唐小軍

(云南省鐵路總公司，云南昆明 650118)

0 引言

我國(guó)是多山國(guó)家，是山體滑坡地質(zhì)災(zāi)害的高發(fā)區(qū)。大量滑坡資料表明滑坡主要發(fā)生在雨季，降雨是導(dǎo)致滑坡的主要誘因。降雨通過(guò)地表滲入坡積土層、殘積土層或直接滲入全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化巖體中，使巖土體中的親水礦物與吸附較多的水相結(jié)合，使土體處于暫時(shí)飽和狀態(tài)，增加了土體的容重，降低了土體的內(nèi)摩擦角和粘聚力，從而降低了土層的抗剪強(qiáng)度;并且在雨水入滲的過(guò)程中，產(chǎn)生了動(dòng)水壓力，增大了坡體本身的下滑力，更容易使坡體產(chǎn)生滑坡動(dòng)［1］。

1 降雨入滲及滲流模型

1.1 降雨入滲過(guò)程

降雨入滲過(guò)程是指地下水隨時(shí)間與空間的變化從飽和到非飽和的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，是雨水在下滲的過(guò)程中不斷驅(qū)替空氣飽和孔隙的過(guò)程［2］。雨水滲入坡體到達(dá)潛水面是一個(gè)飽和～非飽和的滲流過(guò)程。邊坡土體的降雨入滲量受降雨強(qiáng)度與歷時(shí)、初始含水率、土壤性能、地形坡度、吸力狀況等諸多因素的影響，因此邊坡的降雨入滲是集時(shí)間與空間的動(dòng)態(tài)過(guò)程［3］。若土的滲透能力大于降雨強(qiáng)度，雨水將全部滲入土中，不會(huì)出現(xiàn)地表徑流;若土的滲透能力小于降雨強(qiáng)度，邊坡表面上會(huì)出現(xiàn)地表徑流;雨停后邊坡表面一般不會(huì)有積水，并且雨水在邊坡土體上入滲滯后的時(shí)間較短，基本上降雨一停，降雨入滲也就停止了。降雨在邊坡中的滲透如圖1所示。

雨水在邊坡中的入滲使土體在時(shí)間和空間上都發(fā)生了巨大的變化［3］。在降雨的初始階段，地表含水量較低，一旦地表土體中有水分滲入，吸力梯度便逐漸形成，將上升到很高的位置，此時(shí)雨水入滲率也較高。在降雨初始階段，土體入滲率和含水梯度均大于降雨強(qiáng)度，雨水完全入滲，此階段為通量控制階段，屬于自由入滲或無(wú)壓入滲;隨著雨水入滲的持續(xù)進(jìn)行，土體的入滲率和含水率梯度逐漸減小，當(dāng)降低到小于降雨的強(qiáng)度時(shí)，邊坡地表開(kāi)始形成徑流或積水，此階段為剖面控制階段屬于有壓入滲。因此，降雨強(qiáng)度與持續(xù)時(shí)間、土體的初始含水量及邊坡地表徑流量的共同作用影響實(shí)際入滲量。

1.2 二維Richards滲流模型

使孔隙水壓力mw=?θw/?uw并以總水頭h為控制變量，則二維Richards滲流控制方程為［4］:

其中，uw為土的體積含水率;θw為土的孔隙水壓力;γw為水的容重;t為時(shí)間。

若邊坡土體處于飽和帶時(shí)，滲透系數(shù)可用飽和滲透系數(shù)表示，體積含水率為飽和含水率，即mw=0;若邊坡土體處于非飽和帶時(shí)，mw與滲透系數(shù)均為孔隙水壓力的函數(shù)。故該方程可以用來(lái)求解飽和～非飽和滲流問(wèn)題。

根據(jù)飽和～非飽和滲流理論，可以得出任何時(shí)刻t的入滲率qr(t)為:

其中，h′為壓力水頭;坐標(biāo)z取向上為正方向。

在降雨的初始階段，地表含水率變化梯度?θ/?z的絕對(duì)值較大，其對(duì)應(yīng)的入滲率qr(t)和壓力水頭梯度 ?h′/?z都較大;隨著降雨的持續(xù)進(jìn)行，雨水入滲率和壓力水頭梯度?h′/?z的絕對(duì)值不斷降低;當(dāng)降雨入滲持續(xù)一段時(shí)間后，土體的入滲率逐漸地趨于一個(gè)穩(wěn)定值，相對(duì)于地表含水率為θ0時(shí)，該值的導(dǎo)水率k0一般取k0=mwks，其中 0≤mw≤1，ks為飽和導(dǎo)水率。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 邊坡破壞形式

公路邊坡的形成過(guò)程中，在各種自然因素(如風(fēng)化剝蝕、工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)面、地下水等)與人為因素(如開(kāi)挖、爆破等)作用下，邊坡內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)將發(fā)生變化，引起應(yīng)力的重新分布與應(yīng)力集中效應(yīng)，當(dāng)邊坡內(nèi)的應(yīng)力超過(guò)巖土體的強(qiáng)度時(shí)，將導(dǎo)致邊坡產(chǎn)生變形與破壞。公路邊坡常見(jiàn)的破壞形式有:崩塌、滑坡、剝落等。

