彭楠琦， 高惠瑛， 呂文舒

(1.中國海洋大學(xué) 工程學(xué)院， 山東 青島 266100； 2.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計研究院， 北京市 100006)

隨著目前公路交通建設(shè)的發(fā)展，形成了一定數(shù)量的棄土場邊坡。棄土場邊坡的物理性質(zhì)較差，在外界條件影響下，若邊坡內(nèi)的力學(xué)平衡發(fā)生了破壞，便有可能發(fā)生失穩(wěn)滑坡災(zāi)害[1-2]。關(guān)于棄土場邊坡穩(wěn)定性的分析、預(yù)警及相關(guān)處治成了工程技術(shù)人員需要面臨的問題。

隨著數(shù)值仿真軟件的發(fā)展，目前大量的邊坡穩(wěn)定性研究均采用計算機(jī)完成。李長冬等[3]以三峽庫區(qū)的二里半滑坡為例，依據(jù)實(shí)際問題建立模型，利用開發(fā)的Slope Designer對滑坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析；ZHANG等[4]運(yùn)用數(shù)值分析軟件對邊坡進(jìn)行分析，計算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了數(shù)值分析的準(zhǔn)確性。為了對影響棄土場邊坡穩(wěn)定性的因素進(jìn)行合理分析，需要在分析時考慮雨水滲流的影響。目前開展降雨條件下邊坡穩(wěn)定性的研究較多。楊欣[5]采用Geo-Studio軟件研究了降雨強(qiáng)度與降雨持時對邊坡穩(wěn)定性的影響；陳華梁等[6]分析表明降雨對邊坡穩(wěn)定性具有“劣化作用”。關(guān)于邊坡的防治措施，歐美國家從19世紀(jì)便通過布置排水管開展了邊坡處治工作，措施主要以地表(地下)排水工作為主。中國幅源遼闊，各種地質(zhì)條件復(fù)雜，邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象較為嚴(yán)重。通過引進(jìn)國外處治措施，也迅速發(fā)展了一系列處治體系。

湖南省屬于大陸性亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，多年平均降水量為1 450 mm。棄土場為人工堆積體，受到降雨引起的滲流、地下水升高等影響，內(nèi)部有效應(yīng)力狀態(tài)容易發(fā)生較大變化。因此，結(jié)合降雨條件下土體滲流場的變化對棄土場穩(wěn)定性進(jìn)行研究，并提出相應(yīng)的預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)和處治措施具有重要的實(shí)際意義，但目前此方面的研究報道較少。該文以湖南省某山區(qū)公路棄土場邊坡為例，利用Geo-Studio軟件中的Slope/W模塊對天然狀態(tài)下邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行求解，然后加入降雨邊界條件，通過Seep/W和Slope/W模塊相互耦合，分析天然棄土場邊坡不同降雨時間下安全系數(shù)的變化情況，嘗試獲取有關(guān)棄土場邊坡穩(wěn)定性的降雨時間預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)。還針對降雨對棄土場邊坡的劣化作用，分析不同處治方式(僅排水、僅錨固、排水與錨固耦合)對邊坡安全系數(shù)的提高效果，探討排水段長度與錨固段長度之比對棄土場邊坡穩(wěn)定性的影響，合理優(yōu)化排水段長度與錨固段長度，為其他多雨地區(qū)棄土場邊坡穩(wěn)定性預(yù)警及處治提供參考。

1 降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響

1.1 降雨入滲的影響

通過對邊坡失穩(wěn)的案例分析可以發(fā)現(xiàn)：邊坡失穩(wěn)情況主要發(fā)生在降雨過程中或降雨后，這在一定程度上揭示了降雨入滲與邊坡失穩(wěn)存在一定的聯(lián)系。棄土場邊坡失穩(wěn)引發(fā)的道路行車危害主要表現(xiàn)為：① 破壞線路，導(dǎo)致交通運(yùn)輸被迫中斷；② 危害站場并砸壞站房；③ 邊坡失穩(wěn)造成行車事故，給國家和人民生命造成巨大的損失；④ 增加基建投資，加大維修費(fèi)用。因此研究降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性的作用機(jī)理顯得尤為重要。

降雨條件下，土體的含水率會在一定程度上有所增加。一般降雨條件下土體條塊從上到下可以劃分為4個區(qū)域，分析時將4個區(qū)域簡化為2個區(qū)域進(jìn)行分析，以濕潤鋒為分界線，分界線之上為飽和區(qū)，分界線之下為非飽和區(qū)(圖1)。

