水力環(huán)境變化對(duì)公路邊坡穩(wěn)定性的影響分析

文章以廣西賀州至巴馬高速公路某滑坡處的危險(xiǎn)截面為工程背景，采用GEOSTUDIO軟件分析在兩種滑帶土干密度下滑帶土飽和度、地下水位變化和暴雨入滲三種水力環(huán)境對(duì)含兩層滑帶土邊坡穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：滑帶土的飽和度和干密度變化會(huì)顯著影響邊坡穩(wěn)定性，飽和度增加導(dǎo)致安全系數(shù)下降，次滑面的安全系數(shù)始終小于主滑面，更容易出現(xiàn)淺層滑動(dòng)；在滑帶干密度較大時(shí)，隨著地下水位的升高，主滑面的安全系數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而在滑帶干密度較小時(shí)，次滑面的安全系數(shù)更容易受地下水位的影響，邊坡表現(xiàn)為淺層或整體破壞模式；強(qiáng)降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較小，呈現(xiàn)出對(duì)降雨不敏感的特征，邊坡整體變形和降雨入滲影響范圍有限。

公路邊坡；水力環(huán)境變化；邊坡穩(wěn)定性；滑帶土

U416.1+4A210654

作者簡(jiǎn)介：

李聲虎（1989—），工程師，主要從事公路建設(shè)和投資相關(guān)管理工作。

0" 引言

隨著我國(guó)西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，西部地區(qū)的公路建設(shè)越來(lái)越多［1-2］，由于這些地區(qū)境內(nèi)山嶺連綿且強(qiáng)降雨天氣頻發(fā)，將不可避免地對(duì)公路的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)帶來(lái)困難［3］，因此研究水力環(huán)境變化對(duì)公路邊坡影響很有必要。

影響公路邊坡穩(wěn)定性因素主要包括地質(zhì)條件［4］、地形地貌［5］以及降雨和水文條件［6］，復(fù)雜的地形地貌和強(qiáng)降雨極易導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，眾多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。劉劍等［7］采用有限差分強(qiáng)度折減法研究公路邊坡穩(wěn)定性，對(duì)比研究分析了坡高、坡角、巖體粘聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)穩(wěn)定性影響，發(fā)現(xiàn)相同坡高和坡角時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨著粘聚力增加呈近似線性增加，而邊坡安全系數(shù)隨坡體巖體內(nèi)摩擦角的增加，近似呈指數(shù)增加。童立［8］研究了不同雨型降雨入滲下夾層滲透性相對(duì)強(qiáng)弱不同的公路邊坡的基質(zhì)吸力分布，發(fā)現(xiàn)在降雨初期，基質(zhì)吸力隨時(shí)間逐漸減??；降雨后期，前峰型和中峰型降雨下的基質(zhì)吸力出現(xiàn)增加，降雨停止后，各雨型下的基質(zhì)吸力均逐漸回升。潘榮建等［9］以廣西某高速公路邊坡為例，研究含水率變化及降雨入滲對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)夾層軟巖強(qiáng)度參數(shù)與含水率呈近似負(fù)指數(shù)關(guān)系。

本文以廣西賀州至巴馬高速公路某滑坡處的危險(xiǎn)截面為研究對(duì)象，根據(jù)地勘資料建立計(jì)算模型，分別研究滑帶土飽和度、地下水位變化和暴雨入滲三種水力環(huán)境變化對(duì)含有兩層滑帶土邊坡穩(wěn)定性的影響，為西部地區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性評(píng)估和加固提供參考。

1" 工程概況

氣候條件：滑坡地處廣西中部大瑤山主體山脈，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，季節(jié)性變化明顯，陰雨天多、日照少、濕度大，夏季多雨，冬季少雨。

地質(zhì)條件：滑坡場(chǎng)地由第四系、滑坡堆積層和泥盆系下新統(tǒng)蓮花山組地層組成，滑帶土為粉質(zhì)黏土夾礫石，厚度為1.80～9.30 m。

