考慮降雨及開挖影響下的厚覆蓋層邊坡滲流特征及穩(wěn)定性

李濤

（1. 浙江海洋大學(xué) 海運與港航建筑工程學(xué)院，浙江 舟山，316022；2. 浙江通衢交通建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司，浙江 衢州，324000）

考慮降雨及開挖影響下的厚覆蓋層邊坡滲流特征及穩(wěn)定性

李濤1，2

（1. 浙江海洋大學(xué) 海運與港航建筑工程學(xué)院，浙江 舟山，316022；2. 浙江通衢交通建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司，浙江 衢州，324000）

基于厚覆蓋層邊坡失穩(wěn)機理，結(jié)合廣西桂林—北海高速公路某覆蓋層路塹邊坡實地情況，設(shè)計雨型相同但降雨量不同的3種方案。采用有限元計算軟件對考慮降雨及開挖影響下的厚覆蓋層邊坡滲流特征及穩(wěn)定性進行研究。研究結(jié)果表明：對于形式為“覆蓋層土體+基巖”的邊坡，其在強降雨作用下坡腳內(nèi)部浸潤線呈“J”形變化；坡腳土體飽和后浸潤線沿土-巖交界面向上移動；在同等條件下，邊坡開挖導(dǎo)致降雨入滲速度加快，浸潤線呈的“J”形變化的特征更明顯，且上升高度較開挖前有所提高；決定邊坡初始狀態(tài)下穩(wěn)定性的主要因素有降雨初始強度與邊坡開挖狀態(tài)，而決定邊坡穩(wěn)定性變化幅度的主要因素為降雨強度與降雨持續(xù)時間。

降雨入滲；邊坡開挖；覆蓋層邊坡；滲流特征；邊坡穩(wěn)定性

在山地丘陵地區(qū)修筑高速公路等構(gòu)筑物時，不可避免地會形成各種形態(tài)的高路塹邊坡［1-2］。大部分邊坡在自然狀態(tài)下處于穩(wěn)定或次穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)遭遇強降雨或人工施工的擾動時，其穩(wěn)定性將大大下降［3］，一旦發(fā)生崩塌或滑坡，將對經(jīng)濟建設(shè)和人民財產(chǎn)造成巨大損失。強降雨是造成邊坡失穩(wěn)的重要因素之一，而人工開挖路塹等對邊坡造成的擾動，更是大幅度提高了邊坡在強降雨狀態(tài)下失穩(wěn)的風(fēng)險。因此，降雨及人工開挖對邊坡穩(wěn)定性影響的內(nèi)在機理一直是科研工作者們研究的熱點問題之一。趙吉坤等［4］通過對不同坡度土坡進行人工降雨試驗并觀測含水率分布等，得到土坡泥流率與其坡度呈正比例關(guān)系；劉博等［5］通過對有限元軟件ABAQUS進行二次開發(fā)，計算得到水土特征曲線參數(shù)與相應(yīng)土質(zhì)庫岸邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系；銀明鋒［6］通過對邊坡降雨滲透因子進行正交分析，得到降雨強度、土體初始含水率及干密度對邊坡滲流場及穩(wěn)定性的影響?，F(xiàn)有研究多是圍繞單一土質(zhì)邊坡或巖質(zhì)邊坡的滲流特征和穩(wěn)定性開展，忽略了在工程實際中存在大量由基巖與覆蓋層組成的復(fù)合式邊坡，此種邊坡滲流特征及穩(wěn)定性均有別于一般狀態(tài)下的土質(zhì)和巖質(zhì)邊坡，而且在不同降雨雨型的作用下，邊坡的滲流狀態(tài)與穩(wěn)定性變化不盡相同。為此，本文作者結(jié)合前人研究成果，采用有限元計算軟件對覆蓋層邊坡在不同降雨雨型及人工開挖作用下的邊坡滲流特征及穩(wěn)定性進行研究。

