地下水對(duì)公路陡坡高填方路堤滑坡影響的分析

摘要：文章聚焦地下水對(duì)公路陡坡高填方路堤滑坡的影響，分析在地下水的作用下，高填方路堤滑坡的誘發(fā)機(jī)理和發(fā)展過(guò)程，以及滑坡前后土體力學(xué)性質(zhì)和參數(shù)的變化。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、室內(nèi)試驗(yàn)成果、穩(wěn)定性評(píng)估與參數(shù)反演分析，并結(jié)合數(shù)值模擬，揭示了地下水對(duì)路堤滑坡前后土體的影響規(guī)律，以及滑坡后路堤內(nèi)部的變形特征與應(yīng)力分布特征。研究發(fā)現(xiàn)，合理考量地下水作用及其滲透壓力對(duì)路堤穩(wěn)定性評(píng)估結(jié)果的安全系數(shù)具有積極影響；地下水對(duì)土體的不利影響主要體現(xiàn)為使其物理力學(xué)性質(zhì)趨于惡化，并且對(duì)其黏聚力的影響大于內(nèi)摩擦角，而對(duì)土體原有結(jié)構(gòu)基本無(wú)破壞；滑坡后滑面（帶）內(nèi)黏土的殘余黏聚力損失較大，而殘余內(nèi)摩擦角的損失則相對(duì)較小。

關(guān)鍵詞：地下水；高填方路堤；室內(nèi)試驗(yàn)；數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：U416.1；P642.22" " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " 文章編號(hào)：1674-0688（2024）09-0087-05

0 引言

每年雨季，山區(qū)公路的部分高填方路堤常遭受沉降變形甚至滑坡的威脅，這些災(zāi)害一旦發(fā)生，將對(duì)路面結(jié)構(gòu)造成損害，使交通運(yùn)行受到干擾，并帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)損失。目前，針對(duì)路堤邊坡穩(wěn)定性的評(píng)估，一般采用基于理論力學(xué)的極限平衡法和有限元法等［1］ ?，F(xiàn)有研究廣泛探討了不同計(jì)算方法和工程因素對(duì)路堤穩(wěn)定性的影響，例如薛雷等［2］利用強(qiáng)度折減法計(jì)算非均質(zhì)邊坡的安全系數(shù)，對(duì)比了局部和整體折減的區(qū)別；魏義仙［3］依托實(shí)際工程，基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬，分析在不同填方高度、材料、坡度條件下路基的沉降規(guī)律；張慶飛等［4］研究跨越溝谷區(qū)的高填方路基，通過(guò)數(shù)值模擬，分析沖溝兩側(cè)岸坡坡度、溝底寬度、溝底縱坡對(duì)路基沉降變形及填方路基邊坡穩(wěn)定性的影響；鄭敏敏［5］采用有限元分析法分析降雨條件下水敏性高填方路基邊坡的穩(wěn)定性，探究路基的體積含水率和孔隙水壓力的變化規(guī)律。雖然已有大量研究聚焦于路堤穩(wěn)定性的計(jì)算方法、應(yīng)力分布及變形特征，并分析了地下水對(duì)路堤穩(wěn)定性的影響，但是關(guān)于地下水在路堤滑坡發(fā)生前后的具體作用機(jī)制及其對(duì)土體物理、力學(xué)性質(zhì)變化的深入研究較少。本文基于某山區(qū)高速公路溝谷型高填方路堤案例，綜合運(yùn)用數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、室內(nèi)試驗(yàn)、穩(wěn)定性計(jì)算與參數(shù)反演計(jì)算等手段，探討在地下水作用下高填方路堤滑坡的成因機(jī)制、發(fā)展過(guò)程以及滑坡前后土體性質(zhì)的變化。此外，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立高填方路堤的三維數(shù)值模型，進(jìn)一步分析滑坡后路堤內(nèi)部的變形特征與應(yīng)力分布特征，以期為山區(qū)公路高填方路堤的設(shè)計(jì)與防護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

山區(qū)某高速公路位于剝蝕丘陵地帶，路線呈南北走向，地勢(shì)東高西低，其東南與東北方的兩側(cè)分別發(fā)育有2條沖溝，向西延伸并最終在坡腳匯合成一處典型的“喇叭口”地形（見(jiàn)圖1）。