圖1 條塊受力模型

分析時，主要從兩方面進(jìn)行考慮：① 巖土體的力學(xué)性質(zhì)隨邊坡內(nèi)含水率的變化規(guī)律；② 隨著雨水的滲入，邊坡內(nèi)暫態(tài)飽和區(qū)的形成。在對降雨條件下的邊坡進(jìn)行分析時，將降雨作為流量邊界進(jìn)行處理。榮冠[7]在對流量邊界處理時，將單元上的流量轉(zhuǎn)化成節(jié)點(diǎn)的入滲。實(shí)際情況往往受多種不同因素的影響，因此實(shí)際入滲量受降雨強(qiáng)度及降雨持時的影響。降雨強(qiáng)度與實(shí)際入滲量的表達(dá)式為：

(1)

式中：qn(t)為坡面法向入滲量；R(t)為坡面法向上的入滲能力；qs(t)為實(shí)際降雨入滲量。

1.2 降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響

分析降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性時，利用極限平衡法對穩(wěn)定性隨時間的變化規(guī)律進(jìn)行研究。非飽和土體的抗剪強(qiáng)度會隨著飽和度的變化發(fā)生改變，土體在天然狀態(tài)下處于非飽和狀態(tài)，F(xiàn)redlund[8]提出了應(yīng)用到非飽和土抗剪強(qiáng)度的摩爾庫侖準(zhǔn)則：

τ=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb

(2)

式中：σ為正應(yīng)力；c′為土體有效黏聚力；φ′為土體有效內(nèi)摩擦角；ua和uw為孔隙氣壓力和孔隙水壓力；ua-uw為基質(zhì)吸力；φb為反映基質(zhì)吸力增加程度的摩擦角。

土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨含水率的變化而不同。通過圖2、3的統(tǒng)計可知：含水率的增加，對土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)(c′、φ′)存在“劣化作用”。其中土的有效黏聚力、有效內(nèi)摩擦角與含水率關(guān)系可分別按二次拋物線關(guān)系與對數(shù)關(guān)系進(jìn)行擬合：

(3)

式中：參數(shù)A、B、C、D、E和F可以通過試驗(yàn)確定。

圖2 黏聚力與含水率的關(guān)系曲線

圖3 內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系曲線

降雨條件下，隨著雨水的持續(xù)入滲，基質(zhì)吸力不斷減小，導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度也減小。

2 工程概況

2.1 場地區(qū)域地質(zhì)條件

場地現(xiàn)為無序亂填區(qū)，地形及坡形較零亂，低洼處建有護(hù)堤，棄土場區(qū)域呈東西向的帶狀分布，場地內(nèi)東、南、北側(cè)自然山坡植被發(fā)育，坡頂高程81～137 m，坡度10°～40°。坡體組成主要為坡、殘積土，局部為全、強(qiáng)風(fēng)化花崗片麻巖。場地地面相對高程較大，地面高程28～80 m。

2.2 場地水文條件

棄土場未見地表水，但場地內(nèi)局部地段分布有雨水沖刷形成的沖溝，暴雨期存在臨時性的地表徑流。場地內(nèi)地下水主要來源于大氣降雨，因此地下水位呈周期性變化。場地內(nèi)雜填土與強(qiáng)風(fēng)化巖為中等透水性地層，素填土、黏土及粉質(zhì)黏土為弱透水性地層，場地環(huán)境類別屬于Ⅱ類。鉆孔穩(wěn)定水位埋深為0.20～10.30 m。

2.3 氣象條件

湖南地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)性氣候，主要特點(diǎn)為氣候比較適宜，降雨量充足。夏季高溫多雨，冬季低溫干旱。降雨量與季節(jié)相關(guān)，其中每年4—9月為降雨量較充沛的季節(jié)，多年平均降水量為1 450 mm。

3 降雨條件下邊坡穩(wěn)定性

3.1 邊坡計算模型

山區(qū)公路旁典型棄土場邊坡主要由人工填土、沖洪積層、殘積層組成，下部為花崗片麻巖，棄土場邊坡現(xiàn)場如圖4所示。

圖4 棄土場邊坡現(xiàn)場圖

該文選擇某段具有代表性的邊坡地質(zhì)剖面進(jìn)行棄土場邊坡穩(wěn)定性分析。繪制邊坡地質(zhì)剖面如圖5所示，邊坡由5種性質(zhì)不同的土層組成，從上至下依次為：雜填土、素填土、沖洪積層黏土、殘積層粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化花崗片麻巖與強(qiáng)風(fēng)化花崗片麻巖。

