強降雨作用下風(fēng)化順層巖質(zhì)高邊坡變形監(jiān)測及穩(wěn)定性分析

為探究風(fēng)化順層巖質(zhì)高邊坡的穩(wěn)定性，文章設(shè)計了不同層狀角和降雨強度下的室內(nèi)模型試驗，對強降雨作用下對風(fēng)化順層巖質(zhì)高邊坡的變形規(guī)律進行監(jiān)測，并對變形監(jiān)測結(jié)果進行計算分析。結(jié)果表明：在降雨初期，邊坡并不會發(fā)生變形，隨著邊坡土體含水率趨于飽和，在類似風(fēng)化營力作用下邊坡開始發(fā)生位移變形，變形從邊坡中部發(fā)生，隨后擴展到邊坡上部，邊坡下部變形十分微?。贿吰乱运轿灰谱冃螢橹?，豎向位移變形為輔，但豎向位移變化率大于水平位移變化率；層狀角或者降雨強度越大，邊坡越容易發(fā)生失穩(wěn)破壞，預(yù)警變形時間和變形量越小。

數(shù)字圖像處理；風(fēng)化順層巖質(zhì)高邊坡；層狀角；變形監(jiān)測；穩(wěn)定性

U416.1+4A140454

作者簡介：

覃瑞宏（1975—），高級工程師，主要從事高速公路工程方面的工作。

0" 引言

公路工程開發(fā)建設(shè)過程中會面臨許多邊坡穩(wěn)定性問題，尤其是在強降雨作用下，高陡型順層邊坡失穩(wěn)會給工程建設(shè)和安全運行帶來極大的風(fēng)險［1-2］。因此，開展強降雨作用下高邊坡穩(wěn)定性研究具有十分重要的意義。

避免出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)事故除了要做好設(shè)計和施工之外，還應(yīng)該注重開挖和運行過程中邊坡的變形監(jiān)測，只有掌握了邊坡失穩(wěn)破壞的變形規(guī)律，做好邊坡變形預(yù)測工作，才能防患于未然。隨著工程技術(shù)的不斷發(fā)展，公路邊坡正在向高陡型發(fā)展，傳統(tǒng)上采用人工測量的方式對邊坡進行變形監(jiān)控，不僅測量精度低，而且自動化程度低，缺乏實時性和及時性［3］。近些年來，數(shù)字圖像處理技術(shù)在工程領(lǐng)域得到廣泛的關(guān)注，并取得了良好的應(yīng)用效果，能夠為工程提供實時準確的監(jiān)測數(shù)據(jù)和預(yù)報［4-5］。但是，在風(fēng)化順層高陡邊坡中的應(yīng)用還比較少，尤其是結(jié)合強降雨作用下邊坡穩(wěn)定性分析的研究還比較少見［6-7］。

本文基于室內(nèi)模型試驗，開展了強降雨作用下風(fēng)化順層巖質(zhì)高邊坡變形監(jiān)測及穩(wěn)定性分析，通過研究可為高陡型順層邊坡失穩(wěn)機理和隱患治理提供借鑒。

1" 工程概況

1.1" 邊坡總體情況

某高速公路K73+168～K73+417段為路塹高邊坡，地勢上呈兩側(cè)高、中間低的整體態(tài)勢，左側(cè)邊坡最大高度約為50 m，右側(cè)邊坡最大高度約為60 m，由于邊坡較陡，且邊坡地質(zhì)條件不佳，工程施工過程中采用預(yù)應(yīng)力錨索+多排樁板墻的形式對邊坡進行加固防護。邊坡工程示意見圖1。

1.2" 工程地質(zhì)條件

該段邊坡發(fā)育有一正平移斷層，斷層走向為SE-NW，斷層面的傾角大小情況為SW70°～SW80°，斷層帶寬度大小約為10～20 m，斷層帶內(nèi)分布有大量的壓碎巖，另外還存在多條與路線近似呈垂直相交的平移斷層，斷層的產(chǎn)狀走向為145°～165°。邊坡處從上往下土層依次為種植土、亞黏土、碎石、塊石、泥質(zhì)粉砂巖、砂質(zhì)頁巖和硅質(zhì)砂巖。

1.3" 水文氣象條件

由于路線處于沖溝位置，呈兩邊高、中間低的地形走勢，是地下水匯集排泄的主要地帶，開挖導(dǎo)致結(jié)構(gòu)層開裂和扭曲，邊坡兩側(cè)多有地下水（裂隙水）滲出，邊坡局部地區(qū)呈下降泉形式，日均下降泉流量約為18 t。工程區(qū)年平均降雨量約為1 700 mm，且降雨主要集中于5～8月，最大日平均降雨量為291.3 mm/d，最大日降雨量曾達到550 mm/d，按照降雨強度等級劃分標準，日平均最大降雨量達到特大暴雨級別。

