彭楠琦， 高惠瑛， 呂文舒

(1.中國海洋大學 工程學院， 山東 青島 266100； 2.中交水運規(guī)劃設計研究院， 北京市 100006)

隨著目前公路交通建設的發(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較差，在外界條件影響下，若邊坡內的力學平衡發(fā)生了破壞，便有可能發(fā)生失穩(wěn)滑坡災害[1-2]。關于棄土場邊坡穩(wěn)定性的分析、預警及相關處治成了工程技術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)實際問題建立模型，利用開發(fā)的Slope Designer對滑坡進行了穩(wěn)定性分析；ZHANG等[4]運用數(shù)值分析軟件對邊坡進行分析，計算結果與實測結果吻合較好，驗證了數(shù)值分析的準確性。為了對影響棄土場邊坡穩(wěn)定性的因素進行合理分析，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”。關于邊坡的防治措施，歐美國家從19世紀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，各種地質條件復雜，邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象較為嚴重。通過引進國外處治措施，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，內部有效應力狀態(tài)容易發(fā)生較大變化。因此，結合降雨條件下土體滲流場的變化對棄土場穩(wěn)定性進行研究，并提出相應的預警標準和處治措施具有重要的實際意義，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，嘗試獲取有關棄土場邊坡穩(wěn)定性的降雨時間預警標準。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，導致交通運輸被迫中斷；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，加大維修費用。因此研究降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性的作用機理顯得尤為重要。

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

(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)律進行研究。非飽和土體的抗剪強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]提出了應用到非飽和土抗剪強度的摩爾庫侖準則：

τ=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb

(2)

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

土體抗剪強度參數(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，對土體抗剪強度參數(shù)(c′、φ′)存在“劣化作用”。其中土的有效黏聚力、有效內摩擦角與含水率關系可分別按二次拋物線關系與對數(shù)關系進行擬合：

(3)

式中：參數(shù)A、B、C、D、E和F可以通過試驗確定。

圖2 黏聚力與含水率的關系曲線

圖3 內摩擦角與含水率的關系曲線

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

2 工程概況

2.1 場地區(qū)域地質條件

場地現(xiàn)為無序亂填區(qū)，地形及坡形較零亂，低洼處建有護堤，棄土場區(qū)域呈東西向的帶狀分布，場地內東、南、北側自然山坡植被發(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、強風化花崗片麻巖。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。場地內雜填土與強風化巖為中等透水性地層，素填土、黏土及粉質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)屬于亞熱帶季風性氣候，主要特點為氣候比較適宜，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，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剖面進行棄土場邊坡穩(wěn)定性分析。繪制邊坡地質剖面如圖5所示，邊坡由5種性質不同的土層組成，從上至下依次為：雜填土、素填土、沖洪積層黏土、殘積層粉質黏土、全風化花崗片麻巖與強風化花崗片麻巖。

依據(jù)勘察點的數(shù)據(jù)，棄土場邊坡地下水位高程37.5 m。進行降雨分析時需運用Seep/W模塊，對邊坡模型的有限元區(qū)域進行網格劃分(網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，將模型的網格邊長設置為1.0 m，將模型劃分為2 899個節(jié)點和2 790個單元；并在坡頂、坡中與坡腳不同高度位置分別設置了監(jiān)測點。同時在計算中假設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模型底部設置為不透水邊界；③模型坡面設置為降雨入滲，根據(jù)降雨強度、降雨持時及入滲面坡率之間的關系，建立相應的流量邊界函數(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)場取樣進行土樣類別鑒定，再根據(jù)相關土工試驗和軟件自帶材料庫，確定土樣的基本物理性質參數(shù)見表1。

受試驗條件的影響，該文未測試土樣的土-水特征曲線，而是結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：結構面的破壞、邊坡外形的改變、巖土體力學性質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?shù)叵募鹃L期暴雨情況，選擇降雨強度值為100 mm/d，同時將降雨時長設置為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，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)測點的孔隙水壓力隨高程變化曲線如圖10所示。

結合圖9、10對棄土場邊坡的滲流場隨降雨持時的變化情況進行分析。邊坡內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)，負孔隙水壓力向正孔隙水壓力發(fā)展，隨著降雨的繼續(xù)進行，邊坡的表層范圍內暫態(tài)飽和區(qū)面積不斷擴大。

由監(jiān)測點處孔隙水壓力可知：降雨條件下，不同位置監(jiān)測點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)測點處的孔隙水壓力≥0 kPa。

3.4 降雨預警等級分析

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應達到1.30，根據(jù)邊坡穩(wěn)定狀態(tài)的劃分(表2)，假設平均降雨強度保持在100 mm/d，則可以推算建立有關棄土場穩(wěn)定性的雨季降雨時間預警等級(表3)，預警等級越高，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)，因此需要對邊坡進行治理。目前，常見的處治措施主要有：邊坡支護、邊坡排水及虹吸法排水等[14]。為驗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 降雨時間預警等級

邊坡穩(wěn)定性規(guī)律的研究。對應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中的管道布設在坡中位置，管長均為10 m，埋設傾角為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。降雨強度為100 mm/d，降雨持時為20 d。

Gureghian等[15]在進行排水分析時，將排水孔作為定水頭邊界從而利用有限元進行求解，該文分析時，采用單排排水管對邊坡進行排水處理，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，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)達到最大值。

5 結論

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，得到如下結論：

(1) 邊坡內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)內孔隙水壓力由負值逐漸發(fā)展成正值，導致基質吸力降低及抗剪強度衰減，這是棄土場邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞的一般內在機理。

(2) 降雨強度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)定性的方法和預警等級標準，將9、19、21 d作為降雨預警等級閾值。

(4) 降雨強度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)。