依據(jù)勘察點(diǎn)的數(shù)據(jù)，棄土場邊坡地下水位高程37.5 m。進(jìn)行降雨分析時需運(yùn)用Seep/W模塊，對邊坡模型的有限元區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分(網(wǎng)格選擇四邊形和三角形)。為充分考慮計算時的計算效率與計算精度，將模型的網(wǎng)格邊長設(shè)置為1.0 m，將模型劃分為2 899個節(jié)點(diǎn)和2 790個單元；并在坡頂、坡中與坡腳不同高度位置分別設(shè)置了監(jiān)測點(diǎn)。同時在計算中假設(shè)下部花崗片麻巖為弱透水狀態(tài)，入滲的雨水會使地下水抬升。模型的邊界條件是數(shù)值分析的一個關(guān)鍵組成部分，為探究錨固排水耦合措施對邊坡滲流場的影響，需定義水力邊界條件：①模型兩側(cè)地下水位以下按給定總水頭邊界處理，地下水位以上按零流量邊界處理；②模型底部設(shè)置為不透水邊界；③模型坡面設(shè)置為降雨入滲，根據(jù)降雨強(qiáng)度、降雨持時及入滲面坡率之間的關(guān)系，建立相應(yīng)的流量邊界函數(shù)，即單位流量邊界條件。

建立棄土場邊坡模型如圖6所示。

圖5 棄土場邊坡地質(zhì)剖面

圖6 棄土場邊坡模型

3.2 計算條件

通過現(xiàn)場取樣進(jìn)行土樣類別鑒定，再根據(jù)相關(guān)土工試驗(yàn)和軟件自帶材料庫，確定土樣的基本物理性質(zhì)參數(shù)見表1。

受試驗(yàn)條件的影響，該文未測試土樣的土-水特征曲線，而是結(jié)合土樣的飽和體積含水率與Seep/W中的樣本函數(shù)估算得到(圖7)。滲透系數(shù)函數(shù)則是基于土樣的滲透系數(shù)和土-水特征曲線，配合Van Genuchten[13]模型預(yù)測方法獲取(圖8)。

表1 土樣的基本物理參數(shù)

圖7 土體土-水特征曲線

圖8 土體滲透系數(shù)函數(shù)

在邊坡穩(wěn)定性分析中，影響邊坡穩(wěn)定性的因素很多，如：結(jié)構(gòu)面的破壞、邊坡外形的改變、巖土體力學(xué)性質(zhì)的改變以及各種外力直接作用的影響。其中降雨是影響邊坡穩(wěn)定性、導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞的重要因素。利用Seep/W模塊可以對邊坡進(jìn)行降雨工況下的邊坡穩(wěn)定性和滲流分析。中國氣象部門將雨量劃分為6個等級：① <10 mm/d為小雨；② 10～25 mm/d為中雨；③ 25～60 mm/d為大雨；④ 60～100 mm/d為暴雨；⑤ 100～250 mm/d為大暴雨；⑥ >250 mm/d為特大暴雨。該文主要研究強(qiáng)降雨對山區(qū)公路旁的棄土場邊坡穩(wěn)定性的影響，考慮到當(dāng)?shù)叵募鹃L期暴雨情況，選擇降雨強(qiáng)度值為100 mm/d，同時將降雨時長設(shè)置為20 d。

3.3 降雨過程中滲流場變化

圖9為模擬降雨20 d時間內(nèi)，棄土場邊坡各個時間段孔隙水壓力等勢線分布圖(降雨量150 mm/d)。

繪制坡頂、坡中與坡腳位置處不同時刻監(jiān)測點(diǎn)的孔隙水壓力隨高程變化曲線如圖10所示。

結(jié)合圖9、10對棄土場邊坡的滲流場隨降雨持時的變化情況進(jìn)行分析。邊坡內(nèi)部含水率隨著降雨的持續(xù)而增高，孔隙水壓力也隨之不斷增加。隨著雨水的入滲，邊坡淺層孔隙水壓力逐漸增大。在降雨第4天時，棄土場邊坡靠近坡腳的位置出現(xiàn)了暫態(tài)飽和區(qū)，相較于天然狀態(tài)，負(fù)孔隙水壓力向正孔隙水壓力發(fā)展，隨著降雨的繼續(xù)進(jìn)行，邊坡的表層范圍內(nèi)暫態(tài)飽和區(qū)面積不斷擴(kuò)大。