地下水條件：坡區(qū)域內(nèi)地下水主要為孔隙水和基巖裂隙水，孔隙水受降水和地表水補(bǔ)給，向低處排泄，受氣候影響大。基巖裂隙水在重力作用下由高到低處流動(dòng)，部分沿裂隙、軟弱土層和滑帶徑流。

2" 邊坡模型及材料參數(shù)

2.1" 邊坡分析模型

采用GEOSTUDIO軟件建立邊坡有限元模型，使用Morgenstern-Price［10-11］法進(jìn)行模型穩(wěn)定性分析，如圖1所示。模型左側(cè)高262 m，右側(cè)高66 m，水平寬度為1 172.5 m，全局單元尺寸設(shè)置為8 m，將兩條滑帶處的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，尺寸設(shè)置為3 m。邊坡土性整體可分為四種土，分別為邊坡表面殘坡積土、兩層滑體土、兩層滑帶土和作為滑床的中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，按沿地表從上到下的順序，依次為殘坡積土、滑體土、滑帶土、滑體土、滑帶土和中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。該邊坡存在兩條滑帶，對(duì)于長(zhǎng)度較長(zhǎng)、位于兩條滑面下方的滑帶，稱為主滑帶，其對(duì)應(yīng)的滑面稱為主滑面；另一條滑帶稱為次滑帶，其對(duì)應(yīng)的滑面稱為次滑面。

（a）地質(zhì)斷面

（b）簡(jiǎn)化計(jì)算模型

（c）模型網(wǎng)格劃分

2.2" 材料參數(shù)

土層材料參數(shù)取值依據(jù)相關(guān)地勘資料，見(jiàn)表1。由地勘資料可知，滑帶土的干密度為0.99～1.69 g/cm3?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)滑帶土最大含水率為48%，且滑帶埋深大多≤30 m，只有在接近70 m最大埋深處才可能達(dá)到地勘結(jié)果中的較大干密度，故選取了兩種典型干密度1.20 g/cm3和1.35 g/cm3的滑帶土，見(jiàn)表2。

水力環(huán)境變化對(duì)公路邊坡穩(wěn)定性的影響分析/李聲虎，邵" 羽，韋超俊，陳" 川

3" 水力環(huán)境變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

3.1" 滑帶土飽和度變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

如圖2所示為在不同初始飽和度下，干密度分別為1.20 g/cm3和1.35 g/cm3的主次滑帶的滑坡安全系數(shù)。在初始飽和度和強(qiáng)度參數(shù)變化的過(guò)程中，邊坡的臨界滑動(dòng)面發(fā)生了變化，共產(chǎn)生了6種滑動(dòng)面（見(jiàn)圖3），古滑坡的滑動(dòng)模式如表3所示。

當(dāng)滑帶干密度為1.35 g/cm3時(shí)，由圖2、圖3和表3可知，隨著滑帶飽和度增加，主滑面安全系數(shù)略有下降，而次滑面安全系數(shù)在計(jì)算過(guò)程中不變，滑動(dòng)面模式也未改變。主滑面對(duì)應(yīng)滑動(dòng)模式F，該滑動(dòng)模式主體部分大多處于滑體土中，這是因?yàn)樵?.35 g/cm3干密度下滑帶土的長(zhǎng)期強(qiáng)度比滑體土更大造成的，而滑坡后緣處于主滑帶中，受主滑帶控制，故在滑帶飽和度提高導(dǎo)致強(qiáng)度劣化的過(guò)程中，安全系數(shù)呈現(xiàn)極小的降低趨勢(shì)。次滑面對(duì)應(yīng)滑動(dòng)模式E，同樣因?yàn)閺?qiáng)度方面的原因，滑面完全位于滑體土和表層殘坡積土中，表現(xiàn)為淺層破壞模式，由于滑帶模式與次滑面未相交，故在穩(wěn)定性分析中安全系數(shù)不變。

