何玉瓊，李春明，楊興華，黃 犀

(1.昆明理工大學(xué)，交通工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2.云南建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施投資股份有限公司，云南 昆明 650501)

0 引 言

隨著全球氣候變暖，降雨耦合人為擾動、地震、改移河道、工程地質(zhì)等因素，滑坡等自然災(zāi)害頻發(fā)[1]。如1991年9月，云南昭通市盤河鄉(xiāng)頭寨溝，因持續(xù)強(qiáng)降雨的影響，導(dǎo)致山體崩塌，死216人、傷7人、經(jīng)濟(jì)遺失近百萬元。2011年7月，受強(qiáng)降雨影響，陜西略陽縣爆發(fā)山體滑坡，致使26 400人受災(zāi)，27 480畝農(nóng)作物受損，18人死亡，2人失蹤，5人受傷，多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)受災(zāi)嚴(yán)重[2]。2016年5月，福建三明市泰寧縣開善鄉(xiāng)，因暴雨誘發(fā)山體滑坡，致使35人遇難，1人失聯(lián)。2017年5月，暴雨影響，斯里蘭卡爆發(fā)了大規(guī)模的泥石流、滑坡，死亡人數(shù)達(dá)91人，另有100人失蹤，約52萬人受災(zāi)。2017年8月，受臺風(fēng)影響，暴雨頻發(fā)，致使貴州省納雍縣張家灣鎮(zhèn)發(fā)生山體滑坡，截止目前已有15人遇難，8人受傷。2017年8月，正好是印度多暴雨季節(jié)，在印度北部喜馬偕爾邦突發(fā)的山體滑坡，導(dǎo)致46人遇難，多人受傷。

從以上滑坡實例可知，降雨是誘發(fā)滑坡的主要因素。降雨入滲導(dǎo)致坡體強(qiáng)度降低，當(dāng)抗滑力不足以支撐下滑力時，斜坡發(fā)生失穩(wěn)，給人們的生命、財產(chǎn)安全帶來極大的威脅。因此筆者主要考慮降雨因素的影響，結(jié)合相應(yīng)的斜坡穩(wěn)定計算模型，對斜坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析與預(yù)測。很多學(xué)者對降雨誘發(fā)型斜坡穩(wěn)定性進(jìn)行了探索與研究，如：均勻巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析的有限元算法[3]；基于動態(tài)和整體分析邊坡穩(wěn)定性的強(qiáng)度折減法[4]；人為劃分條塊的Bishop法[5]；假定滑動面的瑞典條分法[6]；基于GIS及相關(guān)模型[7-14]在斜坡穩(wěn)定性分析中的運用等。然而以上研究都是假設(shè)地下水位在滑動面(基巖)以上，但實際情況可能是地下水位在滑動面(基巖)以下，此時雨水下滲時主要考慮動水壓力，隨著降雨入滲的深入，基巖透水性較弱，基巖以上土層逐漸趨于飽和，此時可能存在一定的靜水壓力，當(dāng)降雨持續(xù)進(jìn)行時，降雨轉(zhuǎn)換成地下水來不及排泄，使基巖以上土層達(dá)到飽和，若土層內(nèi)水位高度等于土層厚度，這種情況就是極限飽和工況。如果斜坡在這種極限飽和工況下能保持穩(wěn)定，則其他狀況也能保持穩(wěn)定?；诖?，結(jié)合實驗工點地質(zhì)勘測、鉆探、物探、現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)試驗、資料收集等獲取試驗工點的相關(guān)數(shù)據(jù)，研究開挖前極限飽和工況狀態(tài)下斜坡穩(wěn)定性及開挖后坡體穩(wěn)定性，為邊坡的開挖施工提供一定的理論依據(jù)。

