郭 超

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

山區(qū)往往由于山高谷深，溝域面積大，匯水大，從而暴發(fā)山洪或泥石流災(zāi)害沖毀谷底路基或邊坡坡腳形成水毀災(zāi)害。碎石土邊坡由于現(xiàn)場調(diào)查無法獲取其潛在滑動(dòng)面，常規(guī)邊坡分析軟件基于圓弧形自動(dòng)搜索確定潛在滑面位置的方法對(duì)碎石土邊坡來說往往不適用。為解決山區(qū)水毀型碎石土邊坡穩(wěn)定性定量分析計(jì)算問題，本文以某山區(qū)碎石土邊坡為例，通過計(jì)算不同暴雨頻率下洪水沖刷深度，探索性地構(gòu)建了基于洪水沖刷工況下的碎石土邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法。

1 邊坡基本特征

工程區(qū)為侵蝕構(gòu)造中低山地貌，邊坡為原煤礦棄渣沿麻地河溝道右側(cè)斜坡堆積的煤矸石棄渣堆積體，主要沿溝道右側(cè)分布，溝道呈不對(duì)稱“V”型，溝道寬約10～30 m，長約160 m，坡高約10～18 m，斜坡較陡，坡度約30°～50°，目前溝道主流主要偏右側(cè)。坡腳溝道侵蝕作用下局部臨空，坡頂為礦區(qū)辦公生活區(qū)平臺(tái)地形，寬約7～16 m。

邊坡土層由人工堆積的塊碎石、礫石夾粗砂粉土等碎石土組成，松散-稍密，其中坡表已經(jīng)出現(xiàn)滑動(dòng)的土體結(jié)構(gòu)呈松散狀態(tài)，其他為稍密狀態(tài)。粗顆粒成分以碎石、角礫為主，含15%～30%左右的角礫，碎石夾塊石含量約25%～35%，角礫粒徑一般為0.3～2 cm，母巖主要成分為砂巖、石英巖，磨圓度差，礫石風(fēng)化程度較弱，細(xì)顆粒粉土含量約20%～30%，層厚0.9～3.60 m。

圖1 邊坡整體特征

2 邊坡失穩(wěn)機(jī)理及變形破壞特征

2.1 失穩(wěn)機(jī)理分析

該碎石土邊坡穩(wěn)定性一般情況下主要由受地形地貌、地層巖性、降雨等因素控制。從地形條件來看，邊坡最大高差約19 m，最長縱長約30 m，坡度約30°～50°，較為高陡；從巖性來看，邊坡土層主要由煤矸石棄渣塊石，下部為坡積含礫粉質(zhì)黏土，除部分土體結(jié)構(gòu)較密實(shí)外，其余斜坡位置堆積體結(jié)構(gòu)均為松散至稍密，松散碎石土土體內(nèi)摩擦角較小，土體自穩(wěn)能力弱，容易出現(xiàn)失穩(wěn)變形；從降雨條件來看，主要是由于坡體孔隙水壓力的增大，降低了填土層及與下覆粉質(zhì)黏土層接觸面的抗剪強(qiáng)度，從而出現(xiàn)失穩(wěn)變形。

另外，受上游溝域大量匯水在工程區(qū)溝道集中匯集作用下形成較強(qiáng)的“消防水管效應(yīng)”影響，洪水沖蝕下切溝道十分強(qiáng)烈，坡腳受溝道流水沖刷形成局部陡坎，為斜坡失穩(wěn)提供較大的失穩(wěn)空間。因此，該碎石土邊坡穩(wěn)定性主要受溝域洪水沖刷作用影響較大。

2.2 變形破壞特征

該堆積體邊坡坡頂和坡體均出現(xiàn)一定程度裂縫變形，邊坡局部出現(xiàn)淺表溜滑，溜滑體后緣高程約400.2 m，前緣至坡腳高程約389.6 m，高差約10.6 m。溜滑體上下坡度一般32°～45°，長13.4 m，寬15.4 m，面積約206 m2。據(jù)勘查資料分析，滑體深度一般為0.6～1.5 m不等。

