雨水對邊坡的影響及治理措施研究

魏志遠

(新疆生產建設兵團第九師交通運輸事業發展中心，新疆 塔城 834601)

0 引 言

在邊坡穩定性影響因素分析中在多數情況下是和地質構造情況、地下水位情況、夾層滑動面土體夾層等不良地質情況有關[1]。實際工程中滑坡發生具有隨機性，在地震或在其它外力的作用下引發滑坡發生，設計中選用地震和外力常量作為滑坡安全性計算系數，以增加邊坡實際工程的安全性和穩定性能[2]。

1 案例分析

1.1 邊坡地計算模型及工況分析

某公路邊坡高邊坡路段長度為100 m，邊坡開挖方式為自上而下進行。邊坡共三級，每級坡高為8 m，第一級邊坡坡率為1∶ 0.75，第二級邊坡坡率為1∶ 0.75，第三級邊坡坡率為1∶ 1。坡頂3 m處為截水溝。邊坡在開挖過程中改變了地層與原地形的傾角。路基開挖時，形成了臨空面，使土體處于臨空狀態，土體會產生局部滑動現象，導致坡體變形，出現裂縫，最終出現邊坡失穩的現象。

以實際工程為基礎，等比例進行模型建立，邊坡簡圖如圖1所示。通過對三級坡率進行變化，設置不同工況。工況情況如表1所示。

表1 工況計算表

圖1 邊坡坡度示意圖

1.2 降雨型式設計

對該地氣象觀測站30年的觀測數據進行統計，結果表明：邊坡所處地段年降雨量總體較少，夏季、冬季降水量僅為全年的3%。春、秋季降水量較大且較為集中，占全年總降水量的70%[3]。通過對降雨資料分析，將降雨強度分為兩個等級，分別為200 mm/d和400 mm/d。將降雨的持續時間設置為4 d。不同降雨下的滑坡參數如表2所示。

表2 滑坡體參數表

2 邊坡穩定性分析

2.1 降雨量對邊坡穩定性影響

利用ANSYS對非飽和土邊坡的穩定性分析，通過極限平衡原理計算邊坡的安全系數。該過程中應考慮降雨對邊坡穩定性的影響程度。

(1)搜索危險滑動面

ANSYS軟件可對危險滑動面進行搜索，軟件計算過程中，首先應對邊坡上方的網格進行劃分，搜索每個結點的旋轉中心。在邊坡坡體內確定控制半徑切線。以旋轉中心為圓心，進行穩定性計算，得到最小安全系數對應的圓弧以及圓心[4]。

(2)邊坡應力變化

連續降雨會導致邊坡土體的應力發生改變。在雨水作用下，土體的自重增加，增加土體的下滑力[5]。減小坡體的有效應力以及土體的抗剪強度。不同降雨等級下的邊坡剪應力變化如表3所示。

表3 邊坡剪應力變化表

通過對以上數值進行分析可知：降雨強度越大，邊坡剪應力影響范圍越大。應力集中主要表現在坡頂平臺和坡腳平臺處。

(3)邊坡位移變化

通過對不同降雨強度下的邊坡位移變化進行分析可知：降雨強度越大，邊坡產生位移的范圍也越大。x方向的最大位移位于坡頂處。y方向位移向坡腳外增大。

(4)邊坡塑性變形

當邊坡發生塑性變形后，坡頂出現應力集中現象，此時剪應力增大，坡頂土體易發生斷裂，最終導致滑坡的產生。

3 邊坡治理及穩定性評價

3.1 加固防護措施

針對該邊坡進行了加固防護，采用了刷方處理，同時在坡腳位置設置擋土墻。

(1)清理刷方

黃土邊坡加固過程中，刷方為最基礎的工作，通過減少土體的重量來降低邊坡的下滑力。刷方主要是對邊坡上的虛土進行清理。

(2)在坡腳設置擋墻

黃土地區的雨水會對邊坡坡腳產生沖刷作用，為保證土體穩定性以及邊坡的形狀、大小，在邊坡坡腳位置設置擋土墻。擋墻墻高為4 m，墻寬0.9 m，基礎埋深1.5 m，背坡坡率為1∶ 0.25，面坡坡率為1∶ 0.35。

3.2 防護及排水措施

(1)防護措施

對邊坡已破壞的坡面進行植草防護。

(2)排水設施

為了便于坡體之外的地表水順利從坡體外部排出，在邊坡設置排水溝來實現，分兩類排水溝，邊坡坡頂設置Ⅱ型排水溝，邊坡坡腳設置Ⅰ型排水溝，其中Ⅱ型排水溝界面尺寸為0.4 m×0.4 m，Ⅰ型排水溝截面尺寸0.5 m×0.5 m。

3.3 穩定性驗算

通過對邊坡治理后進行穩定性計算，同時考慮暴雨工況的影響。通過計算結果可知安全系數Kz均大于1.05。當降雨強度為200 mm/d，降雨持續時間為96 h時，邊坡的安全系數小于1.05。結合工程實際對該工況進行分析：實際工程中該情況發生的概率極小。因此該工況不做為施工考慮的控制雨型。