項(xiàng)目原始場(chǎng)地自上而下的巖土層如下：①第四系沖洪積黏土層，呈可塑狀，厚度為1.0～4.0 m；②殘坡積層黏土層，呈硬塑狀，厚度為2.2～8.3 m；③泥盆系中風(fēng)化灰?guī)r。路堤填筑于沖溝之上，最大填方高度約40.8 m，地面橫坡為1∶1.5～1∶1.3，屬高填方、陡坡型路基。

項(xiàng)目于2018年底完成路堤的詳細(xì)地質(zhì)勘察，于2020年5月完成填筑工作，2021年底開(kāi)始通車(chē)運(yùn)營(yíng)。然而，在2022年6月上旬經(jīng)過(guò)連續(xù)的降雨之后，路堤開(kāi)始出現(xiàn)縱向裂縫；至6月中旬，裂縫逐漸加寬、擴(kuò)展并相互貫通，同時(shí)伴隨有明顯的沉降、鼓脹、隆起及側(cè)向位移等變形現(xiàn)象；至6月下旬，沉降與滑移繼續(xù)擴(kuò)大，最終發(fā)展為滑坡事件。針對(duì)此災(zāi)害，相關(guān)單位及時(shí)展開(kāi)了專(zhuān)項(xiàng)勘察工作。

該路堤原地表水排水體為3條斜坡沖溝，經(jīng)填筑后，主要排水體變?yōu)榕判菇涤陞R流的排水溝和截水溝，地表水調(diào)查情況見(jiàn)表1。

場(chǎng)地地下水類(lèi)型主要包括孔隙水和巖溶裂隙水。其中，孔隙水主要存于填土中，富水性較弱；巖溶裂隙水則賦存于溶蝕裂隙及溶洞中，屬承壓水，富水性中等。路基病害勘察期間鉆孔內(nèi)孔隙水水位見(jiàn)表2。

2 滑坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)

2.1 滑坡要素特征

滑坡整體輪廓清晰，呈倒三角形沿喇叭形沖溝分布，后緣特征為錯(cuò)落臺(tái)階與拉張裂縫，中部有數(shù)條拉張裂縫，前緣因擠出變形而隆起，形成明顯的剪出口，屬推移式滑坡?；轮黧w滑動(dòng)方向約300°，主軸延伸長(zhǎng)約95 m，橫向?qū)捈s320 m。結(jié)合鉆探及測(cè)斜數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，病害路段發(fā)育有一個(gè)主滑動(dòng)面，該滑動(dòng)面呈弧形，上部穿透填土層，中、下部則沿基巖面滑動(dòng)，滑動(dòng)面（帶）的深度為8～22 m。測(cè)斜孔剖面圖如圖2所示。

2.2 滑坡機(jī)理分析

首先，路基填筑于沖溝與天然斜坡之上，自然形成匯水條件及新的臨空面；其次，路堤填筑后形成上大下小的結(jié)構(gòu)，并且車(chē)輛通行在坡頂產(chǎn)生動(dòng)態(tài)荷載，地質(zhì)條件與人類(lèi)活動(dòng)兩方面因素共同構(gòu)成了路堤滑坡的引發(fā)條件。

降雨成為滑坡的觸發(fā)因素，其中部分雨水在地表重力的作用下匯聚至路堤后緣，因排泄不及時(shí)而滲入路堤內(nèi)部后，浸泡、軟化路堤。同時(shí)，另一部分雨水滲入土坡，同樣造成土體軟化，使其力學(xué)性能降低，從而降低了路堤的安全系數(shù)，直至引發(fā)滑坡［6］。

2.3 滑動(dòng)面參數(shù)反算

為確定滑面（帶）巖土體的參數(shù)值，利用詳細(xì)勘察階段的室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合極限平衡條件下的簡(jiǎn)化Bishop法進(jìn)行計(jì)算。該方法充分考慮了地下水作用及滲透壓力的影響，利用滑坡發(fā)生后處于欠穩(wěn)定狀態(tài)下的安全系數(shù)Fs，反演計(jì)算滑面（帶）參數(shù)，計(jì)算公式如下：

