公路高邊坡災(zāi)變機(jī)理及滑動力響應(yīng)規(guī)律分析

高亮, 張騰伍, 饒法強(qiáng), 修渴馨, 劉宇飛, 陶志剛*

(1.廣州大廣高速公路有限公司, 廣州 510900; 2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083; 3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院, 北京 100083)

近年來,中國自然災(zāi)害時有發(fā)生,主要是滑坡、泥石流、崩塌等。在交通工程領(lǐng)域,滑坡災(zāi)害的發(fā)生不僅會造成高速公路掩埋,導(dǎo)致交通運(yùn)輸停頓,也使民眾的生命財(cái)產(chǎn)遭受危及。研究表明降雨是導(dǎo)致災(zāi)變發(fā)生的主要自然因素,雨水入滲使巖土強(qiáng)度降低,最終導(dǎo)致滑動面貫通,滑坡發(fā)生。因此開展公路高邊坡強(qiáng)降雨災(zāi)變研究及其合理有效的預(yù)警方案具有重要意義。

在數(shù)值模擬方面,文獻(xiàn)[1]采用ABAQUS數(shù)值模擬軟件研究了地下水對邊坡穩(wěn)定的影響,分析了降雨條件下安全系數(shù)變化規(guī)律。文獻(xiàn)[2]運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件,對邊坡在降雨及地震工況下的響應(yīng)特征進(jìn)行分析并對邊坡表面特征點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測。文獻(xiàn)[3]使用了有限元的數(shù)值軟件,對降雨條件下多級臺階排土場邊坡穩(wěn)定性分析,得出坡腳臺階處的穩(wěn)定性最差,應(yīng)該對其過程加強(qiáng)監(jiān)測。文獻(xiàn)[4]通過ABAQUS模擬軟件研究在天然條件和暴雨?duì)顟B(tài)下邊坡的穩(wěn)定性以及滑動區(qū)巖土體位移場等變化, 具體說明了邊坡破壞特征和失穩(wěn)因素。文獻(xiàn)[5]基于ABAQUS數(shù)值模擬軟件,構(gòu)建降雨條件下球狀風(fēng)化體類土質(zhì)邊坡滲流模型,最終得出邊坡受球狀風(fēng)化體影響更快達(dá)到飽和。文獻(xiàn)[6]運(yùn)用數(shù)值模擬軟件MIDAS-GTS及FLAC3D對比分析邊坡在降雨條件下邊坡穩(wěn)定性規(guī)律,研究得出MIDAS-GTS進(jìn)行數(shù)值模擬的結(jié)果差異較小。文獻(xiàn)[7]通過有限差分法,研究降雨對土質(zhì)邊坡的加固前后的影響,研究表明邊坡的破壞往往發(fā)生于降水階段的淺層區(qū)域。文獻(xiàn)[8]為研究軟弱夾層及降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性研究,運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件研究,坡體最大位移始終出現(xiàn)在軟弱夾層與坡面相交處。文獻(xiàn)[9]利用Geo-Studio分析軟件,探究不同降雨時長、停雨后時長、降雨強(qiáng)度因素下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)變化規(guī)律。文獻(xiàn)[10]基于數(shù)值模擬方法進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁加固邊坡分析,分別對天然條件及強(qiáng)降雨兩種工況下邊坡穩(wěn)定性研究。

