。在飽和—非飽和滲流中的曲線通常由Van Genuchten擬合確定［10］，得出土—水特征曲線如圖2所示。

2.2 高邊坡有限元模型

邊坡設(shè)計最大高度為78.43 m，分三級邊坡呈臺階狀，第一、二級高10 m，平臺寬2 m。土層劃分從上至下，層級為粉質(zhì)黏土、強風(fēng)化泥巖和中風(fēng)化泥巖。根據(jù)實際勘測資料，設(shè)置地下水位在高邊坡底部1.4 m深處，模型尺寸如圖3所示。

第二級邊坡采用格構(gòu)梁加錨桿支護如圖4（a）所示，第三級邊坡采取先開挖后支護的措施［11-12］，支護高43.5 m，寬2.5 m，錨索單根長15～22 m。錨桿直徑150 mm，錨桿長度13.0～22.0 m，錨固段施加預(yù)緊力300 kN，坡率1∶0.5。數(shù)值模型參數(shù)見表2。

因邊坡結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為提高計算效率，對部分區(qū)域進行網(wǎng)格加密，進行降雨模擬時根據(jù)坡率設(shè)置雨量。為了獲得降雨過程中坡體內(nèi)的滲流變化規(guī)律，在模型中設(shè)置3個監(jiān)測點，如圖4（b）所示。其中監(jiān)測點A、B和C分別對應(yīng)圖中三個不同分級的邊坡位置，分別用于監(jiān)測降雨滲流過程中孔隙水壓力及坡體表面位移的變化過程［13］。

2.2.1 無錨桿多級開挖。通過ABAQUS軟件進行計算，觀察塑性應(yīng)變圖，判斷模型是否收斂［14］。本研究將位移不迭代收斂以及邊坡產(chǎn)生突變性作為邊坡失穩(wěn)破壞的根據(jù)。無錨桿開挖情況如圖5所示。由圖5可知，沒有進行錨桿支護的邊坡模型計算不收斂，無法滿足后續(xù)開挖工作要求。為了防止第一級開挖邊坡導(dǎo)致模型不收斂的情況發(fā)生，需要對易發(fā)生滑坡層設(shè)置坡面網(wǎng)噴。

2.2.2 網(wǎng)噴支護設(shè)計。噴射混凝土面板采用C25混凝土，厚度為150 mm，與邊坡模型等長。網(wǎng)噴支護多級開挖如圖6所示。設(shè)置網(wǎng)噴支護開挖后第二層邊坡最大位移值為7.1 mm。在進行第三級開挖后，邊坡的位移值有所增加，最大值為10.07 mm。網(wǎng)噴支護對存在滑移現(xiàn)象的高邊坡工程起到了良好的防治效果。若要滿足降雨工況下的要求還應(yīng)施加錨桿加固邊坡。

2.3 工況設(shè)計

由于本研究以實際工程為例，所以高邊坡自身的坡高、坡比、巖性為已知因素。根據(jù)現(xiàn)場施工方案，將降雨工況分為9步。模擬工況見表3。

根據(jù)往年氣象資料顯示，工程所在地最大日降雨量為96 mm/d，按照該地區(qū)氣象資料進行降雨條件設(shè)置，具體降雨條件設(shè)計方案見表4。

3 結(jié)果分析

3.1 孔隙水壓分析

邊坡三個位置監(jiān)測點的孔隙水壓力變化曲線如圖7所示。由圖7（a）可知，隨著前7 d降雨的不斷持續(xù)，坡面的孔隙水壓力逐漸增大，第9 d時開始呈下降趨勢，但始終為負(fù)值，即坡面部位始終處于非飽和狀態(tài)。由圖7（b）可知，不同降雨強度下，不同坡深孔隙水壓力趨勢基本相似。一級邊坡水隨降雨不斷向下滲流，使得三級邊坡土層首先達(dá)到飽和，故滲流現(xiàn)象主要發(fā)生在一級邊坡，導(dǎo)致巖層孔隙壓力持續(xù)增大，降雨21 d后達(dá)到最大值。由圖7（c）可知，位于第三級邊坡的孔隙水壓力隨著降雨時長的增加逐漸增大，并達(dá)到飽和狀態(tài)。從監(jiān)測點A處的土體含水率和基質(zhì)吸力的大小關(guān)系，可以看出兩者呈負(fù)相關(guān)。

