楊 煜, 常 森， 金宇軒， 何忠明

(1.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司， 湖南 長沙 410015； 2.交通建設(shè)工程湖南省重點實驗室， 湖南 長沙 410015；3.長沙理工大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院, 湖南 長沙 410114)

0 引言

2021年雨季，河南省中部、山西省南部及湖南省南部先后遭受特大暴雨襲擊，較多地區(qū)降雨量突破歷史極值，且部分區(qū)域30 h降雨量超過了500 mm，導(dǎo)致穩(wěn)定多年的邊坡發(fā)生了大量滑塌、坍塌及滑坡等病害，產(chǎn)生不同程度的地質(zhì)災(zāi)害，形成的水毀災(zāi)害嚴(yán)重威脅著人民的生命財產(chǎn)安全，造成了難以估量的損失。而紅黏土邊坡作為南方地區(qū)較為常見的特殊土邊坡，具有高液限、上硬下軟、干裂濕漲等特點，在極端降雨工況下更容易誘發(fā)邊坡的失穩(wěn)[1]。

楊煜等[2]通過數(shù)值模擬分析，認(rèn)為坡度和含水率是邊坡穩(wěn)定的重要因素。何忠明[3]等通過控制降雨強(qiáng)度和歷時，分析降雨入滲過程中含軟弱夾層紅黏土邊坡內(nèi)部體積含水率變化特征，王磊等[4]通過數(shù)值模擬軟件，模擬不同工況下邊坡的穩(wěn)定情況，認(rèn)為放坡能夠改善土體結(jié)構(gòu)內(nèi)部受力特征，增強(qiáng)整體邊坡的穩(wěn)定性。劉子振等[5]通過試驗、參量變換等確定相關(guān)參量，得出降雨時滲流力極大影響著邊坡的安全系數(shù)。紅黏土邊坡雖已獲得眾多學(xué)者的關(guān)注，但以往研究中紅黏土邊坡的結(jié)構(gòu)較為單一，對結(jié)合既有邊坡工程實際情況分析降雨條件下邊坡失穩(wěn)機(jī)理的研究較少，對滑塌后的紅黏土邊坡治理缺乏經(jīng)驗。因此，本文先通過室內(nèi)模型試驗，初步分析紅黏土路堤邊坡內(nèi)部基質(zhì)吸力和體積含水率的變化規(guī)律，然后經(jīng)數(shù)值模擬，分析了紅黏土路塹邊坡在極端降雨條件下，邊坡內(nèi)部孔隙水壓的變化規(guī)律及水流矢量的變化情況，并分析了極端降雨條件下邊坡的穩(wěn)定性變化規(guī)律，同時提出紅黏土邊坡失穩(wěn)后處治對策，為既有紅黏土邊坡防護(hù)提供指導(dǎo)。

1 紅黏土邊坡參數(shù)

降雨對邊坡的影響主要有3個方面，分別是土體容重、滑面參數(shù)和孔隙水壓力[6]。其中容重為主要影響因素，邊坡土體的容重可以按以下3部分區(qū)分:①水位線上升造成原來水位線以上的土體重度演變?yōu)轱柡椭囟?；②由于降雨?dǎo)致雨水入滲局部邊坡表土，地表范圍內(nèi)的土體出現(xiàn)局部飽和;③邊坡土體中部沒有受到水位線及降雨入滲影響的原狀土體。因此，在進(jìn)行數(shù)值模擬時應(yīng)確定體積含水率與基質(zhì)吸力的變化關(guān)系。

本項目K58+200～K58+300右側(cè)為深路塹邊坡，為土石邊坡，上部為紅黏土，下部為灰?guī)r體。根據(jù)施工圖設(shè)計工程地質(zhì)勘察說明，結(jié)合室內(nèi)土工試驗規(guī)范，確定此紅黏土邊坡基本物理力學(xué)參數(shù)(見表1)。

表1 K58+200～K58+300右側(cè)紅黏土邊坡巖土材料參數(shù)巖性重度γ/(kN·m-3)凝聚力τ/kPa摩擦角φ/(°)滲透系數(shù)k/(m·s-1)飽和含水率液限ωL/%塑限ωP/%紅黏土18.64613.51.02×10-40.4365.0027.06強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r25—554.7×10-90.1——中風(fēng)化泥灰?guī)r25—555.2×10-90.046——