邊坡位于溝道凹岸段，洪水洪流線偏移至該溝段坡腳位置，侵蝕沖刷斜坡坡腳十分嚴(yán)重，現(xiàn)場勘查該斜坡在歷史洪水侵蝕作用下已經(jīng)出現(xiàn)多次溜滑，由于坡體較陡，溜滑體已全部進(jìn)入溝道內(nèi)被洪水沖走，坡腳洪水侵蝕形成的陡坎較明顯，隨著洪水的進(jìn)一步?jīng)_刷，斜坡發(fā)生進(jìn)一步垮塌變形的可能性較大。

圖2 斜坡變形破壞和溝道沖刷變形特征

3 斜坡坡腳沖刷深度計(jì)算

3.1 洪水特征參數(shù)

3.1.1 溝道洪水?dāng)嗝鎱?shù)

邊坡段溝道為凹凸段溝道，洪水在橫斷面位置存在橫坡率，溝道彎道側(cè)蝕作用較明顯，根據(jù)現(xiàn)場對(duì)17年汛期最大洪水進(jìn)行調(diào)查測繪，得到斷面的洪痕特征參數(shù)如表1所示。

表1 斜坡位置溝道洪水參數(shù)特征

3.1.2 流速計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查的洪痕斷面，按照式（1）計(jì)算斷面的洪水流速值為1.84 m/s。

式中：V為斷面平均流速，m/s；ΔH為凹岸凸岸水位高差，m；B為水面寬度，m；g為重力加速度，m/s2；R為彎道中心線的曲率半徑，m。

3.1.3 流量計(jì)算

根據(jù)平面位置圖及溝床縱斷面圖測量得出邊坡上游段流域面積F=1.597 km2，主溝溝長L=1.42 km，溝道平均縱坡降I=290.7‰。查閱中小流域暴雨洪水計(jì)算手冊(cè)相關(guān)圖表，得出不同暴雨頻率溝段洪峰流量見表2。

表2 暴雨洪峰流量計(jì)算表

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查的歷史洪痕斷面，結(jié)合洪水流速，計(jì)算得到17年汛期實(shí)測斷面洪水流量為32.11 m3/s。對(duì)比表2洪水流量，可以看出，實(shí)際調(diào)查的2017年年度汛期最大洪水流量值與20年一遇（P=5%）暴雨洪峰流量值較為接近，因此，勘查工作期年度汛期最大暴雨為20年一遇暴雨。

3.2 溝道洪水過流能力評(píng)價(jià)

結(jié)合邊坡段溝道斷面特征及洪水流速計(jì)算溝道的最大過流能力如表3，可以看出其斷面過流能力遠(yuǎn)不能滿足各暴雨頻率下的洪峰流量，因此在溝道上游洪'水下切沖刷作用明顯。

表3 不同暴雨頻率下洪水過流能力評(píng)價(jià)結(jié)果

3.3 溝道洪水沖刷深度計(jì)算

溝道洪水沖刷深度hs采用式（2）進(jìn)行計(jì)算。

式（2）、式（3）中：Ucp為近岸垂線平均流速，m/s；U為行進(jìn)流速，m/s；η為水流流速不均勻系數(shù)，根據(jù)水流流向與岸坡交角，查堤防規(guī)范D.2.2采用；H0為行進(jìn)水流水深，m，各段面左右岸水深根據(jù)不同暴雨頻率下洪水流量和流速反算洪水?dāng)嗝婷娣e后量測斷面得到；n為與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)，取n=1/4～1/6；Uc為泥沙啟動(dòng)流速，m/s，砂質(zhì)河床采用經(jīng)驗(yàn)公式[1-（2]式4）進(jìn)行計(jì)算。

