基于洪水沖刷作用下的某碎石土邊坡穩定性分析

郭 超

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

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

1 邊坡基本特征

工程區為侵蝕構造中低山地貌，邊坡為原煤礦棄渣沿麻地河溝道右側斜坡堆積的煤矸石棄渣堆積體，主要沿溝道右側分布，溝道呈不對稱“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。坡腳溝道侵蝕作用下局部臨空，坡頂為礦區辦公生活區平臺地形，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，其中坡表已經出現滑動的土體結構呈松散狀態，其他為稍密狀態。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，礫石風化程度較弱，細顆粒粉土含量約20%～30%，層厚0.9～3.60 m。

圖1 邊坡整體特征

2 邊坡失穩機理及變形破壞特征

2.1 失穩機理分析

該碎石土邊坡穩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黏土，除部分土體結構較密實外，其余斜坡位置堆積體結構均為松散至稍密，松散碎石土土體內摩擦角較小，土體自穩能力弱，容易出現失穩變形；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黏土層接觸面的抗剪強度，從而出現失穩變形。

另外，受上游溝域大量匯水在工程區溝道集中匯集作用下形成較強的“消防水管效應”影響，洪水沖蝕下切溝道十分強烈，坡腳受溝道流水沖刷形成局部陡坎，為斜坡失穩提供較大的失穩空間。因此，該碎石土邊坡穩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一定程度裂縫變形，邊坡局部出現淺表溜滑，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重，現場勘查該斜坡在歷史洪水侵蝕作用下已經出現多次溜滑，由于坡體較陡，溜滑體已全部進入溝道內被洪水沖走，坡腳洪水侵蝕形成的陡坎較明顯，隨著洪水的進一步沖刷，斜坡發生進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算

3.1 洪水特征參數

3.1.1 溝道洪水斷面參數

邊坡段溝道為凹凸段溝道，洪水在橫斷面位置存在橫坡率，溝道彎道側蝕作用較明顯，根據現場對17年汛期最大洪水進行調查測繪，得到斷面的洪痕特征參數如表1所示。

表1 斜坡位置溝道洪水參數特征

3.1.2 流速計算

根據現場調查的洪痕斷面，按照式（1）計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 流量計算

根據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算手冊相關圖表，得出不同暴雨頻率溝段洪峰流量見表2。

表2 暴雨洪峰流量計算表

根據現場調查的歷史洪痕斷面，結合洪水流速，計算得到17年汛期實測斷面洪水流量為32.11 m3/s。對比表2洪水流量，可以看出，實際調查的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價

結合邊坡段溝道斷面特征及洪水流速計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價結果

3.3 溝道洪水沖刷深度計算

溝道洪水沖刷深度hs采用式（2）進行計算。

式（2）、式（3）中：Ucp為近岸垂線平均流速，m/s；U為行進流速，m/s；η為水流流速不均勻系數，根據水流流向與岸坡交角，查堤防規范D.2.2采用；H0為行進水流水深，m，各段面左右岸水深根據不同暴雨頻率下洪水流量和流速反算洪水斷面面積后量測斷面得到；n為與防護岸坡在平面上的形狀有關，取n=1/4～1/6；Uc為泥沙啟動流速，m/s，砂質河床采用經驗公式[1-（2]式4）進行計算。

式中：d50為河床砂質中值粒徑；γs、γ為泥沙與水的容重，kN/m3。

根據現場調查的溝道特征及P=5%、P=2%暴雨頻率洪水計算參數，計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算結果

4 邊坡穩定性評價

4.1 計算方法

根據前述綜合分析，由于該邊坡主要受洪水沖刷坡腳影響，因此，本次主要計算洪水沖刷工況下坡體穩定性，結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行分析。

本次計算采用基于極限平衡理論的傳遞系數法對該斜坡的整體穩定性進行定量分析計算[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條塊內摩擦角，(°)；Ci為第i條塊內聚力，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塊段時的傳遞系數(j=i)，ψj=cos(αi-1-αi)-sin(αi-1-αi)·tanφi；Rn=Wncosαntanφi+CnLn；Tn=Wnsinαn。

4.2 計算參數及模型的確定

邊坡土體為含粉土角礫，為碎石土類，土體強度參數按照現場土體的物理性質實驗及顆分組成并結合當地經驗進行取值（表5）。

表5 土體計算參數值

斜坡均為碎石土類邊坡，現場調查無法確定該斜坡的潛在滑面位置，計算滑面按照碎石土坡休止角滑動模式進行分析[5-6]，其中土層休止角按照土層c、φ值取綜合內摩擦角確定，并按照《堤防工程設計規范（GB 50286—2013）》中提供的經驗公式計算斜坡土層綜合內摩擦角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面，根據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計算模型（圖3）。

圖3 邊坡滑體條分示意圖

表6 各計算剖面模型控制尺寸參數統計表

4.3 穩定性計算

根據上述參數及計算模型，經計算的邊坡穩定性結果見表7。

表7 邊坡穩定性計算結果

定量計算結果表明：邊坡在天然工況下穩定系數為1.138，處于基本穩定；在洪水沖刷工況條件下穩定系數為0.862，為不穩定。可見，邊坡極易在洪水沖刷作用下失穩。

5 結論

在充分分析研究該碎石土邊坡失穩機理和邊坡變形破壞特征的基礎上，通過調查溝段洪水特征，計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潛在滑動面位置，依據邊坡失穩模型計算得到該邊坡的穩定性狀態。該計算方法較常規邊坡計算方法更具有實踐操作性，更能反應出洪水沖刷作用下的碎石土邊坡失穩機理，可為類似碎石土邊坡失穩分析提供技術支持。