1 工點概況

本工點邊坡里程為K65+640～K65+940，全長300 m，位于戛灑鎮(zhèn)達(dá)哈村附近。坡腳處為達(dá)哈河，該河流為常年流水，河床一般寬約6～8 m，最大寬度可達(dá)12 m，水深0.8～1.5 m。區(qū)域上屬元江水系，河床縱坡平緩，流速慢，勘察期間流速約1.5 m/s，流量受大氣降雨影響較大。河流對研究坡體的地下水位影響較小。擬建的路線里程地形起伏稍大，斜坡海拔722～802 m，相對高差約80 m。地處青藏川滇歹字型構(gòu)造體系，川滇經(jīng)向構(gòu)造體系及南嶺緯向構(gòu)造體系的交接地帶，應(yīng)力集中，區(qū)域構(gòu)造現(xiàn)象極為復(fù)雜。據(jù)有關(guān)資料表明：實驗工點位于新平-新化褶皺區(qū)及水塘斷裂附近，受褶皺及斷裂帶影響巖體較破碎，地層為三疊系上統(tǒng)干海子組(T3g)礫巖、砂巖。上覆發(fā)育第四系沖洪積層(Q4dl+el)，層厚2～4 m,主要含粉質(zhì)黏土。地下水位較深，遠(yuǎn)低于基巖底部，如表1。其地下水位受季節(jié)性影響較大，地下水為第四系孔隙水類型及基巖裂隙水類型。孔隙水多賦存于松散土體中，孔隙潛水的形式較多，水位受季節(jié)影響大；基巖裂隙水賦存于基巖裂隙中，基巖富水性較差，水量不大。該段邊坡位于果林中，果林常年滴管，地表水常年沖刷，如圖1。根據(jù)該地區(qū)水文氣象數(shù)據(jù)，年平均氣溫為17.3～18.6 ℃，最熱月平均氣溫21.3～23.1 ℃，最冷月平均氣溫10.6～11.7 ℃；年平均降雨量為970.7～1 301.7 mm。

表1 重型動力觸探試驗表Table 1 Heavy dynamic penetration test table

圖1 原地貌圖Fig. 1 The original geomorphological map

2 計算模型

該工點斜坡的地下水位遠(yuǎn)低于粉質(zhì)黏土層，筆者采用無限斜坡模型[8,13-14]結(jié)合GIS計算開挖前坡體的穩(wěn)定系數(shù)；使用極限平衡法[6]、瑞典條分法[6]計算開挖后，斜坡按1∶1.75坡比設(shè)計的穩(wěn)定系數(shù)。然后根據(jù)實驗工點的TIN數(shù)據(jù)，通過GIS的3D表面分析工具、數(shù)據(jù)管理工具等，得出坡體表面徑流的流向流量，預(yù)測因雨水匯集而導(dǎo)致沖刷嚴(yán)重的區(qū)域。

2.1 無限斜坡模型的選用

SHALSTAB模型、TRIGRS模型、降雨入滲模型[8]、基于GIS的無限斜坡耦合模型[13-14]，這4種模型都是降雨型無限斜坡穩(wěn)定性的計算模型，如圖2。對比分析4種模型，選取比較符合假設(shè)的計算模型。

圖2 無限斜坡模型Fig. 2 Infinite slope model

2.1.1 SHALSTAB模型

SHALSTAB模型主要考慮土體為飽和狀態(tài)時，坡體的穩(wěn)定性，定義其濕度指數(shù)T=ZW/Z；其計算模型為

(1)

式中：Zw為水位的深度，m，對于地下水位較深的坡體，遠(yuǎn)超過土層厚度，其可以忽略不計；Z為土層厚度，m；A為上坡集水面積，m2；R位有效降雨量，mm/d；K為土壤的導(dǎo)水能力參數(shù)(K=kZcosθk為滲透系數(shù)，m/s)；b為集水區(qū)排泄口寬度，m；c為土壤黏聚力，N/m2；θ為邊坡傾角，(°)；φ為土壤內(nèi)摩擦角，()；γ為土壤重度，kN/m3；γsat為飽和重度,kN/m3。