紅黏土可根據(jù)液限比與界限液塑比之間關(guān)系，以及復(fù)浸水特性進(jìn)行分類，公式如下：

(1)

I′r=1.4+0.006 6ωL

(2)

式中：Ir為液塑比;I′r為界限液塑比。

通過計算得出該處紅黏土為I類，收縮后復(fù)浸水膨脹，能恢復(fù)到原位。

滑面參數(shù)指標(biāo)的確定:滑面應(yīng)根據(jù)地下水位的變化情況，合理選擇不同狀態(tài)下的剪切試驗指標(biāo);此外，考慮到需要處治的滑坡基本處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，必要時滑面參數(shù)可依據(jù)滑坡的穩(wěn)定狀態(tài)結(jié)合水的作用共同考慮，進(jìn)行滑面參數(shù)的選擇。在工程實踐中，由于很難在連續(xù)降雨和暴雨后去測得變化的水位線，在邊坡穩(wěn)定性計算時，往往根據(jù)合理工程經(jīng)驗將黏聚力和內(nèi)摩擦角適當(dāng)進(jìn)行折算取值，如將黏聚力折減5～10 kPa，內(nèi)摩擦角折減0.5～1.5°，或?qū)⒛Σ两呛宛ぞ哿蹨p為原來80%。本文對水位線以下或局部飽和的土體參數(shù)選取第二種方法，將飽和區(qū)域內(nèi)巖土體參數(shù)進(jìn)行折減進(jìn)行相關(guān)計算。

2 室內(nèi)模型試驗

2.1 模型試驗的建立

鑒于現(xiàn)場紅黏土路塹邊坡內(nèi)部基質(zhì)吸力和體積含水率監(jiān)測困難，且室內(nèi)路塹邊坡模型試驗中巖土材料黏結(jié)強(qiáng)度及密實度難以控制，本文借助紅黏土路堤邊坡室內(nèi)模型試驗，利用張力計和含水率測試儀，對紅黏土邊坡內(nèi)部基質(zhì)吸力和體積含水率進(jìn)行測試。

為了實現(xiàn)對紅黏土邊坡強(qiáng)降雨工況下降雨入滲的演變監(jiān)測，室內(nèi)試驗基于相似理論對邊坡幾何尺寸進(jìn)行縮減，在符合牛頓第二定律及運動學(xué)原理的基礎(chǔ)上，通過物理量綱確定力學(xué)參數(shù)，在室內(nèi)填筑相應(yīng)的路堤模型，并根據(jù)相應(yīng)降雨強(qiáng)度和歷時，開展室內(nèi)邊坡降雨模型試驗，室內(nèi)路堤模型和邊坡降雨監(jiān)測裝置如圖1、圖2所示。

圖1 室內(nèi)邊坡模型

圖2 邊坡降雨監(jiān)測裝置

2.2 模型試驗結(jié)果分析

通過紅黏土路堤邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，在降雨入滲影響下，隨著降雨持續(xù)時間增長，邊坡表層孔隙水壓力及含水量逐漸增大，直至土體達(dá)到飽和狀態(tài)。邊坡表層出現(xiàn)由降雨入滲引起的暫態(tài)飽和區(qū)，暫態(tài)飽和區(qū)內(nèi)孔隙水壓力大于0，含水量達(dá)到飽和含水量。

邊坡在降雨作用下孔隙水壓力、含水量率先在邊坡坡腳位置增大，隨著降雨持續(xù)，孔隙水壓力、含水量增大區(qū)域沿著坡面上部及內(nèi)部延伸。降雨停止后，由于雨水的出滲，孔隙水壓力、含水量都逐漸降低?；谝陨鲜覂?nèi)試驗成果，進(jìn)一步開展紅黏土路塹邊坡數(shù)值模擬分析。

