降雨入滲和地下水滲流對邊坡穩定性的影響分析

■傅洪金（福建省交通規劃設計院，福州350004）

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降雨入滲和地下水滲流對邊坡穩定性的影響分析

■傅洪金
（福建省交通規劃設計院，福州350004）

本文在收集福建省有關公路邊坡的工程勘察、設計、施工等有關資料的基礎上，通過對福建省幾個典型案例的邊坡失穩原因進行分析和總結，分析了斜坡上發育有透水性較強的土層時降雨入滲和地下水滲流對邊坡穩定性的影響，特別是線路位于坡腳、近坡腳地段的坡積裙、洪積扇地貌區。深入研究了邊坡在持續降雨作用下地下水的滲流場、飽水增載效應、軟化作用和浮托作用及潛蝕作用等，并系統地論述了在持續降雨作用下邊坡穩定性的有關計算公式。

邊坡滲流地下水透水性穩定性分析

1引言

邊坡病害在工程建設中普遍存在，并伴隨著礦產開采、山區道路的發展而日益嚴重。近年來，隨著我國高速公路、高速鐵路等大規模工程建設的開展，我國對邊坡的失穩機理和控制技術的研究也取得顯著的成就。

眾所周知，影響邊坡穩定的因素很多，包括地形、地層結構、地質構造、結構面特征、地下水特征和降雨、人為工程活動等，其中降雨和地下水的作用越來越為人們所重視。筆者在收集、分析福建省山區高速公路邊坡失穩案例時發現，斜坡上透水性差的粘性土或全風化巖層的上部發育有坡（洪）積碎石、碎石類混合土等透水性較好的巖土層時，邊坡失穩的概率就明顯較高，著名的福建省浦南高速公路金斗山滑坡就是其中的典型案例。這些案例表明，在邊坡施工、運營過程中，降雨和地下水對邊坡的影響在不同階段呈現出不同的作用方式。為此，筆者根據福建省高速公路建設中的幾個典型案例，分析、研究斜坡上發育有透水性相對較好的巖土層時，降雨和地下水對邊坡穩定的作用機理。

2理論分析

2.1降雨入滲過程和地下水運動

降雨入滲過程其實是入滲后的水體在非飽和土體中的運動過程，即水在入滲后替換土中空氣的過程。降雨入滲可分兩個階段：開始階段降雨入滲速度大于降雨強度，地表未出現積水，屬于無壓入滲；隨著入滲作用的深入，含水梯度不斷減小，入滲率不斷降低，當降雨入滲速度小于降雨強度時，地表出現了積水或徑流，開始呈現有壓入滲［1］。

地下水運動的主要形式是重力作用下的滲流和毛細力作用下的升降運動。其中毛細水對工程的影響主要是毛細水上升后增加了地下潛水面上部毛細上升帶土體的重度，對邊坡穩定性影響甚微，一般可予以忽略。所以，邊坡穩定分析主要考慮地下水的滲流作用。

2.2斜坡地下水的滲流作用

在福建山區近山坡腳地段，特別是坡積群、洪積扇地貌區，斜坡上一般發育有一層碎石、含黏土碎石等透水性較好的土層，部分上部覆蓋有相對隔水層的粘性土，部分則裸露于地表，其下部一般為透水層明顯較差的殘（坡）積粘性土，圖1為典型的橫向剖面圖。

從圖1可看出，斜坡含水層一般在山坡的中、上部接受大氣降雨的補給，地下水順山坡往坡腳方向徑流，向當地溝谷呈泉形式排泄，或者向溝谷地表水排泄。在自然狀態下，地下水在山坡的中、上部一般為潛水，而在下部的坡腳地帶一般具有承壓性。

圖1　典型斜坡橫向剖面圖

在邊坡施工開挖前，由于坡腳地帶緩坡的阻滯作用，即使在持續強降雨作用下，地下水位的抬升導致整個地下含水層飽和，但地下水的總體流速提高不大，滲流作用的增強有限。

而在邊坡施工開挖后，由于地下水含水層被開挖后裸露于坡面上，地下水直接從坡面上滲流出來，地下水徑流途徑變短、水交替明顯加強，持續降雨后地下水的實際流速就明顯加大，滲流作用就將明顯增強。