3.2 位移分析

因所在區(qū)域大雨情況較為常見，因此選取46 mm/d降雨工況作為降雨時長穩(wěn)定性分析。分別施加168 h、336 h、504 h的不同降雨時長，以進行邊坡穩(wěn)定性分析。

邊坡滑動位移大小能夠直觀地反映邊坡穩(wěn)定性情況。監(jiān)測點豎向位移如圖8所示。當(dāng)降雨時長為168 h時，邊坡豎向位移最大值為2.5 mm；當(dāng)降雨時長為336 h時，邊坡豎向位移最大值為2.85 mm；當(dāng)降雨時長為504 h時，邊坡豎向位移最大值為3.05 mm。以上3種降雨工況最大位移值均在監(jiān)測點A處，故監(jiān)測點A處坡體受降雨影響最嚴(yán)重。監(jiān)測點C在3種降雨工況下豎向位移較小，故坡底位置相對較為穩(wěn)定。隨著降雨的持續(xù)，邊坡位移只有細(xì)微的變化，可見在相同降雨時長情況下，高邊坡位移變化主要受開挖影響。大雨工況下監(jiān)測點A和B的位移發(fā)生了陡增，其原因是坡體表層土體吸水膨脹，監(jiān)測點處產(chǎn)生向坡外的位移。僅有第一級邊坡的土體豎向位移較大，說明針對降雨工況多級邊坡的錨桿支護措施較為有效。

監(jiān)測點水平位移如圖9所示。由圖9可知，降雨一段時間后，各監(jiān)測點水平位移存在負(fù)值，可能是由于水壓力的存在，測點發(fā)生水平移動。而處于監(jiān)測點B的水平位移最大，究其原因可能由于邊坡較高，一級邊坡豎向位移在降雨后變化較大，導(dǎo)致二級邊坡處存在相對位移。

3.3 穩(wěn)定性分析

兩種工況下降雨后高邊坡的塑性區(qū)分布如圖10所示。其中，無支護降雨塑性區(qū)分布如圖10（a）所示，可以看出邊坡潛在滑移面位于第一級邊坡。支護后降雨塑性區(qū)分布如圖10（b）所示，邊坡塑性區(qū)從第一級邊坡移動至第三級邊坡，邊坡滑移面下移明顯，隨著降雨時長的增加，邊坡塑性帶分布逐漸擴大，其中降雨504 h后邊坡塑性帶擴張幅度最大，邊坡穩(wěn)定性最低。受降雨入滲影響，邊坡發(fā)生滑移破壞的可能性也隨之增加。

不同降雨工況的邊坡安全系數(shù)變化如圖11所示。降雨時長168 h后的邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)為1.32；降雨時長336 h后的邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)為1.30，降雨504 h后的邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)為1.28。

4 結(jié) 論

本研究依托實際工程，并通過ABAQUS軟件對降雨入滲高邊坡多級開挖支護前后的邊坡情況進行模擬。根據(jù)邊坡實際開挖方式擬定支護措施，分析了不同降雨工況下降雨入滲對加固后邊坡孔隙水壓力、邊坡位移及邊坡穩(wěn)定性的影響，主要得出以下結(jié)論。

①第一級邊坡的孔隙水壓力隨著降雨強度的增大而增加，之后隨著含水量的減少，壓力逐漸降低；第二級邊坡的孔隙水壓力隨時間變化不大；第三級邊坡的孔隙水壓力受降雨的影響最大。降雨強度越大，其負(fù)孔壓的增加量越大，坡角處應(yīng)力集中范圍越大。

②邊坡位移隨著降雨時長的增加而增大，邊坡最大總位移位于一級邊坡上。3種降雨工況下一級邊坡位移最大。

③在降雨作用下，未加固邊坡位移比加固邊坡的位移變化明顯，加固后邊坡的滑移面與加固前不再相似，其形狀變化與加固結(jié)構(gòu)的形式有較大關(guān)系。邊坡整體的穩(wěn)定性系數(shù)隨降雨時長與降雨強度的增加而降低。

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收稿日期：2023-08-22

基金項目：博士后專項基金項目（SJ200100105）；國家重點實驗室項目（2019KFKT-15）；河北省自然科學(xué)基金（E2020402087）；河北省水利科研與推廣計劃項目（2020-11）。

作者簡介：阮浩東（1996—），男，碩士生，研究方向：水利工程；鄭曉東（1983—），男，博士，副教授，研究方向：水利工程。