上寧線路塹邊坡變形及含水分布規(guī)律監(jiān)測研究

錢海嘯 蘇謙 李艷東 李茂 鄧志興 高升 張釗

1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031；2.中國長江三峽集團有限公司，成都 610041

邊坡是工程建設(shè)中最常見的工程形式［1-3］。上寧線為起于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市上海廟鎮(zhèn)、止于寧夏回族自治區(qū)靈武市寧東北站的運煤專線，于2009年開工建設(shè)，2012 年建成投入運營。上寧線鐵路里程K140+000—K142+600和K145+350—K146+700 段線路以路塹形式通過，路塹邊坡高度在8~10 m，坡率陡于1∶1，分兩級邊坡，一級邊坡高度約4 m，采取漿砌片石護墻防護，一級邊坡設(shè)有約1.5 m 寬平臺，其上部采用漿砌片石護坡防護，塹頂為公路綠化帶。根據(jù)該段內(nèi)的竣工資料，地形屬于低山丘陵區(qū)，該段內(nèi)的地層自上而下主要為素填土、卵石土、砂礫與泥巖，且泥巖和砂礫的分界線基本位于坡腳位置。該段邊坡的凍結(jié)深度為0.1~0.4 m，低于靈武市最大凍土深度多年平均值68.9 cm［1］。該段路面由于排水不暢和泄水孔失效，導(dǎo)致坡面大范圍的漿砌片石縫間砂漿被坡體內(nèi)水流帶走，漿砌片石護墻或護坡片石間失去黏結(jié)力，堆放在坡面，局部出現(xiàn)片石外鼓及破損，嚴(yán)重影響護坡及護墻的整體穩(wěn)定性。邊坡在重力和其他外力（如降雨、地震、工程活動等）作用下，巖體內(nèi)部整體出現(xiàn)沿軟弱結(jié)構(gòu)面滑動趨勢，當(dāng)滑動力超過巖土本身的抗滑力時，即產(chǎn)生滑坡［4-6］，其中暴雨成為了邊坡失穩(wěn)破壞的主要誘因［7］，在《中國典型滑坡》列舉的近百個滑坡實例中，有至少95%的滑坡與水的滲流有著密切關(guān)系。每年因邊坡失穩(wěn)所造成的損失十分嚴(yán)重，因此對邊坡變形的監(jiān)測預(yù)警和穩(wěn)定性分析已成為非常重要的工作［8-9］。參考虞巍巍［10］采用MIDAS GTS 建立二維有限元模型并結(jié)合工程監(jiān)測數(shù)據(jù)的研究方法，本文進一步總結(jié)邊坡變形規(guī)律并對滑動面位置深度進行判別。

1 監(jiān)測內(nèi)容

病害發(fā)生路段邊坡失穩(wěn)主要是由于泄水孔失效導(dǎo)致土體內(nèi)部排水不暢，富余水分破壞了護坡片石縫間砂漿，護坡失去黏結(jié)力后穩(wěn)定性降低。土體內(nèi)部含水率的增加是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的直接因素。坡體表面變形是邊坡失穩(wěn)直觀的征兆，也是邊坡監(jiān)測必不可少的內(nèi)容。因此實時獲取表面變形數(shù)據(jù)可掌握邊坡當(dāng)前的穩(wěn)定狀態(tài)，而坡體內(nèi)部變形往往先于表面開始發(fā)生，作為邊坡失穩(wěn)判斷的前兆，監(jiān)測數(shù)據(jù)可預(yù)測變形的發(fā)展趨勢，根據(jù)變形規(guī)律找出主要滑動面位置，為后期邊坡穩(wěn)定支護提供理論指導(dǎo)和參考?；谝陨戏治觯谠撨吰率Х€(wěn)路段選取典型斷面布設(shè)監(jiān)測點位，埋設(shè)傳感器，將傳感器數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)測系統(tǒng)平臺，進行遠程實時自動化監(jiān)測。

1.1 監(jiān)測儀器及工作原理

依據(jù)TB 10001—2016《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》、TB 10601—2009《高速鐵路工程測量規(guī)范》要求，針對待監(jiān)測實體對象的實際工況挑選傳感器。表面變形、內(nèi)部變形、土體含水率分別采用拉線式位移計、固定式測斜儀、土壤水分計進行監(jiān)測。