1 邊坡失穩(wěn)機理與地質(zhì)條件分析

1.1 覆蓋層邊坡失穩(wěn)機理

影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素有地勢地貌、邊坡土體性質(zhì)、地下水以及自然降雨。降雨影響邊坡穩(wěn)定性，誘發(fā)滑坡的主要作用機理為：在降雨入滲作用下，邊坡土體體積含水率由邊坡表面向下逐漸增大，當(dāng)降雨強度大于土體的入滲速度時，在邊坡表面形成一定范圍的暫態(tài)飽和區(qū)，飽和區(qū)內(nèi)基質(zhì)吸力為0 kPa，使土體抗剪強度下降；隨著降雨持續(xù)，邊坡內(nèi)部浸潤線逐漸下移，飽和區(qū)范圍逐漸擴大，土體強度進一步下降［7］。在此過程中，土體自重隨著降雨的持續(xù)入滲而增加，也增加了邊坡失穩(wěn)的風(fēng)險［8］。因此，對邊坡在降雨影響下內(nèi)部滲流場變化規(guī)律進行分析是研究其穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

1.2 研究模型地質(zhì)構(gòu)造

選取廣西桂林—北海高速K1226+800～K1227+000段右側(cè)高邊坡進行分析。該邊坡地表植被發(fā)育，邊坡自然傾角為20°～35°。邊坡表層為含礫粉質(zhì)殘積黏土，厚度較大，下伏基巖為風(fēng)化泥巖、灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r等，附近未見基巖出露，如圖1所示。

圖1 覆蓋層邊坡地質(zhì)構(gòu)造簡圖Fig.1 Geological sketch of overburden slope

參考附近工點的巖土力學(xué)參數(shù)，反算邊坡土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角。綜合考慮后，土體重度取 18.5 kN/m3，有效黏聚力c′取30 kPa，有效內(nèi)摩擦角φ′取20°。開挖后邊坡擬采用10 m臺階放坡，臺階平臺寬2 m，邊坡坡率分別為 1：1.25（一級）、1：1.5（二級）和1：1.5（三級）。工程區(qū)年總降雨量為1 345～1 940 mm，多年平均蒸發(fā)量約1 700 mm，二者基本持平，故認定覆蓋層邊坡土體處于飽和—非飽和狀態(tài)。

2 飽和-非飽和滲流計算理論

對于飽和非飽和滲流問題，其滲流平衡方程可由偏微分方程表示［9］：

式中：H為總水頭，m；Kx和Ky分別為x和y方向土體滲透率，m/s；Q為施加的邊界流量；mw為與體積含水量和孔隙水壓力有關(guān)的土體儲水曲線坡度；γw為土體飽和重度，g/cm3；t為滲流時間。對滲流平衡偏微分方程采用伽遼金加權(quán)余量法進行轉(zhuǎn)化［10］，可得到二維滲流有限元方程：

式中：[B]為梯度矩陣；[C]為單元滲透系數(shù)矩陣；{H}為節(jié)點水頭向量；＜＞N為插值函數(shù)向量；q為單元邊界單位流量；τ為單元厚度；t為時間；λ為瞬態(tài)滲流儲水參數(shù)，等價于mwγw；A為單元面積；L為單元邊界長度。

3 覆蓋層邊坡滲流特征分析

3.1 擬定降雨作用雨型及計算模型

一般地，在日降雨量小于50 mm的普通強度降雨過程中，由于非飽和土滲透系數(shù)較小以及邊坡厚度影響，其穩(wěn)定性變化并不會十分明顯，而當(dāng)降雨強度超過50 mm/d甚至達到200 mm/d以上時，由于邊坡土體內(nèi)部基質(zhì)吸力消失和土體重度迅速增加，邊坡穩(wěn)定性將迅速下降。同時，綜合分析廣西地區(qū)降雨資料可知該地區(qū)每年4～6月份均會迎來若干次200 mm/d以上強降雨過程，結(jié)合邊坡失穩(wěn)等地質(zhì)災(zāi)害在降雨影響下的滯后性［11］，擬定3種典型雨型對算例邊坡進行滲透特征及穩(wěn)定性分析，即最大降雨量分別為200，100和50 mm/d。降雨過程結(jié)束后繼續(xù)觀察48 h，以確定邊坡穩(wěn)定性的后續(xù)變化趨勢，如圖2所示。

圖2 不同降雨強度的雨型函數(shù)Fig.2 Intensive rainfall patterns of different rainfall intensities

