降雨入滲對路塹邊坡穩定性的影響分析

朱志廣 肖成明 唐林強

（廣西交通職業技術學院，廣西 南寧 530023）

0 引言

邊坡失穩形成滑坡災害已成為我國常見的地質災害。據統計，在2005～2020年間，廣西境內由降雨誘發的滑坡地質災害占總滑坡災害數量的84.42%，由此可見，降雨成為誘發邊坡失穩導致滑坡的重要影響因素，對降雨入滲對邊坡穩定性影響的研究具有重要意義。

1 雨水入滲穩定滲流基本理論

降雨入滲對邊坡穩定性影響是非常廣泛的，也是非常復雜的，應把降雨入滲的邊坡當作一個平面問題去分析[2]，降雨入滲形成穩定滲流的分析如下：

降雨單位時間流入土體單元的水量為：

則降雨單位時間流出土體單元的水量為：

根據水的連續性原理，單位土體的水滲入量等于流出量，即dq=dq0可以化簡為：

式中：Vx——x軸方向的流速；

Vz——z軸方向的流速；

KX——x軸方向的滲透系數；

KZ——z軸方向的滲透系數；

由此可以測定土體的水平滲透系數KX和豎向滲透系數KZ以及滲流的邊界條件，就可以計算出雨水在土體中的滲流問題。

2 工程案例分析

以某高速路邊坡為例，該路塹邊坡左側開挖高度最高約37m，右側開挖高度最高約17m，分級開挖，每級高度10m。坡面采用1.00∶1.00～1.00∶1.25的坡率放坡；采用拱形骨架護坡。該邊坡在施工過程中，受強降雨和新形成的臨空面的影響，出現滑坡，滑動范圍最遠處距離路基中線約100m，滑坡前緣位于路塹邊坡坡面，高程約345m，后緣位于半山腰，高程379m，前后緣高差約34m，主力軸長約90m，面積約1.1×104m2，滑坡體厚度3～15m，體積約8×104m3，屬順層中型牽引式中層滑坡。據現場施工單位反映，7月初部分邊坡混凝土骨架已經施工，該路塹邊坡發現一些細小裂縫，經大雨后裂縫有所發展，經過連續幾天的暴雨后，邊坡裂縫貫通呈圈椅狀滑坡，見圖1所示。

圖1 滑坡的概貌

2.1 巖土物理力學參數分析

本文選用該邊坡詳勘階段的土工試驗作為未降雨前土體的物理力學參數，該邊坡滑動后，重新進行勘察，以滑坡后土工試驗作為降雨后土體的物理力學參數，依據現場試驗及土工試驗結果，該滑坡前后土體的物理力學性質指標對比見表1。

表1 巖土物理力學參數表

2.2 降雨入滲流量Q推測計算

假設土體為各向同性，即滲透系數KX=KZ，根據達西定律以及降雨入滲穩定滲流基本理論，降雨入滲流量Q的計算公式如下：

式中：A——匯水面積；

KX——x軸方向的滲透系數；

KZ——z軸方向的滲透系數；

i——水力坡降；

根據現場調查，該滑坡匯水面積約1.1×104m2，滑坡體厚度3～15m，滲透系數KZ=0.05m∕d，受強降雨影響，滑坡體內水力坡降為i=0.364，由此可以估算降雨入滲流量：

2.3 降雨前后邊坡的巖土體物理力學參數變化

降雨對邊坡穩定影響主要在于降雨入滲，土體的含水率增大，對于正常固結黏性土，土體在剪切破壞時，含水率（或者密度）和強度間存在唯一性關系，與試驗的類型、排水條件和應力路徑無關，這一規律就是亨開爾（Henkel D J）學者提出的密度（含水率）-有效應力-抗剪強度的唯一性關系[1]。根據這個規律，某正常固結土體進行含水率試驗和直剪試驗可以得出含水率與抗剪強度的關系如下：

φw=φ0-βw

c0——干燥狀態下、土的粘聚力，kPa；

φ0——干燥狀態下、土的內摩擦角，o；

wp——土的塑限；

α、β——含水率線性擬合系數，與土的性質有關。

根據以上關系可以看出，當土體含水量變化時，強度也隨之變化[3]，隨著含水率的增大，內摩擦角逐漸減小；黏聚力先增大（塑限含水率范圍）后減小的關系。

2.4 降雨前后邊坡的穩定系數

降雨前，邊坡未發生滑動，邊坡整體按巖土組合邊坡考慮，邊坡開挖后，邊坡上部土最可能出現的破壞模式為圓弧滑動破壞，采用Bishop法對邊坡進行穩定性計算分析，計算結果如圖1所示。根據計算結果，邊坡在降雨前穩定系數為1.23，基本處于穩定狀態。

圖1 降雨前邊坡的穩定性分析

降雨對邊坡的穩定性的影響主要有∶（1）雨水入滲導致的滲流作用使邊坡的下滑力增加；（2）隨著雨水入滲使得巖土體的抗剪強度降低或軟化[4]。本工程邊坡受降雨影響，上部殘積土由于雨水入滲坡體，含水率增大，且下伏基巖為相對隔水層，大部分雨水在基巖面附近匯集，基巖面附近的土體達到飽和狀態，基本處于軟塑狀態，抗剪強度急劇降低、軟化，形成滑帶，最終形成滑坡。根據滑動面的形態特征，采用基于極限平衡理論的折線型滑動面推力傳遞系數法對滑坡進行穩定性計算分析，穩定系數為0.992，計算過程見表2。

表2 滑坡穩定系數計算表

通過邊坡降雨前后穩定系數進行分析，降雨前，土體的含水率適中，抗剪強度較好，邊坡穩定系數為1.23，由于強降雨的作用，雨水入滲坡體，遇到基巖相對隔水層在基巖面附近匯集，土體的含水率突然增大，呈軟塑狀態，抗剪強度急劇降低，最終導致該滑坡的形成。

3 結束語

本文以某高速公路邊坡為工程實際案例進行分析，通過對比降雨前后滑坡土體的物理力學性質變化，根據降雨入滲穩定滲流基本理論推測該邊坡降雨入滲量，分析含水率與抗剪強度參數的關系，并對該邊坡降雨前后穩定性進行計算分析，總結降雨入滲對邊坡穩定性影響，對降雨入滲坡體研究以及工程建設具有重要指導意義。