當(dāng)滑帶干密度取1.20 g/cm3時(shí)，不論是主滑面還是次滑面，其安全系數(shù)都呈現(xiàn)較大幅度的下降。在滑帶飽和度由25%提高到100%的過(guò)程中，主滑面對(duì)應(yīng)安全系數(shù)下降28.3%，次滑面則下降29.8%，且滑動(dòng)模式也產(chǎn)生了一定程度的改變。當(dāng)主滑面在滑帶飽和度為25%和45%時(shí)，滑動(dòng)模式與干密度1.35 g/cm3時(shí)相同，對(duì)應(yīng)滑動(dòng)模式F，受滑帶影響較小，表明此時(shí)滑帶強(qiáng)度偏大，不是古滑坡的最危險(xiǎn)區(qū)域。當(dāng)主滑帶飽和度達(dá)到65%時(shí)，滑動(dòng)模式轉(zhuǎn)化為模式D，該模式相比模式F而言，滑坡前緣部分區(qū)域不再與主滑帶近似相切，而轉(zhuǎn)為受主滑帶控制，表明隨著滑帶飽和度提升，滑帶在邊坡穩(wěn)定中占據(jù)了更重要的位置。當(dāng)滑帶飽和度繼續(xù)上升，達(dá)到85%和100%時(shí)，滑動(dòng)模式繼續(xù)轉(zhuǎn)化，表現(xiàn)為滑動(dòng)模式B，此時(shí)主滑面對(duì)應(yīng)的邊坡臨界滑動(dòng)面，幾乎完全和主滑帶重合，滑帶成為古滑坡的軟弱控制土層。

對(duì)于滑帶土干密度為1.20 g/cm3的次滑面，即滑帶在滑動(dòng)模式中占據(jù)的區(qū)域隨飽和度上升而增大。當(dāng)滑帶飽和度為25%時(shí)，滑動(dòng)模式與干密度1.35 g/cm3時(shí)相同，臨界滑動(dòng)面與次滑帶近似相切，滑帶不影響邊坡的安全系數(shù)。當(dāng)滑帶飽和度升高至45%和65%時(shí)，臨界滑動(dòng)面轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑒?dòng)模式C，相比于原滑動(dòng)模式E，其底部位于次滑帶中，滑帶開(kāi)始影響邊坡的穩(wěn)定性，且滑坡前緣有所前移，滑動(dòng)范圍增大。隨著滑帶飽和度進(jìn)一步提高，當(dāng)飽和度為85%和100%時(shí)，次滑面對(duì)應(yīng)的臨界滑動(dòng)面轉(zhuǎn)化為滑動(dòng)模式A，與主滑面情形類似，此時(shí)除滑坡后緣一小段外，其余部分均位于次滑帶中，因而滑帶成為古滑坡穩(wěn)定性的控制因素。

綜上可知，次滑面安全系數(shù)仍小于主滑面，邊坡發(fā)生深層整體滑動(dòng)幾率小于淺層滑動(dòng)。

3.2" 地下水位變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

為便于分析地下水因素的影響，假定滑帶的強(qiáng)度參數(shù)為飽和狀態(tài)，并在計(jì)算中保持不變。在實(shí)際計(jì)算中，發(fā)現(xiàn)地下水高程＞362 m后，部分滑帶開(kāi)始低于地下水位，相關(guān)范圍隨著地下水的升高不斷增大，對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響也加大，故選取372 m、382 m、392 m、402 m、412 m和422 m六種地下水高程開(kāi)展穩(wěn)定性分析。地下水高程與古滑坡安全系數(shù)關(guān)系曲線的計(jì)算結(jié)果如圖4所示，部分滑動(dòng)模式與圖3所展示相同，新增的5種滑動(dòng)模式如圖5所示，不同情況下古滑坡滑動(dòng)模式如表4所示。