對于如圖1所示的巖土結構，在持續強降雨作用下，斜坡上的地下水對邊坡穩定性的影響一般包括了以下幾個方面：

（1）飽水加載效應：含水層（帶）的土體汲水飽和，導致土體重度增大。持續降雨，長時間的降雨入滲，將使得整個含水層（帶）的土體均處于飽和狀態；所以，進行持續降雨影響下的邊坡穩定性分析時，含水層（帶）的土體應按飽和狀態計算其重量。

（2）軟化作用：在持續降雨作用下，透水性較好的土層飽水，對下部相對隔水層土體的表層產生潤滑和軟化作用，導致含水層（帶）土體與下部隔水土層的接觸帶抗剪強度明顯降低。所以，持續降雨影響下的邊坡穩定性分析，含水層（帶）土體與下部隔水土層的接觸帶應采用下部隔水土層的飽和抗剪強度進行邊坡穩定性的計算。

（3）滲流作用：由于邊坡開挖導致水交替明顯增強，持續降雨后地下水的實際流速就明顯加大，地下水的滲流作用將有較大幅度的提高。所以，在進行持續降雨影響下的邊坡穩定性分析，不能采用邊坡開挖前地下水水位的觀測成果進行地下水滲流場計算，而應該采用考慮邊坡后坡面含水層揭露后泄流、在持續降雨作用下的地下水水力梯度進行地下水滲流場計算。上部邊界應算至含水層補給區，下方應算至邊坡滲流口。

（4）潛蝕作用：因邊坡開挖導致水交替明顯加強，如果邊坡防護不合理，地下水的潛蝕作用將隨時間而明顯增強。長期讓地下水直接從坡面上滲流出來，地下水含水層中的細小顆粒將隨地下水的滲流而流失，從而導致土體變松，甚至產生管涌，坡面上的含水層與下部相對隔水土層的接觸帶產生流土，并使得含水層滲透性增強、接觸帶抗剪強度進一步降低，降雨后的地下水流速進一步加大，地下水的滲流作用隨之進一步增強。所以，對于邊坡工程，考慮邊坡工程的長久性，應當考慮地下水的潛蝕作用對邊坡長期穩定性的影響，視具體情況加大對安全穩定系數的要求。地下水的潛蝕作用與含水層的結構、顆粒組成和邊坡地下水的水力梯度有關。當地下水滲流中的水力梯度（I）大于土層的臨界水力梯度（I0）時，就會發生潛蝕作用，其中土層的臨界水力梯度（I0）一般與土層的結構、顆粒組成有關；土層的不均勻系數越大，越易產生潛蝕作用。

（5）浮托作用：當斜坡發育有承壓含水層時，地下水對上部透水性差的土層具有浮托作用。對于可能的滑動帶上部發育有承壓含水層時，必須考慮承壓水對土體的浮托作用。

2.3流固耦合計算原理

持續降雨導致邊坡坡體產生較強的滲流場，而邊坡上的土體在自重和其他荷重作用下產生了應力場，兩者在邊坡上是相互聯系和相互作用的。所以，邊坡穩定性分析時應將兩者統一地進行研究，即所謂的“流體-固體耦合”計算，簡稱流固耦合計算。

現在流固耦合計算一般采用三維快速拉格朗日法，該方法是一種基于三維顯式有限差分法的數值分析方法。對于地下水的滲流作用，邊坡穩定性分析時一般可簡化為異向同性的多孔介質中的單相滲流，地下水的滲透可認為符合達西（Darcy）定律。

對于圖1所示的斜坡巖土結構，邊坡將很有可能在持續降雨作用下沿含水層底面失穩。這時，邊坡穩定性分析應采用完全飽和的土體流固耦合計算。以下是使用有限差分法計算的幾個主要方程。

（1）平衡方程

對于小變形，流體質點的平衡方程為：

（1）

式中，qi，i為滲透速度（m/s），qv是被測體積的流體源速度；ζ為單位體積孔隙介質的流體變化量；t為滲流時間（s）。

（2）運動方程

qi=k（ρjxjgj-p）

（2）

式中，k為滲流系數（m2/Pa·s）；ρ為孔隙水壓力；ρj是流體密度（kg/m3）；gj是重力加速度的三個分量（m/s2）。

達西公式：K=q/I，q為單位斷面的流量，I為水力梯度。

（3）流體連續性方程

對于斜坡上粘性土層上部發育有透水性較好的土層的邊坡，在持續降雨作用下，進行邊坡沿兩者接觸帶失穩的分析時，可按完全飽和土體中的滲流來考慮滲流作用，流體連續性方程可表達為：