根據(jù)項目地質(zhì)構(gòu)造及人工開挖方式建立計算模型。綜合考慮計算精度要求及計算效率，并且避免在有限元網(wǎng)格劃分時出現(xiàn)銳角狀導(dǎo)致滲流計算難以收斂問題，模型有限元網(wǎng)格由程序自動劃分，開挖前模型共劃分為897個節(jié)點，856個單元，開挖后模型共劃分為743個節(jié)點，699個單元，如圖3所示。

圖3 覆蓋層邊坡有限元計算模型Fig.3 Finite element model of overburden slope

覆蓋層部分設(shè)定為含礫粉質(zhì)黏土，自然含水率為0.1，飽和含水率為0.5，飽和滲透系數(shù)為0.16 m/h，基巖部分設(shè)置為不透水模型，且在覆蓋層重力作用下無形變、無位移。覆蓋層上部表面設(shè)定為降雨入滲邊界，覆蓋層兩側(cè)和覆蓋層與基巖之間設(shè)定為潛在滲流邊界，即當(dāng)降雨入滲至覆蓋層與基巖交接面時，若土體已經(jīng)飽和，則在重力作用下沿界面流出，若土體仍處于非飽和狀態(tài)，則降雨由于基質(zhì)吸力的作用保存在土體之中。初始狀態(tài)下覆蓋層土體處于飽和—非飽和狀態(tài)，含水率為自然含水率。在滲流計算過程中，根據(jù)擬定的雨型共設(shè)置14個時間步，每個時間步時長為12 h，計算過程共計7 d，每個時間步最大迭代次數(shù)為50步，迭代誤差小于1%則視為收斂。在計算過程中，每個時間步均達到收斂要求。

對土體滲流特性起決定性作用的參數(shù)曲線是土水特征曲線和滲透系數(shù)-孔隙水壓力曲線。在分析過程中，可采用實驗手段獲得邊坡土體在飽和狀態(tài)下的含水率、殘余含水率以及滲透系數(shù)。使用有限元軟件內(nèi)置的粉質(zhì)黏土樣本函數(shù)以及試驗中測定的飽和含水率和殘余含水率可以得到覆蓋層土體的土水特征曲線，如圖4所示。根據(jù)VAN GENUCHTEN［12］提出的土體滲透系數(shù)與孔隙水壓力函數(shù)：可得到覆蓋層土體的滲透系數(shù)-孔隙水壓力曲線，如圖5所示。式（3）中：kw為土體在非飽和狀態(tài)下滲透系數(shù)；ks為土體在飽和狀態(tài)下滲透系數(shù)；a，n和m為曲線擬合參數(shù)；ψ為土體在不同含水率下的負孔隙水壓力。

圖4 覆蓋層邊坡土體土水特征曲線Fig.4 Soil-water characteristic curve of overburden slope

圖5 覆蓋層邊坡土體滲透系數(shù)曲線Fig.5 Unsaturated permeability coefficient curve of overburden slope

3.2 擬定計算工況

根據(jù)擬定的降雨雨型曲線以及總降雨量確定滲流場計算的3種方案，擬定7 d為1個計算過程，第1天降雨量由0 mm/d達到最大；后3 d降雨量保持峰值不變；第5天降雨量由峰值回落至0 mm/d；第6和第7天降雨量為0 mm/d。具體工況如表1所示。