該模型存在的不足有：未考慮動水壓力及靜水壓力對于邊坡穩(wěn)定性的影響；未考慮坡體地下水位對于邊坡穩(wěn)定性的影響；需要一定降雨相關(guān)的數(shù)據(jù)。

2.1.2 TRIGRS模型

TRIGRS模型主要考慮降雨入滲引起孔隙水壓力發(fā)生改變這一現(xiàn)象，計算坡體的穩(wěn)定系數(shù)，其計算公式如式(2)：

(2)

式中：q(Z，t)表示地下深度Z處的孔隙水壓力，N。

該模型存在的不足：起始便假定邊坡為飽和狀態(tài)，顯然與實際情況不符合；未考慮地下水位的影響；降雨入滲是擴(kuò)散而非無限積聚的過程。

2.1.3 降雨入滲模型

顯然上述的SHALSTAB、TRIGRS模型不能很好的描述降雨條件下，無限斜坡的穩(wěn)定性?；赟HALSTAB、TRIGRS模型，考慮了動水壓力，同時假定滑動面服從太沙基(Terzaghi)提出的有效應(yīng)力原理[6]準(zhǔn)則：

δ=c′+σtanφ

(3)

式中：δ為土壤抗剪強(qiáng)度，N/m2；c′為有效黏聚力，N/m2。

本實驗工點坡面為果林覆蓋，植株根系發(fā)達(dá)程度一般，所以這里先不考慮根系的黏結(jié)力。如果植被覆蓋率高，根系發(fā)達(dá)的坡面，在計算有效黏聚力時，除了考慮土壤黏聚力，還需要考慮植被根系的黏結(jié)力cr；N/m2；σ為有效正向應(yīng)力，N。

孫金山等[8]提出了降雨入滲模型，斜坡穩(wěn)定系數(shù)的計算公式如式(4)：

(4)

2.1.4 基于GIS的無限斜坡耦合模型

降雨入滲模型沒有考慮靜水壓力，因此筆者在計算時作如下假設(shè)：粉質(zhì)黏土基巖透水性較差，滲透能力可以忽略不計。C.MEISINA等[13]提出的基于GIS的無限斜坡耦合模型比較符合以上的要求：

(5)

式中：cr為植被根部黏結(jié)力，因本試驗工點坡面為果林覆蓋，植株根系發(fā)達(dá)程度一般，所以筆者不考慮，N/m2；ρw為水的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；動水壓力Dw=ρwgZwIcosθ；I為水力坡降，I=sinθ。

如果考慮地震等客觀因素，需增加下滑力：

(6)

式中：W為地震力，N。

塑性指數(shù)IL<0，則土中自由水受到土顆粒間結(jié)合水膜的阻礙，不能傳遞靜水壓力[6]，降雨入滲模型未考慮靜水壓力，符合筆者研究地下水位低于基巖的工況；而隨著降雨入滲的深入，在基巖透水性較差的前提下，降雨轉(zhuǎn)換成地下水來不及排泄，土體飽和度升高，當(dāng)達(dá)到飽和時近似認(rèn)為土層內(nèi)水位高度等于土層厚度，此時存在一定的靜水壓力，所以基于GIS的無限斜坡耦合模型[13-14]符合這種情況。因此筆者主要選用降雨入滲模型及基于GIS的無限斜坡耦合模型計算與分析開挖前斜坡的穩(wěn)定性。

2.2 相關(guān)參數(shù)以及飽和度計算

公路邊坡相關(guān)參數(shù)如表2、表3，而斜坡坡度θ由GIS的spatial analysist tools提??；假定極限飽和狀態(tài)時水位深度Zw與土層厚度一致。

(7)

表3 開挖前邊坡相關(guān)參數(shù)Table 3 Related slope parameters before the excavation

e=Vv+Vs

(8)

式中：Vv為空隙體積；Vs為土體顆粒體積；V是總體積。據(jù)此Vv/V為0.28。

(9)

式中：mw為水的質(zhì)量；ms為固體顆粒的質(zhì)量；據(jù)此ms/V為1.76。

(10)