1）拉線式位移計。拉線式位移計通過電感調(diào)頻原理，將傳感器接收端固定在不動點處，拉出鋼繩另一端與被測物體連接，內(nèi)部獨特設(shè)計的彈簧保證鋼繩的拉緊度不變，物體運動使得鋼繩張拉，傳感器內(nèi)部與鋼繩相連接的螺紋輪盤被迫旋轉(zhuǎn)，再通過內(nèi)置的精密旋轉(zhuǎn)感應(yīng)器測定輪盤轉(zhuǎn)動的角度，從而計算出被測物體的位移。

2）固定式測斜儀。在邊坡土體發(fā)生滑動變形時，測斜管同步變形，管壁發(fā)生扭曲后傾角計同步感應(yīng)角度變化，根據(jù)固定傾角計的間距L和該單節(jié)變化角度θi，換算出單節(jié)水平位移Δxi，由管底不動點開始從下至上將Δxi逐段累加，得出頂部總位移Δx，如圖1所示。頂部總位移Δx計算式為式中：n為該測斜管中的傾角計總數(shù)量；Δxi為由下往上第i個單節(jié)的水平位移；Δx為測斜管頂部水平位移。

圖1 固定式測斜儀原理示意

3）土壤水分計。土壤水分計是基于介電理論并運用雙頻測量技術(shù)開發(fā)而成，可原位測量土壤和其他多孔介質(zhì)的水分，在工程現(xiàn)場、試驗基地等場所已被廣泛使用。

1.2 斷面選取及現(xiàn)場布置

經(jīng)過現(xiàn)場踏勘并結(jié)合相關(guān)設(shè)計圖紙資料，選取該路段護坡失穩(wěn)較嚴(yán)重的六個斷面區(qū)域進行重點監(jiān)測，斷面具體布置如圖2所示。

圖2 監(jiān)測斷面布設(shè)示意

2 監(jiān)測結(jié)果分析

由于考慮到該段邊坡的監(jiān)測點位較多，數(shù)據(jù)量龐大，故選取其中有典型病害及對比性的斷面K144+100、K146+400 進行對比分析，研究該路段邊坡變形、含水率的主要動態(tài)變化、空間位移規(guī)律。

2.1 坡體表面位移分析

K144+100 和K146+400 斷面的坡體表面位移（沿滑坡方向）時程曲線，見圖3。

圖3 坡體表面位移時程曲線

由圖3 可知：兩斷面二級邊坡的表面位移均大于一級邊坡的，二級邊坡的表面位移均隨時間推移而逐漸趨于平穩(wěn)，但在4月前的數(shù)值波動性較大，這是表層至凍深范圍內(nèi)的土體凍脹引起的，在4 月后變形較為穩(wěn)定，并未因溫度變化而對土體的變形有較大影響。其中，K146+400和K144+100斷面分別在40、50 mm的位移值處整體趨于穩(wěn)定；一級邊坡相比二級整體更加穩(wěn)定，整個過程位移累計在20 mm 范圍內(nèi)，且變化過程中的數(shù)值波動小，趨于平穩(wěn)變化。

2.2 坡體內(nèi)部位移分析

2.2.1 K144+100斷面

K144+100斷面坡內(nèi)土體位移時程曲線見圖4。

圖4 K144+100斷面坡內(nèi)土體位移時程曲線

由圖4（a）可知，至7 月底雨季時，1#測點深度處土體的位移在10 mm 內(nèi)已基本趨于穩(wěn)定，2#、5#測點深度處的土體趨于同步微小波動的狀態(tài)，3#測點深度處的土體變形增加較快，在20~30 mm 內(nèi)趨于穩(wěn)定。4#測點深度的土體附近以較快的變形速率上升至50 mm內(nèi)逐漸穩(wěn)定；在該斷面的一級邊坡測斜管內(nèi)，土體的變形較二級邊坡更穩(wěn)定，變形都在10 mm 內(nèi)，一級邊坡底部的數(shù)據(jù)始終在原位置處浮動。從4月至次年雨季時間段，坡內(nèi)土體的變化較為穩(wěn)定，并未因降雨進一步導(dǎo)致邊坡的變形惡化。