[Fs=c'iΔXi+（γihi-γwhwi）ΔXimθiQicosθi+γihiΔXisinθi，]" " "（1）

其中：i為計(jì)算條塊編號(hào)， c為條塊滑面的黏聚力；[?]為條塊滑面的內(nèi)摩擦角；γ為條塊土體重度；γw為條塊水重度；h為條塊高度；hw為條塊滑面前端水頭的高度；θ為條塊滑面的傾角，滑面傾向與滑動(dòng)方向一致時(shí)取正值，相反時(shí)則取負(fù)值；Q為條塊滑面單位寬度的自重；l為條塊滑面的長(zhǎng)度；W為條塊單位寬度的自重；u為條塊滑面單位寬度的總水壓力。 式中，[ΔXi=licosθi，Wi≈γhiΔXi，ui=γwhwli，mθi=cosθi+sinθitan?'i/Fs] 。

計(jì)算時(shí)，一般可先假設(shè)[Fs]=0.980，代入公式（1）求出mθ，再將求得的mθ再次代入公式（1）中，通過(guò)設(shè)定初始的c值或j值，交替迭代求解另一參數(shù)，當(dāng)所有條塊的剩余下滑力趨向于0時(shí)停止迭代，得到滑面（帶）的c值和j值。根據(jù)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，一般情況下迭代5～10次即可滿足計(jì)算精度要求，并且上述迭代過(guò)程通常表現(xiàn)出良好的收斂性。根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015），路堤處于變形滑動(dòng)狀態(tài)時(shí)，滑面（帶）反演計(jì)算在正常工況及非正常工況下的安全系數(shù)Fs分別取0.980和0.940，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表4為合理考慮地下水與不考慮地下水時(shí)路堤的穩(wěn)定性計(jì)算對(duì)比。在進(jìn)行路堤穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，必須考慮地下水的作用及其產(chǎn)生的滲透壓力。通過(guò)將孔隙水水位曲線導(dǎo)入計(jì)算模型，反演計(jì)算c值和j值，再將計(jì)算結(jié)果重新代入不考慮地下水作用及滲透壓力影響的計(jì)算模型中，評(píng)估其對(duì)穩(wěn)定性的具體影響。對(duì)比結(jié)果顯示，正常工況與非正常工況的安全系數(shù)相差約15%。對(duì)于山區(qū)公路溝谷型高填方路基而言，準(zhǔn)確測(cè)定地下水水位對(duì)于提高計(jì)算精度以及確保路堤設(shè)計(jì)的成功至關(guān)重要。

表5為路堤填筑前與路堤滑坡后第②層黏土室內(nèi)試驗(yàn)參數(shù)的對(duì)比。路堤填筑后，在附加荷載作用下，土體被壓密，顆粒之間產(chǎn)生壓縮，形成新的致密土體結(jié)構(gòu)，此過(guò)程中部分水體被排出，導(dǎo)致第②層黏土的孔隙比與含水率下降，土粒比重增大，進(jìn)而提升了土體的黏聚力與內(nèi)摩擦角。這一過(guò)程緩慢且持續(xù)，通常2年左右趨于收斂，最終形成新的土體結(jié)構(gòu)及路堤穩(wěn)定體。然而，路堤在遭遇連續(xù)降雨并發(fā)生滑坡后，部分雨水沿地表徑流并匯至后緣，浸泡并軟化路堤；其余雨水則滲入土體，沿巖土界面流動(dòng)，因路堤阻礙導(dǎo)致水體不能沿水平向及時(shí)排泄，此時(shí)，補(bǔ)給量大于排泄量，水體沿裂隙、孔隙滲透，不斷浸泡和軟化土體?；潞?，第②層黏土的黏聚力、內(nèi)摩擦角相較于填筑前均有所降低，表明地下水軟化導(dǎo)致兩者的降低值超過(guò)了前期壓密過(guò)程的增加值，同時(shí)含水率與天然容重上升。盡管如此，滑坡后第②層黏土的土粒比重增大，天然孔隙比減小，說(shuō)明附加荷載壓密形成的新土體結(jié)構(gòu)并未被地下水軟化破壞，或地下水軟化作用對(duì)土體結(jié)構(gòu)影響甚微。由此可知，地下水主要削弱了土體的物理力學(xué)性能，但對(duì)土體基本結(jié)構(gòu)的影響有限。

高填方路堤填筑前與路堤滑坡后，第②層黏土的黏聚力由31.75 kPa減至27.90 kPa，降幅達(dá)12.13%，內(nèi)摩擦角則由20.30°降至19.10°，降幅達(dá)5.91%。在填筑后至滑移期間，黏聚力的降幅明顯大于內(nèi)摩擦角的降幅，表明地下水軟化作用對(duì)黏聚力的影響更顯著。