2.2 邊坡穩(wěn)定模型

降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的力學(xué)效應(yīng)主要表現(xiàn)為邊坡體所受的靜水壓力、動(dòng)水壓力及地下水向上的揚(yáng)壓力發(fā)生改變［5］，邊坡力學(xué)模型如圖2所示。

邊坡開(kāi)挖過(guò)程中的應(yīng)力重新分布，坡頂為切向應(yīng)力，形成張拉裂隙。在降雨初始階段，降雨對(duì)邊坡起到加載作用，坡體受自重、雨水入滲及裂隙靜水壓力荷載的作用，張拉裂縫向深部發(fā)育，當(dāng)裂隙到達(dá)滑動(dòng)面時(shí)靜水壓力達(dá)到峰值，此時(shí)邊坡穩(wěn)定系數(shù)為:

其中，Wi為條分法中第i塊坡體重量;li為第i塊坡體長(zhǎng)度;α為坡體潛在破壞面角度;c為粘聚力;φ為內(nèi)摩擦角;∑為總靜水壓力。

降雨初期雨水入滲邊坡內(nèi)部產(chǎn)生的靜水壓力為:

其中，h為裂隙張開(kāi)深度;γw為水的容重。

隨著裂隙擴(kuò)展，靜水壓力不斷增大，邊坡穩(wěn)定系數(shù)逐漸降低。當(dāng)裂隙深度h=H時(shí)，雨水沿裂隙繼續(xù)向邊坡滲入到達(dá)滑動(dòng)面，產(chǎn)生的動(dòng)水壓力為:

其中，l為坡長(zhǎng);i為水力梯度。

若降雨持續(xù)進(jìn)行，此階段的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為:

由于邊坡表面裂隙不斷增多使靜水壓力增大，水體滲流使動(dòng)水壓力也增大。邊坡土體滲入雨水后其力學(xué)參數(shù)發(fā)生變化，抗剪力降低，使邊坡趨于不穩(wěn)定。

3 防治措施

降雨是誘發(fā)邊坡滑坡失穩(wěn)的主要因素之一，根據(jù)降雨入滲特性及力學(xué)分析，為保證邊坡的穩(wěn)定性，可采取相應(yīng)的排水、截水措施。截、排水措施可有效地防止地表水下滲、減少地下水活動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響。

1)邊坡坡率與坡面防護(hù)。

放緩邊坡，采用臺(tái)階式放坡，上緩下陡，減小坡角，在邊坡上進(jìn)行生態(tài)防護(hù)，合理搭配草、灌木比例，防止雨水沖刷及坡面松弛。增大粘聚力，最大程度的減少水土流失，為適應(yīng)公路外觀(guān)和結(jié)構(gòu)整體性的需要，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)木G化，防止沖刷和美化環(huán)境。

2)地表排水。

排除地表水是處理公路路基及邊坡病害不可缺少的措施之一。通過(guò)攔截、疏導(dǎo)地表水，及時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤，盡快處理邊坡裂隙，防止雨水滲入坡體，確保邊坡排水暢通。防止進(jìn)入坡體內(nèi)，可減少因降雨等引發(fā)的滑坡災(zāi)害的發(fā)生。

3)地下水處理。

可采取豎井、盲溝等豎向排水措施降低地下水位，疏干邊坡體內(nèi)及鄰近地下水，可降低邊坡的動(dòng)水壓力、靜水壓力與揚(yáng)壓力，增強(qiáng)抗剪力，使邊坡穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

降雨誘發(fā)邊坡失穩(wěn)是山地災(zāi)害研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。降雨入滲使邊坡土體非飽和帶內(nèi)的含水量增大，粘聚力降低，孔隙水壓力增大，基質(zhì)吸力降低，出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)與暫態(tài)水壓力，基質(zhì)吸力的下降使得邊坡土體非飽和帶的抗剪強(qiáng)度降低，導(dǎo)致邊坡土體的強(qiáng)度降低，影響邊坡的穩(wěn)定性。截排水措施是確保邊坡穩(wěn)定治理效果的重要環(huán)節(jié)，邊坡治理方案應(yīng)該綜合考慮地形地貌特征、地質(zhì)條件、施工技術(shù)以及周邊的自然環(huán)境與社會(huì)環(huán)境等因素，正確認(rèn)識(shí)邊坡、合理設(shè)計(jì)、適當(dāng)治理，把邊坡失穩(wěn)造成的災(zāi)害程度降到最低。

［1］曾添華.淺談地質(zhì)災(zāi)害邊坡穩(wěn)定性分析及治理［J］.科技信息，2005(10):435-436.

［2］榮 冠，張 偉，周創(chuàng)兵.降雨入滲條件下邊坡巖體飽和非飽和滲流計(jì)算［J］.巖土力學(xué)，2004，26(10):1545-1549.

［3］孔 嶸.邊坡生態(tài)防護(hù)的雨水入滲及設(shè)計(jì)優(yōu)化研究［D］.長(zhǎng)沙:長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2012.

［4］Fredlund D G.Slope Stability Analysis incorporating the effect of soil suction［M］.//Anderson M G，Richards SlopeStability.New York Wiley，1987:113-114.

［5］李曉鴻.降雨條件下邊坡穩(wěn)定性分析及滑坡防治措施［J］.交通科技與經(jīng)濟(jì)，2012(5):9-11.