在圖4（b）中，坡內(nèi)土體沿平行于線路方向（x方向）的位移變化整體較小，基本在10 mm 范圍內(nèi)波動，較z方向的圖像顯得更為紊亂。處于二級邊坡底部的1#、2#測點和一級邊坡內(nèi)6#、7#、8#測點深度處的土體，沿x方向的位移都處于穩(wěn)定狀態(tài)，只于原位置附近5 mm以內(nèi)發(fā)生變形；在二級邊坡接近于表面的3#、4#、5#測點深度處的土體變形相對較大，其中3#、4#測點基本趨于同步變形，在4月前5#測點波動最大，因該處位于坡頂表層，受凍脹的影響導(dǎo)致土體孔隙間水體積變化。

不同時段不同深度處的位移見圖5。由圖5（a）可知，二級邊坡內(nèi)部土體的空間變形圖像呈現(xiàn)B形，可能存在多個滑動面的情況，尤其在1.5 m 深度處的土體處出現(xiàn)了明顯的位移變化，在4.5 m 處也有相比于周圍較大的位移，判斷在1.5 m 附近很大可能產(chǎn)生了滑動面導(dǎo)致該處土體發(fā)生了滑移，推測該深度因為恰好處于此斷面內(nèi)素填土和粉土的交界面附近，下部土體推動了上層土體發(fā)生滑動，因此，在后期錨桿支護時，錨桿應(yīng)深入該滑動面以下的土體進行錨固。

圖5 K144+100斷面坡內(nèi)土體沿z向的位移

由圖5（b）可知，一級邊坡的空間變形圖像大致呈現(xiàn)D 形，在1.5 m 深度附近的土體，位移相對上、下部較大，但數(shù)值較小，目前暫時沒有發(fā)生斷裂滑移，但可能有潛在的單一滑動面。

2.2.2 K146+400斷面

K146+400 斷面坡內(nèi)土體位移時程曲線見圖6。由圖6（a）可知：一級邊坡表面的8#測點位置土體位移則相對較大，但位移值也保持在10 mm 內(nèi)；二級邊坡沿滑坡方向的位移一直保持逐漸穩(wěn)定的增長趨勢，其中靠近表面的4#、5#測點深度處的土體變形基本同步，至7 月雨季時，變形累計位移已達到20~30 mm 呈穩(wěn)定發(fā)展?fàn)顟B(tài)，也并未因降雨或溫度回升致使變形進一步惡化。由圖6（b）可知：斷面沿線路縱向的位移值整體都較小，二級邊坡和一級邊坡最上部位置的5#、8#測點位移都隨時間波動較大，而越靠近底部，土體位移越小，穩(wěn)定性也越好。

圖6 K146+400斷面坡內(nèi)土體位移時程曲線

不同時段不同深度處的位移見圖7。由圖7（a）可知，二級邊坡內(nèi)的空間位置變化圖像為半V 形，該種圖像的特征為由下往上的位移近似線性增大。賴偉明［11］在邊坡位移監(jiān)測分析中提到，該種類型的邊坡變形處于蠕變階段，尚未出現(xiàn)明顯的滑動面，但隨著時間的推移有滑動的可能。由圖7（b）可知，一級邊坡空間位置變化圖像為鐘擺形，測點的空間變化呈現(xiàn)為隨時間在原位置處左右擺動且幅值小，頂部最大累計位移僅約5 mm，并未如前述的測點只朝單一方向累計變化，該類邊坡判斷為處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖7 K144+100斷面坡內(nèi)土體沿Z向的位移

2.2.3 坡體內(nèi)部位移綜合分析

上述兩斷面的邊坡內(nèi)部土體沿滑坡方向的位移均大于沿線路縱向的位移，且兩者最大值約為4~6倍左右的對等關(guān)系；在12 月至次年4 月內(nèi)，表層土體變形波動性較大，推測原因為表層至凍深范圍土體易產(chǎn)生凍脹，但在4月后至雨季時期發(fā)展較為穩(wěn)定，坡體變形受溫度變化的影響較小。二級邊坡的空間位移變化圖像為半V形（蠕變階段，現(xiàn)階段較穩(wěn)定）和D形（單層小滑移），少數(shù)斷面為B 形（可能有潛在的多個滑動面），滑動面位置可能為土層交界處。一級邊坡的空間位移變化圖像多為鐘擺形的穩(wěn)定狀態(tài)；沿線路縱向上整體變形小，且越靠近底部越穩(wěn)定。

