劉菲菲，蔣曉艷，王啟凡，安琳琳

(1.淮安市水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 淮安 223001；2.華設(shè)設(shè)計集團股份有限公司常州分公司，江蘇 常州 213000；3.徐州市水利建筑設(shè)計研究院有限公司，江蘇 徐州 221000)

0 引言

水是導(dǎo)致邊坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的主要誘發(fā)因素之一，在水的作用下巖土體的物理、力學(xué)參數(shù)將發(fā)生變化[1-3]。一般情況下，巖土體含水量增大將導(dǎo)致其重度發(fā)生變化。水將導(dǎo)致巖土體抗剪強度參數(shù)降低，從而導(dǎo)致邊坡出現(xiàn)變形失穩(wěn)破壞。因此，專家、學(xué)者對降水對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響進行了深入的研究，取得了諸多學(xué)術(shù)成果[4-7]。數(shù)值模擬方法和物理模型試驗方法是邊坡穩(wěn)定性研究中常用的方法，2種方法均可較為準確的分析邊坡變形失穩(wěn)破壞情況，物理模型試驗與數(shù)值模擬分析方法相比，可為更為直觀的反應(yīng)邊坡的變形破壞過程，但數(shù)值模擬分析方法可以獲取更多的數(shù)據(jù)信息，有利于邊坡變形破壞機制分析的研究。

通過前人的研究成果可以得知，水對邊坡穩(wěn)定性影響較大，降水是造成邊坡失穩(wěn)的重要因素之一，因此，結(jié)合某河道岸坡工程的實際情況，對降水條件下岸坡穩(wěn)定性進行分析研究，為后續(xù)工作提供指導(dǎo)。

1 河道岸坡工程條件及數(shù)值分析模型建立

為了保證河道工程的安全，對河道邊坡進行了修復(fù)治理，周邊重要工程較少，具有較好的空間，可以采用放坡的方式進行支護處置。

通過現(xiàn)場調(diào)查，場地土層具有顯著的河道沖積土層，從上至下主要為素填土、粉土、粉質(zhì)粘土、卵石層、粉質(zhì)粘土層。河道岸坡總高度約為28m，結(jié)合周邊條件，采用三級放坡支護，放坡坡比均為1∶1.0，從上至下坡高分別為8.0、10.0、10.0m。

根據(jù)邊坡開挖坡比、坡高建立數(shù)值模擬計算模型，研究不采取加固措施和采用錨桿加固后不同降水條件下的岸坡穩(wěn)定性情況，計算工況見表1。數(shù)值模擬計算模型2側(cè)采用法向約束、底部采用全約束的邊界條件。數(shù)值分析采用PLAXIS 3D軟件，各土層計算參數(shù)見表2。

表1 河道邊坡計算工況

表2 土層計算參數(shù)表

水土特征曲線是影響水土耦合分析計算的重要參數(shù)，其正確性對邊坡穩(wěn)定性分析的準確性影響較大。目前，在邊坡水土耦合分析過程中主要采用Van Genuchgen確定該邊坡巖土體的水土特征曲線[8-9]。該方法主要計算過程如下：

(1)

式中，ua、uw—孔隙氣壓力和孔隙水壓力，kPa；ψ、ks—土體的基質(zhì)吸力，kPa、飽和滲透系數(shù)，cm/s；m、n、α—待定參數(shù)，無量綱；Sr、kr—飽和度、相對滲透系數(shù)，無量綱；θr、θw、θs—殘余體積含水量、體積含水量、飽和體積含水量，無量綱。

在數(shù)值模擬方法中，通常采用強度折減法對邊坡工程的穩(wěn)定性情況進行分析研究，該方法經(jīng)過了多項工程的檢驗，計算結(jié)果較為可靠，此處不再贅述該方法的計算理論。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 降水對邊坡孔隙水壓力的影響成果分析

