某公路路基失穩(wěn)階段的邊坡滑塌防治方案

林遠(yuǎn)航 趙武鹍

(1.紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司紫金山金銅礦；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司)

我國(guó)公路網(wǎng)分布路線較為廣泛，公路邊坡滑塌受多種因素影響，在眾多因素中，降雨影響尤為顯著，近年來(lái)，強(qiáng)降雨導(dǎo)致公路邊坡滑塌事故不斷增多。為有效防治該類事故，大量學(xué)者對(duì)對(duì)降雨條件下邊坡的滑塌機(jī)理及相關(guān)因素進(jìn)行了系統(tǒng)研究，孫剛志等[1]對(duì)自然狀態(tài)和降雨?duì)顟B(tài)下的某公路邊坡進(jìn)行了模擬分析，探討了2種情況下的邊坡安全問(wèn)題；沈思建等[2]通過(guò)分析節(jié)理位移趨勢(shì)與邊坡變形規(guī)律，認(rèn)為節(jié)理邊坡變形受優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面控制，降雨導(dǎo)致地下水位抬升加速了邊坡變形破壞；路彥青[3]分析了在降雨條件下某公路路基滲流特性、邊坡失穩(wěn)規(guī)律，并建立了分析模型，對(duì)于有效預(yù)防公路路基滑坡災(zāi)害有一定的效果；屈鑫[4]通過(guò)試驗(yàn)，確定了含水率和圍壓的變化對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響，對(duì)降雨入滲條件下邊坡穩(wěn)定性的影響因素進(jìn)行了敏感度分析，并進(jìn)一步討論了降雨強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)間對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響；余濤[5]針對(duì)粗粒土路堤邊坡，進(jìn)行了孔隙水壓力與含水率變化規(guī)律分析，得到了不同條件下邊坡安全系數(shù)的變化規(guī)律，認(rèn)為滲透系數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響較大。本研究在上述成果的基礎(chǔ)上，以某公路路基邊坡為例，分析連續(xù)降雨引起的邊坡滑塌機(jī)理，以安全系數(shù)為判斷標(biāo)準(zhǔn)分析該邊坡的失穩(wěn)階段，并結(jié)合公路路基地形地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)綜合防治方案。

1 工程概況

某公路屬于鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路，路基由砂土、風(fēng)化巖組成。公路所在地區(qū)為熱帶季風(fēng)氣候，濕潤(rùn)多雨，每年3～7月為雨季，最長(zhǎng)連續(xù)降雨天數(shù)31 d，總降雨量為440.3 mm。在連續(xù)降雨5 d后(日最大降雨量為242 mm)，該公路路基出現(xiàn)了沉降、邊坡局部滑塌現(xiàn)象，滑塌區(qū)域上口長(zhǎng)約30 m，高度為10～12 m(圖1、圖2)。

圖1 路基邊坡上部裂縫

圖2 路基邊坡沉降、局部滑塌

2 滑塌誘因

連續(xù)強(qiáng)降雨使得路基邊坡土體基質(zhì)吸力降低，從而降低了土體之間的吸力，并使得土體強(qiáng)度參數(shù)降低；連續(xù)強(qiáng)降雨抬升了路基邊坡浸潤(rùn)線，使得邊坡飽和土體量增加，加大了水壓力。在自重壓力及降雨坡面徑流影響下，坡體向臨空面蠕變的趨勢(shì)增大，當(dāng)變形超出一定范圍，路基邊坡便會(huì)出現(xiàn)沉降及局部滑塌。

2.1 降雨入滲過(guò)程

降雨入滲過(guò)程實(shí)質(zhì)是水在非飽和區(qū)—飽和區(qū)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，仍然滿足達(dá)西定律[6]，其飽和—非飽和滲流的控制方程可表示為

(1)

非穩(wěn)定滲流問(wèn)題的定解條件包括初始條件和邊界條件，前者可表示為

h(xi,t0)=h0(xt,t0) ，

(2)

后者可表示為

h(xi,t0)|Γ1=

(3)