表1 覆蓋層邊坡降雨強度計算工況Table 1 Seepage calculation conditions of overburden slope mm/d

3.3 覆蓋層邊坡在降雨作用下滲流特征分析

經(jīng)計算，得到不同方案、不同降雨時間下自然狀態(tài)覆蓋層邊坡滲流場體積含水率分布特征如圖6～8所示。從圖6可知：在持續(xù)降雨過程中，浸潤線不斷向邊坡內(nèi)部移動，其中第2天至第4天浸潤線變化最明顯，第4天至第6天變化較明顯，第7天浸潤線與第6天浸潤線差別不大。這是由于在所擬定的雨型作用下，第1天降雨較少，同時土體在自然含水狀態(tài)下滲透系數(shù)較小，導(dǎo)致浸潤線變化不明顯；當(dāng)降雨強度在第2天至第4天處于峰值狀態(tài)時，浸潤線開始迅速向邊坡內(nèi)部移動；降雨至第4天時，浸潤線開始向內(nèi)呈“J”形擴展。這是由于覆蓋層邊坡底部基巖的存在，阻擋了雨水的進一步下滲，同時坡腳位置已經(jīng)達到飽和狀態(tài)，而基巖上部土體仍處于非飽和狀態(tài)，存在一定的入滲空間，允許浸潤線向內(nèi)擴展。由此可以推斷：覆蓋層邊坡在降雨入滲過程中，其浸潤線變化趨勢有別于一般普通土質(zhì)邊坡，并非沿邊坡向內(nèi)持續(xù)延伸，而是在雨水入滲至土-巖界面時，繼續(xù)沿其界面上升。從圖7和圖8可以看出：在降雨量較小的工況下，覆蓋層坡腳上部浸潤線仍與坡面線走向相同，但坡腳位置也呈現(xiàn)小范圍的“J”形擴展。

圖6 工況1狀態(tài)下覆蓋層邊坡浸潤線變化趨勢Fig.6 Changing trend of saturation line of overburden slope in condition 1

圖7 工況2狀態(tài)下覆蓋層邊坡浸潤線變化趨勢Fig.7 Changing trend of saturation line of overburden slope in condition 2

圖8 工況3狀態(tài)下覆蓋層邊坡浸潤線變化趨勢Fig.8 Changing trend of saturation line of overburden slope in condition 3

3.4 開挖后覆蓋層邊坡滲流特征分析

為分析人工開挖對覆蓋層邊坡在不同降雨作用下滲流場變化的影響，建立開挖后覆蓋層路塹邊坡模型，并結(jié)合設(shè)計工況，對覆蓋層邊坡內(nèi)部滲流場進行計算，結(jié)果如圖9～11所示。綜合分析圖9～11可知：覆蓋層邊坡開挖過后內(nèi)部滲流場與開挖前大致相同，臨近坡腳處浸潤線均呈“J”形變化。對比未開挖狀態(tài)下覆蓋層邊坡滲流場可以發(fā)現(xiàn)：同種工況下開挖后，邊坡坡腳處浸潤線位置較高，坡腳處飽和區(qū)域范圍較大。這是由于開挖后路塹邊坡覆蓋層土體較薄，在相同時間內(nèi)邊坡飽和區(qū)面積比率明顯比自然狀態(tài)覆蓋層邊坡的面積比率高，且覆蓋層下部基巖處于不透水狀態(tài)，超出土體容納范圍的降雨會沿著土-巖交界面不斷上升，直至降雨停止。

圖9 方案1狀態(tài)下開挖邊坡浸潤線變化趨勢Fig.9 Changing trend of saturation line of excavation slope in condition 1

圖10 方案2狀態(tài)下開挖邊坡浸潤線變化趨勢Fig.10 Changing trend of saturation line of excavation slope in condition 2

圖11 方案3狀態(tài)下開挖邊坡浸潤線變化趨勢Fig.11 Changing trend of saturation line of excavation slope in condition 3

4 覆蓋層邊坡穩(wěn)定性分析

4.1 計算理論

當(dāng)邊坡土體處于飽和-非飽和狀態(tài)時，土中的負孔隙水壓力對提高邊坡穩(wěn)定性有一定的促進作用，而當(dāng)土體接近飽和時，逐漸提高的體積含水量導(dǎo)致土顆粒上作用的有效應(yīng)力減少，降低邊坡穩(wěn)定性?？紤]土中孔隙水壓力的非飽和土抗剪強度公式［13］為

式中：c＇和φ′分別為有效土體黏聚力和有效內(nèi)摩擦角；uw和ua分別為非飽和土體中的孔隙氣壓力和孔隙水壓力；bφ為與負孔隙水壓力相關(guān)的強度提高傾角，一般取值為0.5φ′。在分析邊坡穩(wěn)定性時，G-slope采用非飽和土的一般極限平衡法（GLE法）［14］，即