（3）

（4）

式中，M為Biot模量（m/s2）；α是Biot常數；T溫度，為ε為體積應變，s是常數或者等于1。

不考慮溫度變化對邊坡變形的影響時，上式可簡化為：

（5）

（4）相容方程

為速度梯度與應變率之間的關系：

（6）

式中，v為介質中某點的速度。

（5）透水邊界條件

（7）

式中，qn為邊界法線方向的流速分量；h是入滲系數（m3/N·s）；p為邊界處的孔隙水壓力；pe為邊坡滲流口處的孔隙水壓力。

2.4邊坡安全系數的計算

根據上述有限元分析，可以得到每個節點的應力張量，對于擬定的潛在滑動帶，可以采用有限元數據給出滑動帶一點的法向應力σn和τ，根據Mohr-Coulomb破壞準則可求得該點的抗滑力，由此即可求得滑動帶上每點的下滑力和抗滑力，再對滑動帶上的下滑力和抗滑力進行積分計算，就可求得該滑動帶的穩定系數（安全系數）：

（8）

式中，c、φ為滑動帶的抗剪強度，可以取下部粘性土（隔水層）的飽和抗剪強度。α為滑動帶傾角，σx、σy、τxy分別為計算點的應力分量，為綜合考慮滲流場和土體在自重、其他荷重作用下產生應力場共同作用的應力分量［2］。

2.5邊坡安全系數的簡化計算

對于山區道路，邊坡路段往往較多，一般每段邊坡的勘探工作量往往有限，這導致采用有限元數值法分析時，測點和巖土物理力學指標測試數量偏少，給計算帶來困難。為此，我們可以根據擬定的潛在滑動帶，采用條分法計算滑動帶上每條塊的下滑力和抗滑力，再對滑動帶上的下滑力和抗滑力進行累加計算，就可求得該滑動帶的穩定系數（安全系數）：

（9）

式中，Li為條塊的滑帶長度；C、φ為滑帶的飽和抗剪強度，可取下部相對隔水層的飽和抗剪強度；Wi為條塊的重量，含水層取飽和重度下的重量；Ai為條塊水位以下的面積，γw為水的重度；Ii為條塊的水力梯度。

當擬定的滑動面上部發育有承壓含水層時，尚需考慮相應條塊的地下水浮力，H0為地下水壓力，從滑床向上算起，浮力［3］PW=γWgH0。

3工程實例

3.1雙永高速公路K168段滑坡

該滑坡的里程樁號K167+780～K168+000，長約100m，寬約110m，高差約45m，滑體體積約1.0×105m3，位于山坡近坡腳地段，原設計為高度約16m的2階路塹邊坡，設計放坡坡率上為1∶1.25、下為1∶1.00，兩階之間設有寬2.0m的平臺。按照一般情況，這種普通邊坡采取臺式大放坡開挖后應當是比較安全的，無需采取特殊支護措施。但邊坡開挖至設計路面后，時值連續降雨，邊坡發生了明顯的變形破壞，在采取緊急反壓措施后仍出現緩慢變形。邊坡失穩后的孔內變形檢測結果顯示，滑動面位于坡洪積碎石類混合土之下的殘積粘性土或坡洪積粘土的頂部［4］。

該邊坡段為丘陵斜坡地貌，但兩側均為小溝谷狀，在山坡呈現為相對低洼的類椅狀，微地貌上為坡腳坡洪積扇地貌，自然山坡呈上緩-中陡-下緩的地形特征，下部為15～20°的緩坡，中部為30～40°的陡坡，上部為5～10°的緩坡臺地。

圖2　雙永高速公路K168段滑坡遠景

圖3　坡面地下水出露

根據勘察資料，該邊坡巖土結構復雜，表層為坡積黏土，其下為透水性較好的坡洪積碎石、碎石類混合土（碎石、角礫混雜粘性土），往下部為透水性較差的坡洪積黏土、殘積粘性土及粉砂巖、砂巖風化層。