當降雨強度為200 mm/d時，危險滑移面位置與自然狀態下的滑面位置大致相同，此時邊坡穩定性較好。隨著降雨時間的不斷增長，危險滑動面開始向淺層移動，安全系數也開始降低。

通過對該現象的原因進行分析可知:入滲強度與滲透能力達到平衡狀態。隨著降雨時間的增長，土壤的孔隙水壓力開始增大，滲透能力增強，從而導致淺層土體的含水量過大，土體的容重增加。通過極限平衡原理可知，土條所受剪力增大，邊坡的安全系數減小，危險滑動面向淺層移動。

當降雨強度為400 mm/d時，依據相同的方法進行分析，最終得出：隨著降雨時間的持續增加，邊坡的安全系數降低，最危險滑動面的位置向淺層邊坡移動。

4 邊坡剝落治理分析

4.1 邊坡的優化設計

高速公路邊坡設計對坡型坡比、坡高等進行設計。

(1)坡型

公路的坡型確定前應對自然邊坡的穩定形態進行分析，邊坡形式有以下幾種：臺階式、滑動型、直立式、天然式斜坡等。高邊坡坡型對坡面是否產生剝落有直接影響。通過調查分析可知黃土邊坡設計時，常采用階梯狀。

(2)坡比

當邊坡的穩定性不足時，坡比不宜過大，防止坡面發生剝落病害。合理的坡比能夠滿足邊坡的可靠性以及穩定性要求。公路邊坡的坡比設計時，應先選取綜合坡比，然后對單級坡比和坡高進行選擇，通常通過對相鄰兩級邊坡平臺的寬度進行調整，進行不同方案組合。方案應滿足以下要求。

①減少邊坡中部和上部的荷載，間接提高坡腳土體剛度。

②邊坡確實時，應通過支擋和防護進行配合，同時做好各級邊坡的排水。

③邊坡養護時，應做到邊坡與環境協調統一。

⑶坡高

坡高的影響因素主要有年降水量、土質特征、邊坡坡度等。水量較充足，土質穩定性較差、坡比較陡時，并對坡高進行調整，并對邊坡穩定性進行分析計算，保證邊坡的安全系數滿足設計要求。

4.2 坡面防護

植物防護主要植被為草叢、灌木。通過種植植物使邊坡坡面的水流減緩，通過根莖的吸收減少雨水對坡面的沖刷，起到固坡護坡的作用。植物防護的優點為：吸收雨水較多，護坡效果較好，對環境起到保護作用，且達到了經濟節能的效果。植物防護類型主要有以下幾類。

①種草防護

黃土坡面進行種草是最有效保護的一種有效方法。在合適的氣候和地質條件下選擇適宜的草籽，能過形成有效覆蓋層。

②鋪設草皮

黃土邊坡鋪設草皮能夠起到一定的保護作用，但相比于坡面植草防護效果較差。為改善保護效果，在草皮上種植樹木，形成保護系統。鋪設草皮防護是采用適當的施工方法將生成的草挖掉，覆蓋于需保護的邊坡坡面上。鋪設草皮適用于土壤較為貧瘠、邊坡受侵蝕較為嚴重地區。

③骨架植草防護

骨架植草防護是通過澆筑混凝土框格，然后在框格內進行植草或噴播草籽來對邊坡進行防護。提高邊坡的穩定性，防止邊坡發生剝落病害。骨架植草防護的圬工結構主要是漿砌片石或錨桿混凝土框架。

④三維網植草防護

鋪設草皮對邊坡進行防護時，由于雨水作用或坡面徑流的影響，導致邊坡表層發生剝落病害，甚至出現邊坡坍塌。此時可通過三維網植草對邊坡進行防護。三維網植草對土壤進行固結的主要原理是通過幾層凸、凹不一致地塑料網和高強度地平面網形成復合網格結構，由于該結構的表面凹凸不平，因此可通過草籽和砂礫進行填充。通過土工試驗表明通過三維網對土壤進行固結的效果明顯優于單一的平面網。三維網表面的渦流具有消能作用，使坡面得到更好的保護。

⑤圬工防護

對黃土邊坡進行圬工防護時，主要分為兩種形式，一是錨桿掛網+混凝土噴漿；二是直接通過混凝土進行噴漿。圬工防護的主要優點為：施工簡單、工程造價低，防護效果好，邊坡穩定性強。缺點為：與環境的協調統一性較差，道路景觀差。圬工防護施工時應保證自然環境與人文景觀之間的相互結合。邊坡平臺或碎落臺可通過攀藤植物進行綠化。

5 結 語

(1)依據實際工程，設置不同工況，說明不同降雨強度下邊坡的變化規律：應力集中主要表現在坡頂平臺和坡腳平臺處。隨著降雨強度的增加，邊坡位移線向兩側擴大。

(2)針對該邊坡，通過刷方處理及設置擋墻進行加固，同時配合防護(植草防護)和排水(截水溝)設施。通過對穩定性進行計算可知，隨著降雨強度的增加，最危險滑動面向淺層移動，但邊坡安全系數滿足設計要求。