2" 試驗?zāi)Ｐ蜆?gòu)建

2.1" 模型相似比

由于實際邊坡工程場地巨大，要對整個邊坡進行實時監(jiān)測，會耗費大量的人力物力，因此在對邊坡進行變形監(jiān)測研究時，采用模型試驗的方法，通過模型試驗來獲得邊坡的變形規(guī)律，從而為實際邊坡工程的加固提供參考［8-9］。原型邊坡主要包括黏土層、塊石層和風(fēng)化巖層，黏土層和塊石層厚度較小，為簡化分析，將邊坡視為單一性質(zhì)的風(fēng)化巖層，并用河砂、鐵粉、膩子粉（聚丙烯）、石膏按照40∶20∶5∶5的比例制作成風(fēng)化巖模型材料，初始含水率為5%。最終確定的相似比常數(shù)分別為：模型的整體比例為1∶500，彈性模量和粘聚力相似比均為500，泊松比、內(nèi)摩擦角以及重度的相似比常數(shù)為1。模型材料和原始邊坡巖體材料的參數(shù)對比情況見表1。

強降雨作用下風(fēng)化順層巖質(zhì)高邊坡變形監(jiān)測及穩(wěn)定性分析/覃瑞宏

2.2" 模型試驗裝置

模型試驗裝置包括模型箱、降雨裝置和測量裝置，模型箱的尺寸大小為長×寬×高=1.5 m×0.8 m×1 m。降雨裝置包括供水系統(tǒng)、兩個控水閥、降雨管路、噴頭等組成，有效降雨面積2 m2。測量裝置（數(shù)字圖像技術(shù)）包括CCD相機、長焦鏡頭、計算機、支架、標志牌和加強光照燈等裝置，標志牌安裝在模型邊坡的上層、中層和下層，邊坡模型均采用砌筑方式成型。模型試驗裝置示意見圖2。

2.3" 試驗方案

本文選取300 mm/d和500 mm/d兩種降雨量作為試驗降雨強度等級。在實際工程中層狀角的變化是比較復(fù)雜的，通過實地勘察，層狀角大部分為25°～40°，且隨著層狀角的增大，邊坡的安全系數(shù)會逐漸減小，因此本文采用25°和40°兩個層狀角作為試驗變量。試驗方案共4種，具體試驗參數(shù)見表2。

3" 模型試驗結(jié)果及分析

3.1" 水平位移監(jiān)測結(jié)果

不同試驗方案下邊坡水平位移監(jiān)測結(jié)果見圖3。由圖3可知：在降雨初期，所有試驗方案的邊坡均處于穩(wěn)定滲透狀態(tài)，坡體含水率隨著降雨歷時的增加而增大，此時水平位移還未發(fā)生。隨著坡體含水率越來越高，在坡面形成滲水，風(fēng)化巖體在滲透作用下極易發(fā)生軟化，從而引起邊坡發(fā)生位移。隨著雨水的進一步滲透，邊坡土體由非飽和向飽和轉(zhuǎn)變，且趨于飽和的巖體范圍隨降雨歷時逐步擴大。飽和巖體不再具有儲水能力，進而在坡面形成匯流，巖體材料發(fā)生大范圍軟化之后出現(xiàn)局部的坍塌，位移發(fā)展速度進一步加快，在邊坡偏上部逐漸形成宏觀裂縫，直至邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞。

在25°層狀角、300 mm/d的降雨強度（方案1）下，在降雨2 000 s之后，中部結(jié)構(gòu)首先發(fā)生位移變化，而上部結(jié)構(gòu)直到降雨10 000 s后才發(fā)生水平位移，下部結(jié)構(gòu)基本未發(fā)生水平位移，上部結(jié)構(gòu)和中部結(jié)構(gòu)的水平位移均先呈現(xiàn)一段時間的穩(wěn)定變形階段，當位移發(fā)生到一定程度后，開始加速變形，這與蠕變變形曲線類似，中部結(jié)構(gòu)的水平位移變形量較上部結(jié)構(gòu)大，當中部水平位移達到30 mm后，標志牌脫落，此時坡體發(fā)生失穩(wěn)破壞。

在25°層狀角、500 mm/d的降雨強度（方案2）下，僅在中部結(jié)構(gòu)位置發(fā)生了水平位移。究其原因，可能是巖體材料的局部離散性造成的，但是從整體上來看，保持層狀角不變，增大降雨強度后，水平位移的發(fā)展速度明顯快于方案1，進入加速變形和失穩(wěn)破壞的時間點均較方案1有所提前。這是因為增大降雨強度，會加快邊坡巖體材料從非飽和向飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變，邊坡軟化損傷越嚴重，水平位移變形加快，當中部水平位移達到20 mm后，邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞。