式中：Fm為由力矩平衡推算出的安全系數(shù)；w為土條重度，N/m3；β為土條底部沿滑動面方向?qū)挾龋琺；R為滑動半徑，m；N為土條在垂直滑動面方向上所受的支持力，N；α為土條基底傾角，（°）。

4.2 不同工況下覆蓋層邊坡穩(wěn)定性分析

覆蓋層邊坡在3種不同計算方案以及不同開挖狀態(tài)下的穩(wěn)定性變化總趨勢如圖12和圖13所示。從圖12和13可知：在3種方案下，覆蓋層邊坡初始安全系數(shù)不同；隨著降雨時間增大，邊坡穩(wěn)定性呈下降趨勢，但安全系數(shù)下降幅度大致相同。由此可知：決定邊坡初始狀態(tài)下穩(wěn)定性的主要因素有降雨初始強度與邊坡開挖狀態(tài)，而決定邊坡穩(wěn)定性變化幅度的主要因素為降雨持續(xù)強度與降雨持續(xù)時間。

圖12 不同方案下未開挖覆蓋層邊坡安全系數(shù)變化趨勢Fig.12 Changing trends of safety factor of unexcavation overburden slope in different conditions

圖13 不同方案下已開挖覆蓋層邊坡安全系數(shù)變化趨勢Fig.13 Changing trends of safety factor of excavation slope in different conditions

從圖12可知：在自然狀態(tài)下，覆蓋層邊坡在強度為200 mm/d降雨作用時，其安全系數(shù)最小，變化范圍為1.37～1.35，在強度為100 mm/d以及50 mm/d降雨作用下安全系數(shù)基本相同，變化范圍為1.40～1.39?？傮w來說，在3種降雨方案條件下，邊坡穩(wěn)定性均呈下降趨勢，但邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，無失穩(wěn)風(fēng)險。圖12中3條曲線變化呈下降趨勢主要是在降雨過程中雨水入滲至邊坡內(nèi)部，使非飽和邊坡逐漸趨于飽和狀態(tài)，負孔隙水壓力逐漸消失，土體重度增加，作用在土顆粒上的有效應(yīng)力逐漸減小，導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性逐漸下降。在3種方案中，方案1的降雨量明顯比后2種的大，因此，在相同時間內(nèi)，土體基質(zhì)吸力下降迅速，初始穩(wěn)定性較小。而對于方案2和方案3，其降雨量較小，且由于邊坡在開挖之前覆蓋層土體較厚，降雨入滲所形成的浸潤線還未達到土-巖交界處，對邊坡穩(wěn)定性影響有限，且覆蓋層飽和區(qū)域面積占總面積比率較小，邊坡內(nèi)部仍存在大量較為穩(wěn)定的非飽和區(qū)域，故邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。在實際工程中，可參考此種變化規(guī)律估算相近形式邊坡的穩(wěn)定性。

4.3 考慮開挖后覆蓋層邊坡穩(wěn)定性分析

土質(zhì)邊坡開挖后，由于卸荷作用以及人工擾動，在開挖面下一定深度范圍內(nèi)會出現(xiàn)卸荷松弛區(qū)，即在相應(yīng)位置土體的黏聚力與內(nèi)摩擦角會出現(xiàn)一定程度下降［15］?？紤]卸荷松弛作用對覆蓋層邊坡的影響，本文在計算中對土體力學(xué)參數(shù)進行相應(yīng)折減，黏聚力取26 kPa，內(nèi)摩擦角取17.5°。

開挖后覆蓋層邊坡在不同工況下穩(wěn)定性變化趨勢如圖13所示。從圖13可知：在邊坡開挖后，不同方案下邊坡安全系數(shù)均大幅度下降，在方案1條件下7 d內(nèi)邊坡安全系數(shù)由1.251下降至1.234，整體均處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，一旦出現(xiàn)施工擾動或降雨強度提高等情況，則極易發(fā)生失穩(wěn)破壞。綜合分析覆蓋層邊坡滲流特征可知：當(dāng)邊坡開挖后，覆蓋層厚度減小，在相同降雨量條件下浸潤線更深入。由于坡面徑流造成的坡腳積水導(dǎo)致坡腳處飽和區(qū)逐漸擴大，浸潤線沿土-巖界面上升，覆蓋層深處孔隙水壓力由負值逐漸變?yōu)檎怠Ｍ瑫r，邊坡開挖所造成的土體力學(xué)性質(zhì)劣化，更使其難以承受逐漸增加的自重，進而導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性有所降低。