該邊坡地下水主要為坡洪積碎石、碎石類混合土中的孔隙水和下部巖層風化帶中的孔隙-裂隙承壓水，其中坡洪積碎石、碎石類混合土中的孔隙水對邊坡穩定性有明顯影響，而下部巖層風化帶中的孔隙-裂隙承壓水因含水層埋藏較深，對邊坡穩定性影響較小。坡洪積碎石、碎石類混合土中的孔隙水在山坡下部為承壓水，山坡中、上部為潛水，地下水水位深度為3.80-27.0m，受降雨影響大。

滑坡段地下水為潛水，可不考慮地下水的浮托作用。滑坡段的水力梯度平均達0.28，當殘積粘性土飽和強度取c=16kPa、φ=15°，坡積黏土重度取18.5kN/m3，坡洪積碎石類混合土飽和重度取21.0kN/m3，根據上述簡化公式（公式9），沿下圖4所示的滑動面進行持續降雨狀態下的邊坡穩定性計算，邊坡穩定系數在考慮滲流作用時僅為0.93，邊坡沿該擬定滑面穩定性差，計算結果與邊坡實際發生過程吻合。

圖4　K168段滑坡軸線剖面圖

該邊坡最終采用錨索抗滑樁、錨索框架加固，結合排水、坡面防護工程等綜合治理措施，對滑坡進行了治理。從工程施工過程看，該邊坡工程因邊坡高度不大而在設計、施工前未進行勘察，從而未考慮施工開挖后特殊巖土結構下的滲流作用對邊坡穩定性的影響，特別是本邊坡路段坡洪積碎石、碎石類混合土分布范圍較廣、底面坡度大，開挖后邊坡段地下水水力梯度達0.28，降雨后滲流作用強，導致邊坡在持續降雨后失穩，造成經濟損失達數百萬圓。

3.2湄渝高速公路莆田段莊邊滑坡

該滑坡位于湄渝高速公路（莆田段）的K64+940～K65+360左側山坡上，與雙永高速公路K168段滑坡的特征極為相似。原設計為高約22.5m的3階路塹邊坡，設計放坡坡率下為1∶1.00、上部兩階為1∶1.25，上、下階之間設有寬2.0m的平臺。在邊坡開挖至設計路面后，也是時逢連續降雨，邊坡發生了明顯的變形破壞，滑坡體寬度約180m，長約130m，厚度約3～14m，滑體體積約2.1× 105m3。邊坡失穩后的坡腳剪出口位置（圖6）和孔內變形檢測結果顯示，滑動面位于坡洪積碎石土之下的殘積粘性土頂部。

該邊坡段為丘陵斜坡地貌，但在山坡上呈現為相對低洼的類椅狀地貌，微地貌上為坡洪積裙地貌，整個自然山坡呈上陡-中緩-下陡的地形特征，下部為15～20°的相對陡坡，中部（為滑體上部）為5～10°的緩坡臺地，滑體上部則為25～30°的陡坡。

圖5　滑坡平面圖

根據鉆探成果，場地地層巖性自上而下為：①坡積碎石混粘性土，透水性相對較好，為弱含水層；②坡積碎石土，充填物為粘性土，透水性較好，為含水層；③殘積粘性土，可塑-硬塑狀，為高液限土，透水性差，遇水易軟化；④全風化（含礫）凝灰巖，透水性較差，為相對隔水層；⑤強風化層熔結凝灰巖、（含礫）凝灰巖，透水性相對較好，為弱含水層。

圖6　滑坡剪出口

本邊坡地質構造較為發育，在滑坡軸線附近發育有一北東向斷裂，坡腳處有一北西向斷裂構造小角度斜穿坡面。地質構造的發育，導致本邊坡路段巖石風化均勻性差、巖面起伏大，地下水較為豐富。

地下水主要為坡積碎石混粘性土中的孔隙潛水和下部巖層風化帶中的孔隙-裂隙承壓水，接受大氣降水補給，雨季地下水位埋深在2.3～5.3m，旱季（2015年4月）水位埋深則多在7.67～15.56m間，水位變化幅度大于5.0m。邊坡開挖至路床后，降雨時在近坡腳處可見明顯的地下水滲出。其中坡積碎石混粘性土中的孔隙水對邊坡穩定性有明顯影響，而下部巖層風化帶中的孔隙-裂隙承壓水因含水層埋藏較深，對邊坡穩定性影響較小。