2.3 邊坡含水率分析

K144+100、K146+400 斷面的邊坡含水率時程曲線見圖8?？芍?，由頂部至底部，兩斷面的含水率均出現(xiàn)依次增加的現(xiàn)象。在底部位置，K144+100斷面的含水率為25%~28%，K146+400 斷面的含水率約為21%~ 25%，受雨季降水的影響，邊坡含水率以2.1% ~5.2%的幅度整體增加。整個監(jiān)測時段中底部最小波動范圍僅1.6%；在中部位置，兩斷面的含水率值幾乎保持一致，隨著時間的推移有微微上漲的趨勢；在頂部位置，兩斷面的含水率在10%~20%內(nèi)變化，4 月前因土體凍脹使得表面含水率波動范圍較大，最大波動范圍為7.2%。值得注意的是，在K144+100 斷面頂部的含水率降低時，該斷面中部的含水率發(fā)生了相似同步的增長，推測為該斷面中部是卵石土，透水性較好。根據(jù)朱江江［12］的含水率原位監(jiān)測分析，由于重力作用下發(fā)生緩慢滲透，導(dǎo)致頂部的水流到中部，而底部靠近泥巖，透水性較差，可能為底部含水率較高且保持平穩(wěn)的重要原因。

圖8 K144+100、K146+400斷面含水率時程曲線

3 數(shù)值模擬分析

為與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對照，對K144+100 斷面進行有限元分析。采用二維平面應(yīng)變模型，假設(shè)土層均勻，荷載只考慮主要的土體自重作用，計算土層設(shè)定為該斷面的主要土層，自上而下分別為素填土、卵石土和泥巖。根據(jù)現(xiàn)場工況并參考巖土工程規(guī)范和相關(guān)工程實例［13-15］設(shè)置模型參數(shù)。計算結(jié)果見圖9。由圖9（a）可知，在考慮滲流和自重作用下，邊坡由頂部至底部的位移呈現(xiàn)減小的趨勢，在一級邊坡以下的泥巖層幾乎無變形情況。圖9（b）是K144+100 斷面二級邊坡實測數(shù)據(jù)與提取同位置［圖9（a）中的結(jié)點路徑］深度處模擬結(jié)果的對比分析，該結(jié)果與前述監(jiān)測分析得到的空間變形規(guī)律基本一致，證實了數(shù)據(jù)的可靠性。至于該模擬結(jié)果的坡頂最大位移比現(xiàn)場監(jiān)測的位移稍大，一方面在于該模擬的有效時間大于監(jiān)測時間，而監(jiān)測結(jié)果只反映該段時間內(nèi)的變形情況；另一方面數(shù)值模擬偏于理想化，基于材料、參數(shù)設(shè)定與實際的偏差，模型簡化后導(dǎo)致與現(xiàn)場實際存在一定的差異。

圖9 邊坡模擬分析云圖及對比

4 結(jié)論

1）在監(jiān)測段路塹邊坡范圍內(nèi)，二級邊坡的位移均大于一級邊坡，且深部的變形更穩(wěn)定，冬季表層土體變形受凍脹的影響較大，而雨季受溫度影響變形較小，其中二級和一級邊坡的表面最大位移分別在50 mm和20 mm左右趨于穩(wěn)定。

2）邊坡內(nèi)部土體沿滑坡方向的位移均大于沿線路縱向的位移，且兩者同位置的最大值差為4~6倍左右，同樣越靠近底部位移變化越穩(wěn)定，且穩(wěn)定值也越小。二級和一級邊坡沿滑坡方向的位移最大值分別約50 mm和15 mm。

3）出現(xiàn)D 形和B 形圖像的斷面較不穩(wěn)定，該路段在距坡體表面1.5 m 和4.5 m 深度處的土層交界處可能有潛在滑動面產(chǎn)生，該滑動位置的判斷對后期的錨桿加固邊坡內(nèi)部土體具有重要指導(dǎo)意義。

4）截至7 月底的雨季，邊坡底部含水率整體上升2.1%~5.2%，而在重力作用下水分緩慢滲透，底部的含水率較大，整體波動范圍在1.6%~7.2%，但目前含水率的增加并未對邊坡變形有進一步的惡化影響。建議后期在含水較高的坡體底部進行集中排水，效果可能會更佳。