由監(jiān)測點(diǎn)處孔隙水壓力可知：降雨條件下，不同位置監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓力均會隨著降雨的持續(xù)發(fā)展而增大。隨著暫態(tài)飽和區(qū)的形成，部分監(jiān)測點(diǎn)處的孔隙水壓力≥0 kPa。

3.4 降雨預(yù)警等級分析

Geo-Slope計算邊坡穩(wěn)定性時采用極限平衡理論。在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計算時，可以采用條分法、簡布法、畢肖普法和Morgenstern-Price(M-P法)。其中M-P法不僅滿足力的平衡條件，同時也滿足力矩的平衡條件，而且滑動面的形狀也是任意形狀。因此，在進(jìn)行棄土場邊坡穩(wěn)定性分析時選取M-P法作為邊坡穩(wěn)定性的研究方法(圖11)。

為分析不同降雨狀態(tài)對邊坡穩(wěn)定性的影響，繪制不同工況下邊坡穩(wěn)定性變化趨勢如圖12所示。由圖12可知：天然狀態(tài)下棄土場邊坡的安全系數(shù)為1.373，處于穩(wěn)定狀態(tài)。降雨第1天至第3天，邊坡安全系數(shù)從1.373下降至1.366，安全系數(shù)基本保持不變；隨著降雨時間的繼續(xù)增加，從第3天至第20天，入滲的雨水在邊坡內(nèi)形成暫態(tài)飽和區(qū)，同時隨著時間的增加，暫態(tài)飽和區(qū)的范圍不斷增加，造成邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的降低。在此期間，邊坡的安全系數(shù)由1.366降低至1.032(小于1.05)，安全系數(shù)值降低幅值達(dá)到24.45%，邊坡穩(wěn)定狀態(tài)屬于欠穩(wěn)定，不利于邊坡穩(wěn)定性的發(fā)展。

圖9 孔隙水壓力等勢線(單位：kPa)

將該棄土場安全等級判定為二級并作為永久邊坡考慮，其穩(wěn)定安全數(shù)Fst應(yīng)達(dá)到1.30，根據(jù)邊坡穩(wěn)定狀態(tài)的劃分(表2)，假設(shè)平均降雨強(qiáng)度保持在100 mm/d，則可以推算建立有關(guān)棄土場穩(wěn)定性的雨季降雨時間預(yù)警等級(表3)，預(yù)警等級越高，表明邊坡穩(wěn)定性越低。

4 棄土場邊坡錨固與排水耦合處治研究

4.1 不同處治措施對比研究

對邊坡進(jìn)行降雨研究可以發(fā)現(xiàn)雨水的入滲對邊坡的穩(wěn)定性具有不利的影響(邊坡穩(wěn)定狀態(tài)屬于欠穩(wěn)定)，因此需要對邊坡進(jìn)行治理。目前，常見的處治措施主要有：邊坡支護(hù)、邊坡排水及虹吸法排水等[14]。為驗(yàn)證排水與錨固耦合處治相較于單一處治方法的優(yōu)越性，分別進(jìn)行了4種工況下(工況Ⅰ：天然狀態(tài)；工況Ⅱ：僅排水；工況Ⅲ：僅錨固；工況Ⅳ：排水與錨固耦合)

圖10 監(jiān)測點(diǎn)處孔隙水壓力隨高程變化曲線

圖11 天然狀態(tài)下邊坡安全系數(shù)

圖12 不同降雨時長下邊坡穩(wěn)定性變化趨勢

表2 邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)劃分

表3 降雨時間預(yù)警等級

邊坡穩(wěn)定性規(guī)律的研究。對應(yīng)4種模擬工況建立的邊坡加固模型如圖13所示，工況Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ中的管道布設(shè)在坡中位置，管長均為10 m，埋設(shè)傾角為5°，管道口距離坡腳垂直高度為4 m。其中Ⅳ工況，排水段長度與錨固段長度均為5 m。降雨強(qiáng)度為100 mm/d，降雨持時為20 d。

Gureghian等[15]在進(jìn)行排水分析時，將排水孔作為定水頭邊界從而利用有限元進(jìn)行求解，該文分析時，采用單排排水管對邊坡進(jìn)行排水處理，降雨入滲會隨著排水管道流出。錨桿選擇SIGMA/W模塊中的錨桿加固方法，其中錨桿彈性模量E=2.5×107kPa，截面積C=1.7×10-2m2，慣性矩M=2.4×10-5m4。