對比圖12和圖13可知：從未開挖與開挖狀態(tài)下邊坡受降雨影響的角度分析，開挖前邊坡在降雨條件下安全系數(shù)僅降低0.01～0.02，而開挖后同條件下安全系數(shù)初值下降較大，但隨著降雨時間的增加，安全系數(shù)降低值仍為0.01～0.02，與開挖前相比變化較小。這表明是否開挖對厚覆蓋層邊坡的影響遠大于降雨的影響，因此，在工程中應(yīng)更加注意開挖擾動對邊坡穩(wěn)定性所造成的影響。

5 結(jié)論

1） 由于覆蓋層邊坡的組成形式為“覆蓋層土體+基巖”，其在強降雨作用下坡腳內(nèi)部浸潤線呈“J”形變化，坡腳處土體飽和后浸潤線沿土-巖交界面向上移動。

2） 邊坡開挖導(dǎo)致覆蓋層厚度減小，在同等條件下降雨入滲速度加快，坡腳處土體迅速達到飽和狀態(tài)，浸潤線呈的“J”形變化的特征更為明顯，且上升高度較開挖前有所提高。

3） 對于覆蓋層邊坡，決定邊坡初始狀態(tài)下穩(wěn)定性的主要因素有降雨初始強度與邊坡開挖狀態(tài)，而決定邊坡穩(wěn)定性變化幅度的主要因素為降雨持續(xù)強度與降雨持續(xù)時間。在自然狀態(tài)下，覆蓋層邊坡在3種降雨狀態(tài)下邊坡安全系數(shù)均大于1.3，處于穩(wěn)定狀態(tài)。邊坡開挖后，由于滲流場變化和人為擾動等因素，邊坡穩(wěn)定性下降明顯，在 3種方案下，其安全系數(shù)均處于1.26～1.23之間，存在一定的失穩(wěn)風(fēng)險。

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（編輯 陳燦華）

Seepage characteristics and stability of overburden slope considering rainfall and excavation

LI Tao1，2

（1. School of Maritime and Civil Engineering， Zhejiang Ocean University， Zhoushan 316022， China；2. Zhejiang Tongqu Communications Construction Supervision Co. Ltd， Quzhou 324000， China）

Based on the slope failure mechanism of overburden slope， combined with the cut overburden slope on the ground of Guihai expressway in Guangxi Zhuang Autonomous Region， three rainfall schemes were designed. Using finite element analysis software， the thick overburden slope seepage characteristics and stability were studied considering the effects of precipitation and excavation. The results show that for the form of “overburden soil+bedrock” slope， the saturation line in the toe of slope changes as a “J” shape in the condition of intensive rainfall. When the soil in the toe of slope is saturated， the saturation line moves up along the soil-rock interface. Under the same condition， the excavation of slope makes rainfall infiltration faster， the “J” shape of saturation line is more obvious， and the saturation line is higher after excavation. Dominant factors of slope stability in the initial condition are the initial intensity of the rainfall and the condition of slope excavation， dominant factors of change rate of slope stability are the rainfall intensity and rainfall duration.

rainfall infiltration； slope excavation； overburden slope； seepage characteristics； slope stability

TB115

A

1672-7207（2016）05-1708-07

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.05.033

2015-06-10；

2015-08-22

國家自然科學(xué)基金資助項目（51278067， 51508040）；湖南省科學(xué)技術(shù)廳科技計劃重點項目（2013FJ2008）；浙江交通廳科技計劃項目（2014H22） （Projects（51278067， 51508040） supported by the National Natural Science Foundation of China； Project（2013FJ2008）supported by the Key Plan Program of Science and Technology of Department of Science and Technology of Hunan Province； Project（2014H22）supported by the Key Plan Program of Department of Science and Technology of Zhejiang Province）

李濤，博士，教授級高工，從事公路工程研究；E-mail：649918469@qq.com