3 路塹邊坡數(shù)值模擬分析

3.1 降雨工況及邊界條件

根據(jù)8月23日湖南古丈、保靖等的降雨強(qiáng)度，日降雨量193 mm，最長降雨24 h，本文模擬了邊坡降雨量193 mm(暴雨級別)和降雨歷時24 h及降雨停止后48 h內(nèi)邊坡內(nèi)部各影響因素的變化規(guī)律。結(jié)合室內(nèi)試驗測得該邊坡土體力學(xué)參數(shù)，通過Van Genuchten 模型對滲透系數(shù)、體積含水率隨著基質(zhì)吸力的變化情況進(jìn)行擬合，擬合曲線如圖3所示。

圖3 滲透系數(shù)和體積含水率隨基質(zhì)吸力變化規(guī)律

3.2 路塹邊坡模型建立

結(jié)合項目實際情況，采用GeoStudio有限元軟件建立模型，模型按施工圖設(shè)計1∶1建立。邊坡為土石路塹邊坡，坡高37 m，在考慮計算精度和計算效率的基礎(chǔ)上，將模型劃分為1627個單元、1731個節(jié)點，在邊坡坡頂及每級平臺處布設(shè)監(jiān)測截面，坡面及坡頂為降雨邊界，坡底為路面結(jié)構(gòu)，設(shè)為不透水層，模型兩側(cè)及底部為不透水層。邊坡模型建立和網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 邊坡模型的建立

4 計算結(jié)果分析

4.1 降雨入滲條件下孔隙水壓變化規(guī)律

圖5為不同降雨歷時條件下各監(jiān)測截面空隙水壓力變化情況。由圖5可知，降雨0.5 d時，截面Ⅰ、截面Ⅱ、截面Ⅲ處孔隙水壓力變化與降雨前相比變化較大；降雨1 d時，截面Ⅰ、截面Ⅱ處孔隙水壓力較降雨0.5 d時變化較小，截面Ⅲ處孔隙水壓力變化較大(由40 kPa下降到10 kPa);降雨1 d后，坡體內(nèi)的孔隙水壓力仍有增大，但變化趨勢減弱。出現(xiàn)以上原因為，截面Ⅲ處為紅黏土坡腳處，在降雨開始時，坡腳處出現(xiàn)積水，積水導(dǎo)致該處水位線上升，該處附近的孔隙水壓力變化最大；截面Ⅱ處孔隙水壓力變化較大，原因為上部邊坡的表面雨水入滲，同時下部水位線不斷增長，導(dǎo)致該處土體內(nèi)部含水率變化較快，而截面Ⅰ處僅受到降雨的入滲，除部分雨水入滲外，其余均沿坡面徑流。該現(xiàn)象符合室內(nèi)紅黏土路堤降雨模型試驗結(jié)果，均在邊坡坡腳處率先達(dá)到飽和狀態(tài)，降雨入滲不斷向邊坡上部和邊坡內(nèi)部延伸，且下邊坡體積含水率大于上邊坡。

圖5 孔隙水壓力隨降雨歷時的變化

4.2 降雨入滲條件下水流矢量變化規(guī)律

圖6為降雨過程中水流矢量變化圖，由圖6可知，隨著降雨歷時增加，坡體內(nèi)水位線一直變化，且在紅黏土邊坡坡腳處水位線變化最大，這與室內(nèi)試驗紅黏土邊坡坡腳出現(xiàn)積水現(xiàn)象相吻合。在整個降雨過程中，水流矢量均指向紅黏土邊坡與巖體邊坡交界面處，呈現(xiàn)出倒V型現(xiàn)象，隨著歷時增加，

