降雨誘發黃土邊坡失穩破壞機制研究

王花蕊

（新鄉市中原水利設計研究院，河南 新鄉 453000）

1 引言

在水利、交通、礦產等方面，經常遇到不穩定斜坡的問題。邊坡的破壞將帶來嚴重的經濟損失，對人身安全也產生極大的威脅。黃土是一種重要的第四紀沉積物。在我國，黃土分布的面積高達6.31×105km2，因此，在各項工程中，黃土邊坡是經常遇到的一個問題，怎么處理黃土邊坡也是一個難題。

許多專家學者對黃土邊坡進行了研究。張群、許強等[1]通過室內降水實驗分析滑坡降雨入滲深度，研究滑體厚度分布成因。G.Fausto[2]則研究了多個由于暴雨而誘發的滑坡。F.Mario和B.Francesca[3]則根據據歷史降雨記錄，建立了一個降雨誘發滑坡啟動判據模型。張明[4]通過對滑帶土進行環剪實驗，得出了在滑動過程中其孔隙水壓力以及剪切強度的變化特征并對緩傾巖層的滑坡誘發機制進行了總結。曾銀青[5]對黃土地區的橋梁被黃土邊坡沖毀進行了研究，對黃土地區橋梁設計進行了反思。竇增寧，胡夏嵩，劉昌義等[6]人采用現場模擬的方法研究了降水以及植被的防護作用對邊坡穩定性的影響。鄢治華，伍艷麗，饒虎[7]在統計多個項目的基礎上，構建了常規土質邊坡治理措施模型并進行了邊坡治理設計。吳謙，王常明等[8]采用室內物理模擬方法和PFC顆粒流數值方法，對遼寧西部某黃土邊坡進行研究，結果顯示水流的侵蝕能力從坡頂到坡腳呈增加趨勢。孔慶，劉小軍等[9]在現場調查的基礎上對練家溝黃土斜坡的變形破壞機制進行了研究，并采用數值模擬方法進行了治理措施研究。諶文武，劉偉等[10]采用三軸試驗研究了滲透剪切作用力下，黃土的力學變化特性，結果表明在滲透作用下黃土的黏聚力會產生明顯的降低，抗剪強度降低。

本文以某項目對黃土邊坡采取治理措施后由于連續強降雨造成邊坡表層破壞為研究對象，從黃土邊坡破壞的影響因素、破壞模式及治理措施等方面，研究該邊坡產生破壞的原因。邊坡位于新建場區建筑物后山，采取的治理措施為噴射混凝土、錨桿和坡頂設置截排水溝。治理措施完成后，由于連續的強降雨，造成邊坡失穩。嚴重影響到下方道路的安全和場區的正常運轉。

2 工程概況

研究邊坡位于某建筑背后，該建筑是一項重要的民生工程，邊坡的穩定性具有極為重要的意義。邊坡的垮塌將嚴重影響到場區的正常運行。場區建設初期，在2013年對邊坡采取“錨固+噴射混凝土+截排水溝”的治理措施后。2014年9月的連續強降雨造成了邊坡的失穩破壞。經過現場調查，該邊坡表層為黃土，厚度為1 m～2 m。其下為紫紅色泥巖，風化較為嚴重，但完整性相對較好。邊坡破壞后全貌圖見圖1。

3 邊坡破壞模式分析

經過現場調查該邊坡總高30 m，總長258 m。此次產生破壞的區域長20 m，高12 m。破壞區域位于邊坡轉彎區，此處坡頂處有凹地形，利于雨水匯流。此處邊坡的破壞面積較大，但向坡體內部延伸的深度較淺，僅為1 m～2 m。因此，雖然造成了坡腳道路中斷，未對坡腳的房屋產生影響。說明，該邊坡采用的錨桿對坡體深部較為完整的泥巖有較好的防護作用，但難以防護坡表結構較為松散的黃土。

該邊坡頂端為農林，植被生長較好。因此，在邊坡治理過程中只能在較近的位置設置截排水溝。截排水溝的設置僅能抵擋邊坡表層不被雨水沖刷，由于該地區的連續強降雨，邊坡頂端全為較松散的耕植土且坡頂較為平緩，不易于將雨水向坡面排泄，利于雨水的入滲，邊坡頂端雨水強烈下滲，由于坡表進行了噴射混凝土處理，阻礙了雨水的排出，造成了錨固部位的巖土體強度降低、含水量增加，產生蠕動變形，最終將坡表噴射的混凝土擠破，邊坡在治理后產生破壞。這種破壞模式，主要是在重力作用下產生的，一般坡腳位置首先產生破壞，產生向坡外的溯流，并不斷向上延伸直至整體破壞。邊坡破壞模式見圖2。

圖2 邊坡破壞模式圖

4 灰色理論邊坡影響因素分析

灰色系統理論[11]是基于數學理論的系統工程學科，由鄧聚龍教授首先提出并創立的一門新興學科主要解決一些包含未知因素的特殊領域的問題，它廣泛應用于農業、地質、氣象等學科。利用灰色關聯度分析理論對影響該坡體穩定性的主要的3個因素：黃土內聚力C值，降雨強度，內摩擦角Φ值進行敏感性分析。

首先確定穩定性系數作為應變量因子，影響因素為變量因子：

其中為變量因子i=3，X1為黃土內聚力C值變化序列，依次類推，n為變化次數故式（2）表達的是變量因子的變化情況，式（3）是相對應式（2）變化情況下的穩定性即Xi（1）對應Yi（1），Xi（n）對應Yi（n）。

初始基準參數C值13 kPa，Φ為19°，降雨量50 mm/d，（數據均來源于現場調查以及勘察的數據），并在單因子變量變化n次情況下求解每次變化后的穩定性系數，最后得到矩陣A，B：

聯立上式得出關聯度后建立關聯矩陣L：

最后根據ti=∑得出穩定性對不同因素的敏感程度，

0＜t＜1,其值越接近于1，則敏感程度越高，各因素變化計算結果見表1。

表1 因素變化穩定性計算表

最后經過計算得出t1=0.485，t2=0.602，t3=0.640，即穩定性對各因素敏感性為降雨強度＞內摩擦角Φ＞內聚力C，在此類滲透性系數較高的邊坡中，雨強的變化對地下水位影響是較大，隨著雨強的增大，穩定性產生明顯降低。

5 結論

（1）錨桿通常應用于邊坡的治理工程中，并能產生較好的治理效果。但是對于坡體表層的控制，尤其是黃土這種較為松散的結構，錨桿的防治作用相對較差。對表層滑動體積較小的防護可采用擋土墻或其他工程進行治理。

（2）連續的強降水是此次邊坡破壞的主要原因。該地區黃土土質較為松散，黃土顆粒間空隙較大，在連續強降雨情況下，雨水入滲，坡體表層被混凝土覆蓋不能有效排水，土體成飽和狀態，土體有效應力降低、下滑力增大，邊坡產生破壞。

（3）使用灰色理論對邊坡敏感因素進行分析，發現雨水入滲對邊坡穩定性影響最大。因此，在對黃土邊坡進行治理時，應當時刻注意雨水入滲的影響。