對(duì)比表5與表3，路堤發(fā)生滑坡后，非滑面（帶）與滑面（帶）的第②層黏土黏聚力分別為27.90 kPa和23.20 kPa，滑坡后的殘余黏聚力損失16.84%；內(nèi)摩擦角分別為19.10°和18.10°，殘余內(nèi)摩擦角損失5.23%，說(shuō)明高填方路堤受地下水影響發(fā)生滑坡后，殘余黏聚力損失較大，而殘余內(nèi)摩擦角損失較小。

2.4 有限元模型

滑坡段高填方路基在填筑完成后的兩年內(nèi)，未出現(xiàn)明顯的開(kāi)裂變形跡象，后因連續(xù)降雨導(dǎo)致巖土體強(qiáng)度參數(shù)c和?有不同程度的衰減，最終引發(fā)了路堤滑坡。故假定原工況為穩(wěn)定狀態(tài)，并以此為基礎(chǔ)，對(duì)比分析滑坡后路堤的移動(dòng)情況，探討地下水對(duì)路堤變形特征及內(nèi)部應(yīng)力分布規(guī)律的影響。

為精確模擬地下水的作用，采用FLAC3D有限元軟件建立滑坡工況下的三維模型，該模型重點(diǎn)考慮了地下水的影響。通過(guò)模型計(jì)算獲取路堤水平、垂直變形量、剪切應(yīng)變及總位移等關(guān)鍵參數(shù)，并將這些計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的路基沉降值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。在模型構(gòu)建中，根據(jù)路基土體的不同性質(zhì)，將路基劃分為3個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域均采用brick單元進(jìn)行精細(xì)劃分。路堤及地下水計(jì)算網(wǎng)格模型示意圖見(jiàn)圖3。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，路堤的水平向位移（滑移）呈現(xiàn)出第一、二級(jí)最大，第三級(jí)次之，第四級(jí)與滑面處位移相對(duì)較小的規(guī)律，表明路堤滑坡的根本機(jī)理是中下部路堤在承受上部路堤的重力作用下產(chǎn)生了滑移。在豎向位移方面，負(fù)位移（沉降）最大值出現(xiàn)在路堤第四級(jí)，第三級(jí)次之，而第二級(jí)則基本保持穩(wěn)定。值得注意的是，坡腳處出現(xiàn)正位移，表現(xiàn)為向上凸起。路基及下部路堤的沉降壓縮是引起路面沉降變形的主要原因，而路面及上部路堤由于承受的荷載較小，因此沉降變形相對(duì)較小。從剪切應(yīng)變的角度來(lái)看，路基的第三、四級(jí)剪切應(yīng)變最小，主要受重力作用的影響，呈現(xiàn)向下推移的趨勢(shì)，屬于牽引段。相反，第二、三級(jí)作為主滑段和阻滑段，其剪切應(yīng)變和位移均達(dá)到最大值，成為應(yīng)力集中區(qū)，也是滑坡產(chǎn)生的薄弱地帶。路堤水平及豎向沉降云圖見(jiàn)圖4，剪切滑動(dòng)應(yīng)變和總位移矢量云圖見(jiàn)圖5。

根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果，針對(duì)路堤不同區(qū)域的水平位移、垂直變形量、剪切應(yīng)變及總位移等矢量云圖所揭示的變形特征，本文提出以下針對(duì)性的加固措施：①坡腳區(qū)域采用反壓堆載、抗滑樁、鋼管樁等加固手段。②路面采用鉆孔注漿等加固技術(shù)。③路堤中部及滑面區(qū)域采用錨桿（索）格梁或注漿樹(shù)根樁等加固方法。

3 工程處治措施

2022年6月底，針對(duì)已通車(chē)運(yùn)營(yíng)的高速公路出現(xiàn)的滑坡風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)施了搶險(xiǎn)性處治措施，并進(jìn)行了全時(shí)段的地表位移及深層位移監(jiān)測(cè)。截至目前，路堤未出現(xiàn)明顯沉降或變形，具體處治方案如下。

（1）即時(shí)反壓措施。為防止滑坡擴(kuò)大，應(yīng)及時(shí)在坡腳處進(jìn)行反壓處理，分層壓實(shí)直至第一級(jí)平臺(tái)的高度，遏制滑坡趨勢(shì)。