滑坡段地下水為潛水，可不考慮地下水的浮托作用。經計算滑坡段的平均水力坡度約為0.26，當殘積粘性土飽和強度取c=10kPa、φ=13.5°，坡積碎石混粘性土飽和重度取20.5kN/m3。根據上述簡化公式（公式9）沿第二次滑動面進行持續降雨狀態下的抗滑穩定性計算，邊坡穩定系數在滲流作用下僅為0.94。計算結果反映了邊坡實際發生過程。

該邊坡采取錨索抗滑樁和錨索框架加固，結合排水、坡面防護工程等綜合治理措施，對滑坡進行了治理。與上一案例一樣，該邊坡也是由于邊坡高度不大而在設計、施工前未進行勘察，從而未考慮施工開挖后特殊巖土結構下的滲流作用對邊坡穩定性的影響，特別是該邊坡路段坡積碎石、碎石混粘性土分布范圍較廣、下部殘積粘性土和全風化巖層為高液限土，降雨后遭泡水后抗剪強度產生較大幅度的降低，同時滲流作用較強，導致邊坡在持續降雨后失穩，造成后期滑坡治理的工程費用達近千萬圓，是一個不小的經驗教訓。

3.3福建省浦南高速公路金斗山滑坡

該滑坡多次滑動，規模大，在福建影響較大。該路段位于福建省浦城-南平高速公路建甌段，樁號K211+659-K211+960段左側，滑坡寬約280m、長約135m，滑體厚度約10.0～25.0m、體積約1.0×107m3，為一厚層土質滑坡。原設計為6階、高約48.8m的高邊坡，采用臺式放坡結合錨索框架、片石混凝土擋墻支護，坡腳放坡坡率1∶0.50結合片石混凝土擋墻支擋，第二階1∶0.75結合錨索框架支護，第三、四階1∶1.00結合錨索框架支護，第五、六階放坡坡率1∶1.25。本邊坡段雖然開挖高度較大，但坡體無軟弱土層，總體設計放坡坡率較緩，且有較強的加固、支擋措施，一般情況下應當有較大的穩定安全系數。然而因原有勘探孔太少，開挖后實際巖土結構與原有勘察成果有較大變化，結果在該公路通車近一年后，因2010年5月份福建閩西北地區遭受特大洪災，在持續強降雨作用下，導致邊坡嚴重變形破壞。邊坡失穩后的地表、深部變形監測結果表明，主滑段滑動面位于碎石土之下的殘積粘性土-全風化巖層上部；該邊坡失穩后滑動面不斷往后緣發展，形成了多條滑動面，部分滑動面埋深達20m以上。

該邊坡工程位于山坡近坡腳地段，為低山洪積扇地貌，線路從洪積扇地貌區的中下部經過。整個自然山坡呈上陡-中緩-下陡的地形特征，山體下部為20°～25°的相對陡坡，中部（為洪積扇中、上部）為5°～15°的緩坡，洪積扇的上方則為30°～40°的陡坡。

根據鉆探成果和現場開挖，該邊坡段主要地層巖性自上而下為：①粘土，透水性差，可塑；②碎石夾粘性土，碎石透水性較好，為含水層；③殘積粘性土，可塑-硬塑狀，為高液限土，透水性差，遇水易軟化；④全風化砂礫巖，透水性較差，為相對隔水層；⑤強風化層砂礫巖，透水性相對較好，為弱含水層。下部為中風化砂礫巖。其中①粘土和③殘積粘性土為高液限土層。

場地地下水主要為碎石土中的孔隙承壓水和下部強、中風化層石英砂礫巖中的孔隙-裂隙承壓水，主要受大氣降水補給。其中下部巖層風化帶中的孔隙-裂隙承壓水因含水層埋藏較深，對邊坡穩定性影響較小。對邊坡穩定性有明顯影響的時上部碎石層中的孔隙水。根據調查，碎石層中地下水的補給區為洪積扇上部，與邊坡坡腳距離達200～300m，高差約100m，持續降雨狀態下地下水水力梯度大、滲流作用強，且邊坡地段地下水為承壓水，對上部粘土層具有浮力，故降雨入滲和地下水滲流對邊坡穩定性影響極大。