由圖4、圖5和表4可知，當(dāng)滑帶干密度為1.35 g/cm3時(shí)，在地下水高程從362 m升至382 m的過(guò)程中，安全系數(shù)幾乎沒(méi)有變化，水位高程＞382 m后，才表現(xiàn)出了較明顯的下降趨勢(shì)，其中主滑面安全系數(shù)下降14.1%，次滑面安全系數(shù)下降16.6%，且滑動(dòng)面也發(fā)生了變化。對(duì)主滑面而言，當(dāng)水位高程為372 m和382 m時(shí)，對(duì)應(yīng)滑動(dòng)模式K。當(dāng)水位高程達(dá)到392 m和402 m時(shí)，臨界滑動(dòng)面轉(zhuǎn)為滑動(dòng)模式I。當(dāng)水位繼續(xù)升高時(shí)，滑動(dòng)面又轉(zhuǎn)回模式K，這是因?yàn)榇藭r(shí)古滑坡坡腳已形成徑流，沿坡腳滑動(dòng)更危險(xiǎn)。對(duì)于次滑面，當(dāng)水位＜392 m時(shí)，呈現(xiàn)的滑動(dòng)面為滑動(dòng)模式E，與次滑面不相交；水位≥392 m后，臨界滑動(dòng)面表現(xiàn)為滑動(dòng)模式J的狀態(tài)，滑面底部已延伸至主滑帶附近，但因滑帶強(qiáng)度較大而并不相交。計(jì)算中次滑面的安全系數(shù)較小，所以在干密度為1.35 g/cm3時(shí)，邊坡的最危險(xiǎn)情況為發(fā)生局部破壞，但受地下水影響，滑動(dòng)面向古滑坡深部發(fā)展，范圍有所擴(kuò)大。

當(dāng)滑帶干密度為1.20 g/cm3時(shí)，主滑面安全系數(shù)一直呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，降幅為18.1%。次滑面安全系數(shù)先近似不變，之后才開(kāi)始下降，下降11.2%，且滑動(dòng)模式也幾乎不改變。對(duì)主滑面而言，地下水位上升過(guò)程中滑動(dòng)面不發(fā)生變化，始終表現(xiàn)為滑動(dòng)模式B，幾乎完全位于主滑帶中，這是由于該干密度下滑帶土強(qiáng)度較弱，相比其他土層，成為了邊坡的軟弱帶，而水位上升使?jié)B流作用增強(qiáng)，邊坡下滑力增大，安全系數(shù)減小。對(duì)于次滑面，在水位高程＞402 m前，對(duì)應(yīng)滑動(dòng)模式A，臨界滑動(dòng)面主體處于次滑帶中，且由于當(dāng)水位高程為372 m和382 m時(shí)，地下水位在次滑帶以下，幾乎不影響安全系數(shù)，當(dāng)?shù)叵滤叱蹋?82 m后，滑坡前緣地下水位高于次滑帶，古滑坡穩(wěn)定性才有所下降。當(dāng)水位高程達(dá)到412 m時(shí)，滑動(dòng)面轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑒?dòng)模式G。當(dāng)?shù)叵滤焕^續(xù)升高，當(dāng)水位高程達(dá)到422 m時(shí)，滑動(dòng)面轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑒?dòng)模式H。

綜合可知，當(dāng)?shù)叵滤叱蹋?02 m時(shí)，次滑面安全系數(shù)較小，邊坡表現(xiàn)為淺層破壞，當(dāng)?shù)叵滤叱獭?02 m后，主滑面安全系數(shù)更小，邊坡呈現(xiàn)整體破壞模式。

3.3" 暴雨入滲對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

根據(jù)《降水量等級(jí)》（GB/T 28592-2012）規(guī)范［12］，采用屬大暴雨范疇的降雨強(qiáng)度，以驗(yàn)證暴雨入滲對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響。選取降雨強(qiáng)度為110 mm/d，降雨參數(shù)如表5所示。

降雨期間古滑坡安全系數(shù)變化曲線如圖6所示，呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)，表現(xiàn)出對(duì)降雨不敏感的特征。計(jì)算過(guò)程中未發(fā)生滑動(dòng)模式的改變和新滑動(dòng)面的產(chǎn)生，滑動(dòng)模式及降雨結(jié)束后安全系數(shù)的降幅如表6所示。降雨過(guò)程中，基于次滑面的邊坡安全性始終小于主滑面，邊坡表現(xiàn)出淺層破壞模式。