式中：d50為河床砂質(zhì)中值粒徑；γs、γ為泥沙與水的容重，kN/m3。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查的溝道特征及P=5%、P=2%暴雨頻率洪水計(jì)算參數(shù)，計(jì)算各段面洪水沖刷深度如表4所示。

表4 不同暴雨頻率下洪水沖刷深度計(jì)算結(jié)果

4 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

4.1 計(jì)算方法

根據(jù)前述綜合分析，由于該邊坡主要受洪水沖刷坡腳影響，因此，本次主要計(jì)算洪水沖刷工況下坡體穩(wěn)定性，結(jié)合場地歷史暴雨洪水特征，洪水沖刷工況以P=2%暴雨作用下沖刷深度形成的各斜坡坡腳臨空條件進(jìn)行分析。

本次計(jì)算采用基于極限平衡理論的傳遞系數(shù)法對(duì)該斜坡的整體穩(wěn)定性進(jìn)行定量分析計(jì)算[3-4]（式5）。

式中：Wi為第i條塊的重量，kN/m；αi為第i條塊滑面傾角，(°)；φi為第i條塊內(nèi)摩擦角，(°)；Ci為第i條塊內(nèi)聚力，kPa；Li為第i條塊滑面長度，m；ψj為第i-1塊段的剩余下滑力傳遞至第i塊段時(shí)的傳遞系數(shù)(j=i)，ψj=cos(αi-1-αi)-sin(αi-1-αi)·tanφi；Rn=Wncosαntanφi+CnLn；Tn=Wnsinαn。

4.2 計(jì)算參數(shù)及模型的確定

邊坡土體為含粉土角礫，為碎石土類，土體強(qiáng)度參數(shù)按照現(xiàn)場土體的物理性質(zhì)實(shí)驗(yàn)及顆分組成并結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)進(jìn)行取值（表5）。

表5 土體計(jì)算參數(shù)值

斜坡均為碎石土類邊坡，現(xiàn)場調(diào)查無法確定該斜坡的潛在滑面位置，計(jì)算滑面按照碎石土坡休止角滑動(dòng)模式進(jìn)行分析[5-6]，其中土層休止角按照土層c、φ值取綜合內(nèi)摩擦角確定，并按照《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50286—2013）》中提供的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算斜坡土層綜合內(nèi)摩擦角φD如表6所示。以斜坡土層天然休止角（φD）斜坡面簡化為斜坡的潛在滑動(dòng)面，根據(jù)確定的各斜坡土層天然休止角（φD）及P=2%暴雨洪水沖刷深度值（表4）綜合確定各剖面斜坡滑動(dòng)計(jì)算模型（圖3）。

圖3 邊坡滑體條分示意圖

表6 各計(jì)算剖面模型控制尺寸參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

4.3 穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)上述參數(shù)及計(jì)算模型，經(jīng)計(jì)算的邊坡穩(wěn)定性結(jié)果見表7。

表7 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

定量計(jì)算結(jié)果表明：邊坡在天然工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.138，處于基本穩(wěn)定；在洪水沖刷工況條件下穩(wěn)定系數(shù)為0.862，為不穩(wěn)定?？梢姡吰聵O易在洪水沖刷作用下失穩(wěn)。

5 結(jié)論

在充分分析研究該碎石土邊坡失穩(wěn)機(jī)理和邊坡變形破壞特征的基礎(chǔ)上，通過調(diào)查溝段洪水特征，計(jì)算不同暴雨頻率下洪水沖刷深度，基于沖刷深度得到邊坡失穩(wěn)潛在滑動(dòng)面位置，依據(jù)邊坡失穩(wěn)模型計(jì)算得到該邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài)。該計(jì)算方法較常規(guī)邊坡計(jì)算方法更具有實(shí)踐操作性，更能反應(yīng)出洪水沖刷作用下的碎石土邊坡失穩(wěn)機(jī)理，可為類似碎石土邊坡失穩(wěn)分析提供技術(shù)支持。