式中，t0為初始時(shí)刻；Γ1為已知水頭邊界；Γ2為流量邊界。

2.2 降雨使得土體吸力逐漸降低

根據(jù)非飽和土力學(xué)理論[8]，土體吸力由基質(zhì)吸力和滲透吸力組成，即

Ψ=(ua-uw)+f，

(4)

式中，Ψ為土體吸力；f為滲透力;ua為孔隙氣壓力;uw為孔隙水壓力。

一般來(lái)說(shuō)，土體滲透力遠(yuǎn)小于基質(zhì)吸力[8]，因此，在降雨影響下，土體吸力減少主要考慮基質(zhì)吸力的影響。隨著土體含水量不斷增加，水充填土孔隙后，孔隙氣壓力ua不斷降低、孔隙水壓力uw不斷增大，由式(4)可知,土體基質(zhì)吸力不斷降低，這一過(guò)程可通過(guò)土水特征曲線來(lái)反應(yīng)[9]。本研究根據(jù)組成路基邊坡的粒徑信息，調(diào)用SEEP/W軟件中的VWC樣本函數(shù)[9-10]，得到了如圖3所示的土水特征曲線。

圖3 土水特征曲線

2.3 降雨導(dǎo)致邊坡土體強(qiáng)度參數(shù)減小

降雨導(dǎo)致土體強(qiáng)度軟化，可采用Frenlund等提出的非飽和土的抗剪強(qiáng)度公式進(jìn)行表述[6]

τ=C′+(σf-ua)ftanφ′+(ua-uw)ftanφb，

(5)

式中，C′為飽和土的有效黏聚力，MPa；φ′為飽和土的有效內(nèi)摩擦角,(°)；σf為破壞時(shí)的法向總應(yīng)力,MPa；ua為孔隙氣壓力,MPa；uw為孔隙水壓力,MPa；φb為基質(zhì)吸力的剪切摩擦角,(°)。

由式(5)可知：隨著持續(xù)性降雨，非飽和土體基質(zhì)吸力不斷降低，抗剪強(qiáng)度τ不斷降低。

2.4 降雨導(dǎo)致地下水位線抬升

本研究采用了文獻(xiàn)[4]介紹的第2類模型，即降雨入滲模型進(jìn)行分析。綜合考慮非飽和土滲透系數(shù)的空間變化特性，在降雨入滲過(guò)程中，土坡內(nèi)出現(xiàn)了暫態(tài)飽和區(qū)，飽和區(qū)與非飽和區(qū)相互作用、相互影響。本研究模擬分析了強(qiáng)降雨條件下8 d內(nèi)路基邊坡水位變化情況及水壓力，如圖4所示。分析圖4可知：初始條件下路基邊坡水位線以上的孔隙水壓力為負(fù)值，隨著降雨入滲，孔隙水壓力由負(fù)值逐漸變?yōu)檎担浑S著降雨入滲，孔隙水壓力沿著路基邊坡高程出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)、負(fù)壓力區(qū)、正壓力區(qū)；持續(xù)降雨使得路基邊坡水位線不斷上升，逐漸擴(kuò)大了邊坡土體的飽和區(qū)域，降雨6 d時(shí)，邊坡體已經(jīng)飽和；降雨7 d時(shí)，水壓力達(dá)到最大，對(duì)邊坡穩(wěn)定性極為不利。

圖4 強(qiáng)降雨條件下的路基邊坡水位線(單位：m)

3 路基邊坡破壞過(guò)程分析

本研究利用GEO-Slope軟件對(duì)降雨條件下的路基邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果如圖5、圖6所示。