(a)降雨歷時0 d

(b)降雨歷時0.5 d

(c)降雨歷時1.0 d

(d)降雨歷時1.5 d

(e)降雨歷時2.0 d

(f)降雨歷時3.0 d

這種V型現(xiàn)象越明顯，直至出現(xiàn)貫通等現(xiàn)象，這也表明隨著水流矢量增加，存在水流沿交界面處溢出的可能。

4.3 降雨入滲條件下邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律

邊坡安全系數(shù)表示基于邊坡臨界失穩(wěn)條件下邊坡整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能[7]。根據(jù)邊坡穩(wěn)定性要求，通常以邊坡安全性系數(shù)將邊坡劃分為3種類型，分別是失穩(wěn)狀態(tài)、欠穩(wěn)定狀態(tài)、穩(wěn)定狀態(tài)。圖7為邊坡降雨過程中安全系數(shù)變化過程。分析圖7可知，降雨初期(0～0.3 d)，邊坡安全系數(shù)出現(xiàn)短暫上升，由1.37上升到1.39。隨著降雨歷時增加，安全系數(shù)急速下降，安全系數(shù)由1.39下降到1.12，此時邊坡由欠穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)入失穩(wěn)狀態(tài)，邊坡安全系數(shù)逐漸降低。出現(xiàn)以上現(xiàn)象的主要原因為：降雨初期，坡面雨水下滲導(dǎo)致表面土體重度增加，同時存在指向坡體的滲透力，致使邊坡安全系數(shù)短暫上升，隨著降雨歷時增加，邊坡內(nèi)部水位線上升，紅黏土坡腳出現(xiàn)積水，導(dǎo)致該土體飽和區(qū)域內(nèi)強(qiáng)度參數(shù)降低，產(chǎn)生沿巖土交界面滑動的潛在滑動面。降雨1 d后，邊坡安全系數(shù)緩慢下降的原因為：坡面降雨入滲的雨水逐漸在坡體內(nèi)部形成積水，該部分積水通過潛在滑面的裂隙涌出，致使該處容易產(chǎn)生滑動。由此可見，降雨對邊坡的影響，不僅表現(xiàn)在降雨過程中產(chǎn)生危害，在降雨后更容易引發(fā)滑塌。

圖7 安全系數(shù)隨降雨歷時的變化情況

5 邊坡失穩(wěn)機(jī)理及處治對策

5.1 邊坡失穩(wěn)機(jī)理分析

眾所周知，巖土工程的穩(wěn)定性與巖土體的變形、強(qiáng)度、滲透3大因素密切相關(guān)，且這三者之間往往相互影響。一旦其中某一因素超過安全閾值，將可能造成其它兩個因素發(fā)生不可逆的超限協(xié)調(diào)，最終導(dǎo)致巖土體的平衡系統(tǒng)被徹底打破。

極端降雨造成坡體中各種形態(tài)的水作用嚴(yán)重超限，導(dǎo)致坡體強(qiáng)度產(chǎn)生不同程度的下降和應(yīng)變。當(dāng)坡體強(qiáng)度下降和應(yīng)變范圍超過一定界限時，坡體平衡將以大變形的形式發(fā)生潰敗，從而導(dǎo)致不同類型的坡體地質(zhì)病害發(fā)生。極端降雨天氣引起的病害主要與巖土體性質(zhì)密切相關(guān)，產(chǎn)生病害的主要原因為：

1)紅黏土邊坡主要位于常年多雨的南方地區(qū)，處于降雨量和蒸發(fā)量相對較大的環(huán)境中，導(dǎo)致坡體地下水位高低不定，地表和一定深度范圍內(nèi)的紅黏土含水量相對較大，土體中的基質(zhì)吸力是維持坡體穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。

極端降雨對紅黏土邊坡的影響如下：①紅黏土具有復(fù)浸水特性，收縮后復(fù)浸水膨脹，且能恢復(fù)到原位，容易產(chǎn)生變形；②坡體的基質(zhì)吸力大幅下降或喪失，導(dǎo)致坡體整體強(qiáng)度下降；③紅黏土含水量急劇增加，導(dǎo)致地下水位快速上升，坡體中的水壓力急劇增加，從而使坡體滲透指標(biāo)超限嚴(yán)重。以上3種因素作用下坡體的穩(wěn)定平衡被打破，坡體需通過應(yīng)變盡力去維持系統(tǒng)的平衡，但應(yīng)變過大時，最終平衡系統(tǒng)被破壞而發(fā)生變形病害。

2)基于紅黏土的大孔隙特征，極端降雨造成地表一定厚度范圍內(nèi)的土體出現(xiàn)不同程度的含水量急劇升高，甚至飽和，從而導(dǎo)致土體容重增加，強(qiáng)度大幅下降，坡體休止角嚴(yán)重降低，造成坡體依附于大氣影響層界面而發(fā)生溜滑、坍塌或滑塌。這種病害深度較小，但也是區(qū)內(nèi)最為發(fā)育的邊坡病害。