(11)

2.3 穩(wěn)定系數(shù)計算

由設(shè)計圖圖3確定公路邊坡的具體范圍；由邊坡高程數(shù)據(jù)、CAD、ArcGIS、Access得到TIN如圖4。

圖3 邊坡設(shè)計圖Fig. 3 Slope design map

圖4 TIN圖Fig. 4 TIN map

2.3.1 開挖前穩(wěn)定系數(shù)計算

由式(4)、式(5)及ArcGIS計算開挖前的各斜坡單元的穩(wěn)定系數(shù)如圖5、圖6。

圖5 降雨入滲型穩(wěn)定系數(shù)Fig. 5 Stability coefficient of rainfall infiltration

圖6 基于GIS的無限斜坡穩(wěn)定系數(shù)Fig. 6 Stability coefficient of infinite slope based on GIS

2.3.2 開挖后穩(wěn)定系數(shù)計算

開挖后坡體的主要土層情況：上覆第四系及第三系沖洪積層，邊坡現(xiàn)階段較穩(wěn)定，建設(shè)需對坡體進(jìn)行開挖，開挖后必將形成臨空面，故根據(jù)建設(shè)后形成的臨空面對開挖邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行計算，筆者使用瑞典條分法、極限平衡法及表2數(shù)據(jù)，計算開挖后坡比為1:1.75的邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，值為1.492、1.179。

2.4 基于TIN的坡面流向流量

在圖4基礎(chǔ)上生成坡面流向流量圖，如圖7?？梢郧宄目吹?，在坡面上有多條比較明顯的水流匯集區(qū)域，在降雨過程中，雨水對于這些區(qū)域的沖刷是最強(qiáng)烈的。長期的雨水沖刷會導(dǎo)致水土流失， 形成溝壑，使坡體的應(yīng)力集中在坡腳處，形成臨空面。當(dāng)坡腳處應(yīng)力平衡遭到破壞時，很容易導(dǎo)致坡體前沿失穩(wěn)。所以在處理邊坡穩(wěn)定問題時，如何有效排除坡體表面的地表水，顯得尤為重要。因此，首先應(yīng)找到雨水匯集區(qū)域，采用坡面截流的方式，排除地表水，減小因雨水匯集而引起的坡面沖刷現(xiàn)象。

3 討 論

3.1 降雨入滲-水位變化

分析斜坡穩(wěn)定性的問題，考慮降雨入滲引起的動水壓力、靜水壓力變化。降雨條件下，雨水一部分被植被截留，當(dāng)?shù)乇斫Y(jié)皮或者下滲土層飽和后，一部分雨水通過地表徑流流走，最后一部分通過植被根系、生命體通道、坡體裂縫下滲，下滲的水流中，一部分滲入土體內(nèi)成包氣帶內(nèi)，一部分轉(zhuǎn)換成地下水，引起地下水位變化，地下水位不同，對土體的作用效果也就不同。地下水位位于基巖以上，降雨時，不僅受到動水壓力的作用，而且還會受到靜水壓力的作用[15]。如果地下水位位于基巖以下，靜水壓力可以忽略，但隨著降雨入滲的不斷增加，土體飽和程度發(fā)生了明顯的變化?？紤]基巖滲透性弱，土體內(nèi)水位上升，可能還存在一定的靜水壓力。

3.2 坡體穩(wěn)定性分析

無限斜坡模型的計算結(jié)果是基于鉆探、室內(nèi)試驗等土體參數(shù)；開挖后的邊坡穩(wěn)定系數(shù)計算是基于設(shè)計值；流向流量的預(yù)測結(jié)果是基于坡體表面的TIN數(shù)據(jù)。參照王學(xué)鵬[16]對降雨入滲模型穩(wěn)定系數(shù)值的劃分：1～1.25(基本穩(wěn)定)；1.25～1.5(穩(wěn)定)；1.5以上(極穩(wěn)定)；基于GIS的無限斜坡耦合模型穩(wěn)定系數(shù)值都在1.5以上(極穩(wěn)定)。說明開挖前坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)，這與實際情況相符合。開挖后，瑞典條分法及極限平衡法按1∶1.75的坡比計算，穩(wěn)定系數(shù)為1.492、1.179，則邊坡亦處于穩(wěn)定。