綜合分析圖5、圖6、表1可知：①隨著持續(xù)降雨，路基邊坡安全系數(shù)總體呈逐漸降低趨勢(shì)；②未降雨時(shí)，邊坡失穩(wěn)階段為穩(wěn)定狀態(tài)，降雨1～2 d后，邊坡失穩(wěn)階段為基本穩(wěn)定階段，降雨3～4 d后，邊坡失穩(wěn)階段為欠穩(wěn)定狀態(tài)，降雨5 d以后，邊坡失穩(wěn)階段為不穩(wěn)定狀態(tài)，③降雨第5 d時(shí)，邊坡安全系數(shù)為0.979，與路基邊坡沉降、局部滑塌現(xiàn)象相吻合，此時(shí)邊坡未完全飽和；④降雨第6 d，由于邊坡未完全飽和，安全系數(shù)繼續(xù)減小為0.948，此時(shí)，邊坡全飽和；⑤降雨第7 d，由于水壓力繼續(xù)增大，安全系數(shù)減小至0.888，此時(shí)，水壓力達(dá)到最大；⑥降雨第8 d，水壓力保持不變，安全系數(shù)不變，為0.888。

4 邊坡滑塌防治方案

由于本研究公路為鄉(xiāng)鎮(zhèn)通道，同時(shí)公路下方存在工業(yè)場(chǎng)地，為保證其安全，需要采取工程治理措施。根據(jù)路基邊坡滑塌誘因及失穩(wěn)階段(不穩(wěn)定狀態(tài))，對(duì)綜合防治方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)。由于降雨入滲是導(dǎo)致該路基邊坡發(fā)生滑坡的主要誘因，針對(duì)降雨入滲情況，對(duì)路面進(jìn)行混凝土硬化，減少甚至防止雨水入滲；設(shè)置截、排水溝截留山坡匯水，及時(shí)導(dǎo)流路面積水。針對(duì)該路基邊坡高度、重要性程度及周圍環(huán)境易施工的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了“漿砌塊石擋墻壓坡”及“長(zhǎng)錨桿+框架梁+噴錨網(wǎng)”2種方案。支護(hù)設(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)滿足二級(jí)及以下公路對(duì)應(yīng)安全系數(shù)上限值的取值要求(表2)。

圖5 強(qiáng)降雨條件下路基邊坡安全系數(shù)

圖6 降雨天數(shù)與安全系數(shù)的關(guān)系

表1 滑坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分[11]

表2 路塹邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)[12]

注：表中正常工況為邊坡處于天然狀態(tài)下的工況；非正常工況為邊坡處于暴雨或連續(xù)降雨?duì)顟B(tài)的工況。

方案一(漿砌塊石擋墻壓坡)需要對(duì)道路下方的廠房進(jìn)行部分拆遷，為重力式擋墻提供施工空間。擋墻分為兩部分，下部外坡比1∶0.5，上部外坡比1∶1，具體型式如圖7所示。

圖7 方案一示意

方案二(長(zhǎng)錨桿+框架梁+噴錨網(wǎng))無(wú)需進(jìn)行廠房拆遷，但需清除路基邊坡坡面上的林木。根據(jù)滑塌區(qū)域現(xiàn)狀，采用“長(zhǎng)錨桿+框架梁+噴錨網(wǎng)”綜合措施進(jìn)行治理。為排出坡體水，在標(biāo)高424 m處設(shè)置了1排水平排滲孔，孔徑90 mm，內(nèi)置75 mm PVC管，間距4 m，深度約8 m，上傾6°(圖8)。

圖8 方案二示意

對(duì)方案一、二進(jìn)行綜合經(jīng)濟(jì)分析可知：方案一預(yù)算直接費(fèi)用為17.86萬(wàn)元，方案二預(yù)算直接費(fèi)用為21.36萬(wàn)元；2種方案施工均較容易；方案一除了正常施工費(fèi)用外，還需追加拆除部分廢棄廠房的費(fèi)用。總體上，2種方案均較適宜。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)某路基邊坡在連續(xù)強(qiáng)降雨條件下發(fā)生沉降、滑塌的情況，進(jìn)行了滑塌誘因分析，通過(guò)對(duì)降雨入滲過(guò)程、破壞過(guò)程進(jìn)行模擬分析，提出了基于滑塌誘因及失穩(wěn)階段的綜合治理方案，可供類似工程參考。