4.2 不同處治措施對邊坡穩(wěn)定性的影響

圖14為4種工況下邊坡安全系數(shù)隨時間變化曲線。

從圖14可知：隨著雨水的入滲，邊坡安全系數(shù)均不斷降低。降雨20 d后，各工況最小安全系數(shù)大小如下：排水與錨固耦合(1.27)>僅排水(1.25)>僅錨固(1.11)>天然狀態(tài)(1.03)。數(shù)據(jù)表明：僅錨固工況下，初始邊坡安全系數(shù)大于僅排水工況，但隨著雨水的入滲，其下降幅度較大，邊坡仍可能發(fā)生失穩(wěn)。而在僅排水工況下，邊坡安全系數(shù)下降幅度變小。因此，采取將錨固與排水措施相結(jié)合，既能在天然狀態(tài)下加固邊坡，提高邊坡初始狀態(tài)的安全系數(shù)，又能在降雨過程中將入滲的雨水排出棄土場邊坡系統(tǒng)，使得非飽和區(qū)的含水率上升速度較慢，邊坡穩(wěn)定性在排水作用下得到了明顯改善，可以達(dá)到更優(yōu)的邊坡加固效果。

圖13 不同處治措施

圖14 安全系數(shù)變化曲線

4.3 排水段與錨固段最優(yōu)長度研究

由4.2節(jié)可知，排水與錨固耦合處治棄土場邊坡效果較好。為探究總長度(排水段+錨固段)一定條件下，排水段長度與錨固段長度比例對邊坡安全系數(shù)的影響，將總長度定位10 m，設(shè)置不同工況(排水段長度/錨固段長度分別為：2/8、3/7、4/6、5/5、6/4、7/3、8/2，在降雨(100 mm/d)20 d后，不同工況下邊坡安全系數(shù)如圖15所示。

圖15 安全系數(shù)與排水段長度的關(guān)系

由圖15可知：在總長度一定的前提下，邊坡安全系數(shù)隨排水段長度增大呈先增大后減小的趨勢，表明在一定排水段長度內(nèi)，排水效果對邊坡穩(wěn)定性起到的有利作用較錨固段顯著。繼續(xù)增加排水段長度，錨固的效果將得不到發(fā)揮，棄土場邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)反而降低，在排水段長度/錨固段長度取3/7工況下安全系數(shù)達(dá)到最大值。

5 結(jié)論

該文主要研究了某山區(qū)公路旁典型棄土場邊坡在降雨條件下邊坡內(nèi)孔隙水壓力變化情況及排水管道對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，得到如下結(jié)論：

(1) 邊坡內(nèi)孔隙水壓力會隨著降雨的持續(xù)發(fā)展而增大，非飽和區(qū)會發(fā)展成為暫態(tài)飽和區(qū)，區(qū)內(nèi)孔隙水壓力由負(fù)值逐漸發(fā)展成正值，導(dǎo)致基質(zhì)吸力降低及抗剪強(qiáng)度衰減，這是棄土場邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞的一般內(nèi)在機(jī)理。

(2) 降雨強(qiáng)度100 mm/d下，棄土場邊坡在降雨前期，邊坡安全系數(shù)基本保持不變。降雨后期，隨著暫態(tài)飽和區(qū)的形成，邊坡安全系數(shù)逐漸降低，降雨20 d后安全系數(shù)由1.37降為1.032，因此雨季持續(xù)大～暴雨對棄土場邊坡穩(wěn)定性的負(fù)面影響是非常顯著的。

(3) 建立了一種根據(jù)降雨時間判斷雨季棄土場穩(wěn)定性的方法和預(yù)警等級標(biāo)準(zhǔn)，將9、19、21 d作為降雨預(yù)警等級閾值。

(4) 降雨強(qiáng)度100 mm/d下，20 d后不同邊坡處治方案下安全系數(shù)為：排水與錨固耦合(1.27)>僅排水(1.25)>僅錨固(1.11)>天然狀態(tài)(1.03)，表明將排水與錨固相耦合優(yōu)于傳統(tǒng)單一的處治措施。同時，通過建立不同長度排水段工況(總長度保持定值)可知，排水段長度與錨固段長度存在最優(yōu)長度比3/7，處治效果最優(yōu)。