3)紅黏土的裂隙發(fā)育特征造成地表水沿裂隙方向可能深入坡體，并在不同時期的紅黏土界面、下伏基巖頂面、卵石層面等聚焦而不斷軟化接觸界面，從而導(dǎo)致坡體依附于這些界面形成的滑面或滑帶而發(fā)生滑坡。且基于紅黏土裂隙發(fā)育的特征，此類滑坡多表現(xiàn)為后緣陡立的錯落式滑坡，俗稱“崩崗”。

5.2 邊坡失穩(wěn)對策分析

針對極端降雨條件下邊坡失穩(wěn)前的預(yù)防和失穩(wěn)后的應(yīng)對措施提出：治坡先治水。邊坡的預(yù)防可采取加強(qiáng)完善地表排水系統(tǒng)的措施，如修建截排水溝和恢復(fù)坡面防護(hù)工程；加強(qiáng)地下水的截、疏、排措施,以有效提高坡體的自身強(qiáng)度，如設(shè)置截水盲溝、仰斜排水孔等工程。同時應(yīng)修建提高坡體穩(wěn)定性的支撐滲溝，從而有效疏排大氣影響層和一定深度范圍內(nèi)的坡體含水量，減小滲透對坡體穩(wěn)定性的影響，輔助提高坡體的強(qiáng)度指標(biāo)和減小坡體的變形協(xié)調(diào)作用，從而維持邊坡與坡體的穩(wěn)定性平衡。另結(jié)合邊坡特點，適當(dāng)設(shè)置支擋工程，輔助提高坡體的穩(wěn)定性，以有效提高工程處治方案的安全性和針對性[8]。

失穩(wěn)狀態(tài)的邊坡，應(yīng)在滑塌坡腳部位向坡內(nèi)推進(jìn)刷方，繼而以6 m間距在坡面上設(shè)置1處邊坡滲溝對邊坡淺層一定深度范圍內(nèi)的地下水進(jìn)行疏排，在利用滲溝底部圬工有效防止?jié)撛诨嫫茐牡幕A(chǔ)上，利用滲溝的滲透排水提高邊坡的穩(wěn)定性。為避免再次降雨的襲擊，根據(jù)滑塌范圍和嚴(yán)重性，可在邊坡滲溝之間設(shè)置骨架護(hù)坡對坡面進(jìn)行分割，并采用根系發(fā)達(dá)灌木種子和草籽進(jìn)行坡面綠化?；鷩?yán)重時可清除滑坡體和護(hù)面墻防護(hù)，結(jié)合現(xiàn)場情況對坡腳破損擋墻進(jìn)行修復(fù)，從而有效確保刷方平臺部位坡體穩(wěn)定。

上述方案以治坡先治水的理念，在適當(dāng)刷坡的基礎(chǔ)上，利用區(qū)內(nèi)豐富的灰?guī)r材料制作邊坡滲溝，結(jié)合仰斜排水孔，對影響坡體穩(wěn)定性的淺、深層地下水進(jìn)行有效疏排，是一個符合現(xiàn)場實際情況、工程施工便捷、工程造價較低的處治方案。

6 結(jié)論

1)極端降雨條件下，邊坡坡頂、坡中和坡腳處基質(zhì)吸力依次增大，且坡腳處孔隙水壓力變化最大，表現(xiàn)為基質(zhì)吸力對受力平衡的影響。

2)降雨條件下，坡體內(nèi)部水力矢量呈現(xiàn)出倒V型現(xiàn)象，隨著降雨的入滲，V型區(qū)域逐漸擴(kuò)大，坡體內(nèi)部水流存在沿交界面貫通的可能性。

3)紅黏土的變形、強(qiáng)度、滲透影響是邊坡滑塌的主要原因，降雨對邊坡的穩(wěn)定性影響具有滯后性，安全系數(shù)變化演變規(guī)律為短暫上升階段、急速下降階段、緩慢下降階段。

4)紅黏土作為特殊土，在邊坡開挖和后期養(yǎng)護(hù)過程中要注重排水措施。施工前、中、后期均應(yīng)避免坡面積水。仰斜排水孔和支擋可有效處治邊坡的滑塌。