根據(jù)建立的數(shù)值模擬計算模型，分析降水對河道邊坡孔隙水壓力的影響情況，計算結(jié)果如圖1所示。從圖1可以得知，降水導(dǎo)致的負孔隙水壓力的變化過程和降水強度關(guān)系較小，不同降水強度不影響負孔隙水壓力的變化過程。但是，降水強度對最大孔隙水壓力的形成時間影響較大。不同降水條件下不同深度的最大孔隙水壓力形成時間見表3。當降水強度過大時，邊坡可能形成表面徑流或者積水情況，同時，降水強度越大入滲深度也相對增大，隨著入滲深度的增大，入滲速度將減小，主要原因是隨著深度增大，孔隙水壓力減小，入滲速度也隨之減小。

圖1 降水強度對孔壓的影響曲線

表3 不同降水條件下不同深度的最大孔隙水壓力形成時間 單位：d

2.2 不同降雨時長邊坡破壞過程分析

采用100mm降水強度，對邊坡降水條件下的穩(wěn)定性情況進行分析，PLAXIS 3D數(shù)值分析計算結(jié)果如圖2所示。根據(jù)數(shù)值模擬分析計算結(jié)果可知，該放坡的變形破壞首先發(fā)生于最下層邊坡的坡腳部位，隨著降水的進行，邊坡變形破壞影響范圍不斷增大，主要表現(xiàn)為由下至上的發(fā)展過程中。降水導(dǎo)致土層含水率增大、重度增大且抗剪強度參數(shù)等降低，邊坡穩(wěn)定性將有所下降，降水入滲導(dǎo)致邊坡變形破壞范圍不斷向坡內(nèi)發(fā)展，直至形成貫通的破壞面，如圖2(b)所示，邊坡的變形破壞與降水存在一定的滯后性，一般發(fā)生在降水后的幾天時間內(nèi)。

圖2 河道邊坡破壞過程云圖

2.3 未加固條件下邊坡穩(wěn)定性分析

在未采取支護的情況下，降水邊坡穩(wěn)定性情況如圖3所示。根據(jù)變形曲線可以得知，邊坡穩(wěn)定性呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，主要原因是降水發(fā)生后，雨水入滲導(dǎo)致表層巖土體穩(wěn)定性快速下降。降水后，坡體內(nèi)部的水體不斷排出，巖土體強度參數(shù)有所恢復(fù)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)增大。降水強度越大，邊坡安全系數(shù)越低，邊坡穩(wěn)定性下降速率越大。

圖3 未加固邊坡安全系數(shù)變化曲線

2.4 錨桿加固后邊坡穩(wěn)定性分析

在未采取措施的情況下，邊坡穩(wěn)定性在降水條件下迅速下降，邊坡將發(fā)生滑動破壞。為了保證邊坡的穩(wěn)定性，采取錨桿支護，錨桿設(shè)計長度25m，錨固段25m。錨桿加固后，邊坡穩(wěn)定性情況變化情況如圖4所示。采取錨桿加固后，邊坡穩(wěn)定性變化過程同未加固條件下基本一致，表現(xiàn)為先減小后增大變化過程，但是邊坡安全系數(shù)有明顯的提升。表明采用錨桿支護可以有效提升邊坡的穩(wěn)定性條件。

圖4 加固后邊坡安全系數(shù)變化曲線

3 結(jié)論

(1)不同降水條件下，降水強度越大，雨水入滲速度和深度越大，淺層巖土體入滲速度最大，將快速達到飽和狀態(tài)，導(dǎo)致表層巖土體發(fā)生滑動破壞。

(2)隨降水強度增大，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)逐漸減小，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)下降速率不斷增大。

(3)采用錨桿加固后，邊坡穩(wěn)定性情況可以快速上升，與未加固情況一致，均表現(xiàn)為先減小后增大的變化規(guī)律。數(shù)值分析結(jié)果可知，錨桿加固在工程應(yīng)用效果良好。