根據(jù)計算結(jié)果及水流流向從微觀和宏觀兩方面對斜坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，微觀方面：隨著降雨持續(xù)，達(dá)到了誘發(fā)滲流的水頭梯度，滲流發(fā)生，導(dǎo)致土層內(nèi)基質(zhì)吸力降低，含水率升高，土體由非飽和趨向于飽和[17]發(fā)展，內(nèi)摩擦角、黏聚力發(fā)生變化，土體抗剪強(qiáng)度降低，坡體下滑力逐步增大；宏觀方面：隨著坡面雨水匯集，其流向流量如圖7，水流對坡體的沖刷作用凸顯，在坡體表面易形成溝壑，如圖1。隨著沖刷次數(shù)的累積，坡體表面的原狀土漸漸流失，逐漸形成溝壑。若溝壑未進(jìn)一步發(fā)展，或降雨量減小直至停止以及坡體自身應(yīng)力調(diào)節(jié)作用，坡體又再次達(dá)到平衡狀態(tài)。但如果降雨持續(xù)進(jìn)行，雨水入滲將加劇，引起坡體內(nèi)部土體抗剪強(qiáng)度降低，再加上外部水流的沖刷，帶走坡體表面的原狀土，應(yīng)力平衡終遭到破壞，最終將導(dǎo)致斜坡穩(wěn)定性降低，直至發(fā)生失穩(wěn)。

圖7 流向流量Fig. 7 The flow-direction and flowrate

3.3 坡面防護(hù)分析

結(jié)合以上分析及開挖后的邊坡穩(wěn)定系數(shù)，需要注意坡面開挖后的穩(wěn)定系數(shù)值。從圖1、圖4可以看到坡體原地貌因水流沖刷形成的溝壑，及圖7中有降雨匯集成的水流，開挖后原狀土受到擾動，匯水面積將增大，且因工點土質(zhì)為滇中粉質(zhì)黏土，具有無水較硬、遇水后易形成流態(tài)的特點，所以坡面排水十分重要。研究工點在邊坡開挖施工時，需要做好以下兩點：①坡面排水，坡體形成溝壑處需要重點考慮，優(yōu)先考慮植被防護(hù)，既可以固結(jié)土壤，又可以美化環(huán)境、降低成本，且避開雨季施工；②支擋結(jié)構(gòu)，斜坡開挖后，原有的應(yīng)力平衡遭到破壞，為了維持坡體穩(wěn)定，宜采取框格梁+植草防護(hù)的措施對坡面進(jìn)行防護(hù)。

4 結(jié) 論

通過降雨入滲模型、基于GIS的無限斜坡耦合模型、瑞典條分法及極限平衡法計算出玉溪新平大戛高速開挖前后邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，得出以下結(jié)論：

1)在水位高度等于土層厚度的極限飽和工況下，降雨入滲模型及基于GIS的無限斜坡耦合模型，預(yù)測結(jié)果為斜坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，符合現(xiàn)場的實際情況。

2)根據(jù)1∶1.75的設(shè)計坡比，按照瑞典條分法及極限平衡法計算的穩(wěn)定系數(shù)值為：1.429、1.179，則開挖后坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3)根據(jù)流向流量圖，可以預(yù)測坡面的嚴(yán)重沖刷區(qū)域。在坡面防護(hù)時，水流沖刷嚴(yán)重區(qū)域，應(yīng)注重坡面排水。

4)施工中可以采取框格梁、錨桿、擋土墻、抗滑樁等，確保施工安全。

5)結(jié)合坡體開挖前后穩(wěn)定系數(shù)分析，對公路邊坡的穩(wěn)定性分析與預(yù)測提供了新思路。