在40°層狀角、300 mm/d的降雨強度（方案3）下，當降雨歷時為3 750 s左右時，上部和中部邊坡開始出現(xiàn)水平位移，中部結(jié)構(gòu)的水平位移發(fā)展速度仍明顯快于上部結(jié)構(gòu)，同時在降雨歷時達到18 750 s之后，邊坡下部結(jié)構(gòu)還出現(xiàn)了少量的水平位移。這是因為該方案在試驗時，中部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞對下部結(jié)構(gòu)形成了一定的擠壓作用，當增大層狀角后，邊坡水平位移變形的速率有所放緩，歷經(jīng)變形的時間有所延長，層狀角增大后，坡面雨水匯流流速變快，巖體材料達到飽和狀態(tài)的時間延長，軟化損傷速度變緩，因而水平位移變形減小，當中部水平達到27 mm后，邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞。

在40°層狀角、500 mm/d的降雨強度（方案4）下，當降雨歷時為5 000 s左右時，邊坡開始出現(xiàn)水平位移變形，增加降雨強度后，水平位移變形速率明顯加快，當降雨歷時為15 000 s左右時，中部結(jié)構(gòu)水平位移量達到40 mm，邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞，隨后在降雨歷時為16 500 s時，上部結(jié)構(gòu)也發(fā)生失穩(wěn)破壞。

3.2" 豎向位移監(jiān)測結(jié)果

不同試驗方案下邊坡豎向位移監(jiān)測結(jié)果見圖4。由圖4可知：邊坡豎向位移的發(fā)展變化趨勢與水平位移的發(fā)展變化趨勢相似。在降雨初期，邊坡還處于穩(wěn)定滲透狀態(tài)，巖體材料從非飽和向飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變，此時邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，豎向位移變形未發(fā)生。當邊坡土體達到飽和狀態(tài)后，邊坡儲水能力降低，沿著坡面形成匯流，同時在長時間浸泡下，巖體材料發(fā)生類似于巖體風(fēng)化營力作用而被逐漸軟化，此時邊坡變形開始產(chǎn)生，并在一段時間內(nèi)呈穩(wěn)定變形狀態(tài)。當邊坡巖體材料的變形達到一定程度（損傷閾值）后，開始出現(xiàn)加速變形，直至邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞。

從整體上來看，中部結(jié)構(gòu)的豎向位移變形發(fā)展速度仍明顯快于上部和下部結(jié)構(gòu)，但是相對于水平位移變形而言，豎向位移變形的變化速率較為緩慢，這說明坡體的變形主要以水平位移變形為主，在強降雨作用下，風(fēng)化巖質(zhì)高邊坡易發(fā)生滑坡和坍塌破壞。增大邊坡的層狀角或者增大降雨強度，均會使邊坡變形速率加快，越容易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

3.3" 穩(wěn)定性分析

由于中部結(jié)構(gòu)是整個邊坡最先失穩(wěn)破壞的位置，因此，選取邊坡中部位置的水平位移變形曲線作分析，分別找到水平位移突變點，突變點對應(yīng)的時間和位移即為不同邊坡層狀角和降雨強度下的預(yù)警值，結(jié)果見下頁圖5和表3。由表3可知：在相同層狀角下，增大降雨強度，預(yù)警時間有所延長，但預(yù)警變形量也隨之減小，在25°層狀角下，500 mm/d降雨強度下的預(yù)警變形量為7.5 mm，300 mm/d降雨強度下的預(yù)警變形量為9.4 mm，前者較后者減小20.2%；在40°層狀角下，500 mm/d降雨強度下的預(yù)警變形量為5.1 mm，300 mm/d降雨強度下的預(yù)警變形量為9.6 mm，前者較后者減小46.9%。在相同降雨強度下，增大層狀角，也會使預(yù)警變形量減小，雖然在300 mm/d降雨強度下出現(xiàn)了25°層狀角和40°層狀角下預(yù)警變形不降反升的情況，但結(jié)合相關(guān)文獻可知，這可能是因為試驗離散性造成的，且兩者相差并不大，在500 mm/d降雨強度下，40°層狀角下的預(yù)警變形量較25°層狀角的預(yù)警變形量下降32%，說明邊坡在降雨條件下隨層狀角的增大而越容易失穩(wěn)。

4" 結(jié)語

針對某高速公路順層巖質(zhì)高陡邊坡，設(shè)計了不同層狀角和降雨強度下的室內(nèi)模型試驗，得出如下結(jié)論：

（1）根據(jù)相似性原理，當河砂∶鐵粉∶膩子粉（聚丙烯）：石膏=40∶20∶5∶5時，邊坡材料參數(shù)符合模型材料配合比。

（2）邊坡的變形可分為初始變形、穩(wěn)定變形和加速變形3個階段。變形首先從邊坡中部開始，然后向邊坡上部延伸，最后發(fā)生失穩(wěn)破壞；邊坡水平位移變形量大于豎向位移變形量，但是豎向位移的變化速率更快。

（3）將邊坡中部水平位移突變點作為預(yù)警值，分別得到方案1～4的預(yù)警時間分別為11 200 s、9 600 s、13 100 s和10 000 s，預(yù)警變形量分別為9.4 mm、7.5 mm、9.6 mm和5.1 mm；增大層狀角或者降雨強度，均會導(dǎo)致邊坡容易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

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20240312