（2）積水引排系統(tǒng)。針對(duì)路基左側(cè)低洼處的積水，設(shè)置明溝進(jìn)行引流排放；針對(duì)路基右側(cè)坡體內(nèi)積水問(wèn)題，則在第三級(jí)坡腳處增設(shè)一排深層排水盲溝管，管長(zhǎng)16 m，水平間距控制在4～6 m，并在富水地段適當(dāng)增加排水孔。同時(shí)，對(duì)路基圓管涵排水進(jìn)行接管改造，確保雨水不滲入路基內(nèi)部。

（3）抗滑樁加固。在坡腳位置安裝直徑為1.8 m的抗滑樁，樁中心間距設(shè)為4 m，并通過(guò)冠梁連成整體。

（4）樹(shù)根樁與化學(xué)注漿加固。對(duì)第一、二、三級(jí)路堤采用“樹(shù)根樁+化學(xué)注漿”的方法進(jìn)行加固，樁長(zhǎng)分別為24 m、18 m、15 m，樁組以3.0 m×4.0 m的縱向及垂向間距布置，每組配置3根HRB400鋼筋作為主筋。同時(shí)，利用樹(shù)根樁孔進(jìn)行壓力化學(xué)灌漿，通過(guò)C30鋼筋砼格梁連成整體。

（5）路面垂直鉆孔注漿。在加寬路段進(jìn)行路面垂直鉆孔注漿加固處理，注漿孔按梅花形布置，縱、橫間距均為2.5 m，孔深需穿透原狀穩(wěn)定巖土層以下至少2 m。注漿材料采用強(qiáng)度等級(jí)為P.C42.5的純水泥漿，設(shè)計(jì)水灰比為1∶0.9，并且摻入約3%的速凝劑。

4 結(jié)論

本文基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確定了某山區(qū)高速公路溝谷型高填方路堤的滑面位置與深度，通過(guò)滑坡前后的室內(nèi)試驗(yàn)成果對(duì)比、穩(wěn)定性計(jì)算與參數(shù)反演計(jì)算，深入探討了地下水作用及其滲透壓力對(duì)路堤穩(wěn)定性的影響，主要結(jié)論如下。

（1）在溝谷型高填方路堤穩(wěn)定性計(jì)算中，是否合理考慮地下水作用及滲透壓力，可導(dǎo)致安全系數(shù)相差15%。因此，準(zhǔn)確評(píng)估地下水作用與滲透壓力對(duì)路堤設(shè)計(jì)或處治計(jì)算模型至關(guān)重要。

（2）從路堤填筑完成至滑坡發(fā)生期間，土體經(jīng)歷了兩個(gè)階段：第一階段是填筑附加荷載引起的壓密過(guò)程，第二階段是地下水對(duì)土體的軟化過(guò)程。地下水主要導(dǎo)致土體物理力學(xué)性質(zhì)向不利方向變化，并且其影響程度超過(guò)了填筑體附加荷載的壓密效應(yīng)?；潞?，土體天然容重、含水率及土粒比重增大，而黏聚力與內(nèi)摩擦角則減小，其中黏聚力的降低更為顯著，但對(duì)土體基本結(jié)構(gòu)的影響有限。

（3）滑坡發(fā)生后，高填方路堤滑面（帶）中的第②層黏土的殘余黏聚力損失較大，相比之下，殘余內(nèi)摩擦角的損失較小。

（4）高填方路堤的滑坡模式一般為推移式，其中路面與滑面（帶）區(qū)域水平位移最大，而豎向的最大位移則出現(xiàn)在路基頂部，坡腳處呈現(xiàn)正位移并向上凸起。路基的第三、四級(jí)區(qū)域作為牽引段，剪切應(yīng)變最??；主滑段應(yīng)變最大，阻滑段次之，牽引段最小。

5 參考文獻(xiàn)

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*南寧市“邕江計(jì)劃”青年人才專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目“水敏性軟巖邊坡災(zāi)變智能監(jiān)控及加固處治關(guān)鍵技術(shù)”（RC20230108）。

【作者簡(jiǎn)介】劉彬，男，湖南祁陽(yáng)人，碩士，工程師，研究方向：巖土工程勘察設(shè)計(jì)；李聲虎，男，四川宜賓人，碩士，工程師，研究方向：路基工程；邵羽，男，湖北仙桃人，博士、博士后，高級(jí)工程師，研究方向：邊坡工程災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警及處治技術(shù)。

【引用本文】劉彬，李聲虎，邵羽.地下水對(duì)公路陡坡高填方路堤滑坡影響的分析［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2024（9）：87-91.