該滑坡發生后，眾多巖土界的技術人員、專家先后前往現場調查、研究，部分巖土界人士認為該滑坡為古滑坡復活所致。但根據現場調查和后期補充勘察成果分析，筆者認為該邊坡無古滑坡的明顯依據。從該滑坡發生情況看，原有勘察工作量嚴重不足（僅1個鉆孔和1條淺層地震勘探線），原有鉆探成果未發現有碎石層，施工中巖土結構和地下水特征出現較大變化時未能及時調整防治措施，從而導致邊坡在持續強降雨作用發生失穩破壞。邊坡下部出現大流量的上升泉，說明了持續強降雨狀態下地下水的滲流作用和浮力作用強，原有設計方案忽視了這一點，顯然是邊坡失穩的主要原因。據最終的勘察成果，當不考慮加固措施的作用時，持續降雨作用下透水土層采用飽和重度，滑動面采用飽和抗剪強度，充分考慮了地下水的滲流作用和浮托作用，采用上述公式（8）及其相關公式進行該邊坡的穩定性計算，邊坡沿最后滑動面的穩定系數僅為0.82，原有的加固措施無法滿足持續強降雨作用下的邊坡穩定要求，反映了該邊坡在持續強降雨作用下地下水具有很強的滲流作用、浮托作用和軟化效應。

為此，該邊坡后來在原有加固措施的基礎上，采取了加大平臺寬度、放緩原有放坡坡率（1∶1.5～1∶2.0）進行大卸載，加設錨索抗滑樁、剛架樁（雙排樁），錨索框架和地下排水、地表截排水等綜合治理措施，方才根治了該滑坡。滑坡治理費用高達數千萬圓，是個慘重的教訓。

圖7　莊邊滑坡軸線剖面圖

圖8　金斗山滑坡軸線剖面圖

4結語

降雨入滲和地下水的滲流作用對邊坡穩定性的影響，已越來越為人們所重視。在斜坡上發育有碎石類土、碎石類混合土等透水性較好的土層時，更應當把降雨入滲和地下水的滲流作用作為重要的影響因素來考慮。

（1）根據筆者對福建省道路邊坡失穩案例的調查，在斜坡上粘性土上部發育有碎石類土、碎石類混合土等含水層時，邊坡失穩的概率明顯較高，特別是含水層下部為高液限土的邊坡。

（2）在斜坡上發育有碎石類土、碎石類混合土等透水性較好的土層時，應當驗算邊坡在持續降雨狀態下可能主要沿透水層底面下滑的邊坡穩定性，計算中應考慮地下水的滲流場、飽水增載效應和軟化作用及浮力等。

（3）一般情況下，在坡腳、近坡腳地段的坡積裙、洪積扇地貌區，普遍發育有碎石類土、碎石類混合土等透水性較好的土層。道路在這些地貌區經過時，應當關注降雨入滲和地下水的滲流作用對邊坡穩定性的影響。

（4）對于需要考慮長久性的邊坡工程，還應當分析、研究地下水的潛蝕作用，并采取相應的防治措施。

（5）對于普通邊坡工程，一般可采用條分法計算邊坡在滲流作用下的穩定安全系數。對于高邊坡或者臨近有其他重要建筑物的邊坡工程，建議采用有限元法計算邊坡在滲流作用下的穩定安全系數。

（6）工程勘察是邊坡工程設計、施工的基礎，加大邊坡勘察工作的力度，是確保邊坡安全的基本保證。加強邊坡變形監測、采用動態設計和信息化施工技術，是邊坡工程減少失穩破壞的有效手段，應當得以大力推廣。

［1］陳守義.考慮入滲和蒸發影響的土體穩定性分析方法［J］.巖土力學，1997，18（2）.

［2］馬惠民，王恭先，周德培.山區高速公路高邊坡病害防治實例［M］.北京：人民交通出版社，2006.

［3］建設部執業資格注冊中心、建設部電教中心.趙浩，等.全國注冊土木工程師（巖土）執業資格專業考試輔導［M］.中國計劃出版社，2002。

［4］丘仁科.雙永高速公路K167段滑坡病害治理研究［J］.福建交通科技，2014，5：9-11.