為進(jìn)一步研究降雨對(duì)邊坡的影響，選取滑帶干密度為1.20 g/cm3的計(jì)算結(jié)果，分析降雨后邊坡飽和度和位移變化，如圖7所示。由圖7（a）可知，降雨結(jié)束后邊坡表面飽和度提高，與邊坡深層存在一定差異，體現(xiàn)了降雨入滲影響，但入滲范圍較小。兩條滑帶的飽和度高于相鄰?fù)翆?，表明滑帶起了隔水層作用。從圖7（b）可知，在降雨7 d后，滑帶左側(cè)外露處、殘坡積土左側(cè)和坡腳段的位移相對(duì)其他區(qū)域更大，但邊坡的整體位移并不大，最大位移僅為1.6 cm。

選取主滑帶左側(cè)外露處特征點(diǎn)1和右側(cè)坡腳處特征點(diǎn)2，獲得基質(zhì)吸力變化如圖8（a）所示；選取主滑帶左側(cè)外露處特征點(diǎn)3、次滑帶左側(cè)外露處特征點(diǎn)4、殘坡積土左側(cè)特征點(diǎn)5和右側(cè)坡腳處特征點(diǎn)6，獲得位移變化如圖8（b）所示。

由圖8可知，特征點(diǎn)1土體的基質(zhì)吸力在降雨第一天從-400 kPa快速上升到-160 kPa左右，然后增速放緩，在降雨7 d后達(dá)到-120 kPa左右。特征點(diǎn)2的吸力也表現(xiàn)出上升趨勢(shì)，但上升較為平緩，在降雨第6 d基本歸零，之后孔隙水壓力轉(zhuǎn)為正值，這是因?yàn)榇藭r(shí)坡腳特征點(diǎn)2處形成了小范圍積水，見(jiàn)后頁(yè)圖9。特征點(diǎn)3、4、6位移變化趨勢(shì)一致，在位移增大過(guò)程中，增速有所放緩，而特征點(diǎn)5雖也表現(xiàn)為位移增加，但其變化曲線類似于“S”形，四個(gè)特征點(diǎn)產(chǎn)生的位移介于6～14 mm，降雨并未使邊坡產(chǎn)生足夠破壞的位移。

結(jié)合降雨期間古滑坡飽和度及位移計(jì)算結(jié)果，可知在110 mm/d的強(qiáng)降雨持續(xù)作用下，邊坡變形和降雨入滲影響范圍并不大。

4" 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析邊坡模型在不同滑帶土飽和度、地下水位和暴雨三種水力環(huán)境下的安全系數(shù)，可得到以下結(jié)論和建議：

（1）滑帶土的飽和度和干密度變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性有顯著影響，飽和度增加會(huì)導(dǎo)致邊坡安全系數(shù)下降，尤其是次滑面的安全系數(shù)更易受影響，從而增加了淺層滑動(dòng)的可能性。

（2）地下水位的變化在一定程度上影響邊坡的穩(wěn)定性，尤其是當(dāng)?shù)叵滤怀^(guò)一定高程后，邊坡的安全系數(shù)明顯下降，且滑動(dòng)面范圍有所擴(kuò)大。

（3）強(qiáng)降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響相對(duì)較小，表現(xiàn)出對(duì)降雨不敏感的特征，邊坡整體變形和降雨入滲影響范圍有限。

綜上所述，公路邊坡穩(wěn)定性受水力環(huán)境變化影響較大，尤其是滑帶土的飽和度和地下水位的變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響最為顯著。因此，在公路邊坡的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)中，應(yīng)該充分考慮水力環(huán)境因素，采取相應(yīng)的措施和加固方案，以確保邊坡的安全穩(wěn)定。

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［12］GB/T 28592-2012，降水量等級(jí)［S］.

20240316