此外,邊坡的監(jiān)測預(yù)警是滑坡災(zāi)害防治的關(guān)鍵方面。為解決此問題,文獻(xiàn)[11]首先闡述滑床與滑體之間相對運(yùn)動的力學(xué)機(jī)制,提出了滿足滑坡發(fā)生的充分必要條件是滑動面處牛頓力的變化,并基于此學(xué)術(shù)思想研發(fā)了滑坡牛頓力遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng),并取得了良好的應(yīng)用效果。文獻(xiàn)[12]對南芬露天開采場的滑坡進(jìn)行監(jiān)測并進(jìn)行數(shù)值模擬,最終得出二者結(jié)果一致。文獻(xiàn)[13]對滑坡災(zāi)害遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的進(jìn)行了改進(jìn)和完善,在實(shí)際應(yīng)用中系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。文獻(xiàn)[14]為了研究邊坡開挖過程中坡體穩(wěn)定性,提出先在坡體安裝多個力學(xué)傳感器,使其組成一個監(jiān)測的系統(tǒng),在邊坡開挖時對坡體的擾動可以通過這些監(jiān)測點(diǎn)測出來,通過研究分析力學(xué)傳感器的變化規(guī)律對坡進(jìn)行監(jiān)測。文獻(xiàn)[15]提出就目前形勢來說,人們應(yīng)該積極采取多樣化措施,更加深入地對邊坡位移預(yù)測和風(fēng)險控制預(yù)警方法進(jìn)行更加深層次的探討研究。文獻(xiàn)[16]基于全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)分階段監(jiān)測方法研究得出影響邊坡穩(wěn)定性的因素,并且預(yù)測了邊坡穩(wěn)定性。

文獻(xiàn)[17]基于非飽和土滲流-應(yīng)力理論,進(jìn)行有限元分析,研究不同降雨持時、雨強(qiáng)時錨桿加固邊坡的變化規(guī)律。然而在公路高邊坡強(qiáng)降雨條件下NPR錨索支護(hù)效果及監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的適用性尚未相關(guān)研究。

現(xiàn)選取大廣高速新豐段路塹邊坡,采用數(shù)值模擬分析開挖和降雨條件下邊坡災(zāi)變機(jī)理以及耦合支護(hù)設(shè)計(jì)方式,并建立公路邊坡滑動力綜合在線安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng),揭示滑動力隨降雨量動態(tài)響應(yīng)規(guī)律。為類似公路高邊坡的安全監(jiān)測和災(zāi)變研究奠定理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

1 工程地質(zhì)概況

邊坡位于廣東省韶關(guān)市新豐縣境內(nèi),地屬低山山地地貌,呈扇形,地形稍陡,頂部高程為336.69 m,底部高程約為249.63 m,高差約為87 m。坡度為58°～63°,斜坡地段為殘積粉質(zhì)黏土為主,下部為全、強(qiáng)風(fēng)化砂巖,受風(fēng)化及構(gòu)造裂隙作用,表面巖體風(fēng)化劇烈,厚度一般。按斜坡的成因分類,屬于剝蝕斜坡,斜坡上覆第四系土層坡殘積粉質(zhì)黏土為0.90～10.90 m,下部基巖風(fēng)化差異大,全、強(qiáng)風(fēng)化巖厚度一般為2.10～29.80 m,為屬土質(zhì)邊坡。

監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)區(qū)位于大廣高速K3278+280～K3278+590南行路塹邊坡。由于邊坡所處位置地勢較緩,降雨后地表水徑流特別不容易排出,使得雨水下滲,中部厚、前后薄的地貌導(dǎo)致雨水也下滲至滑體,使得滑體坡積層的含水率增高。該地區(qū)降雨頻繁,在降雨的誘發(fā)下,土體抗剪強(qiáng)度進(jìn)一步降低,直到滑坡體的阻滑力小于下滑力時,坡體就開始逐漸形成滑坡。

2 邊坡破壞模式

2.1 表面沖刷

坡體表面沖刷主要體現(xiàn)在三級邊坡以上的部分,原因是雨水使坡面已經(jīng)全分化的土體內(nèi)部含水量增加,導(dǎo)致土體和碎塊之間的膠結(jié)軟化,黏結(jié)力降低,隨著雨水的持續(xù),首先將碎石周邊的土體帶走,碎塊也隨之松動掉落,最終致使坡體表面沖刷形成(圖1)。

圖1 表面沖刷Fig.1 Surface flushing

2.2 沖溝和陷穴

沖溝和陷穴主要分布在一、二級邊坡,上覆地層是粉質(zhì)黏土,坡度較陡,坡面徑流速度快,有利于沖溝和陷穴的形成。降雨初期邊坡表面的土體將水分吸收,土體內(nèi)部含水率增加,土體間黏結(jié)力降低,導(dǎo)致坡面徑流產(chǎn)生,帶走大量泥土形成沖溝。隨著時間推移,雨水對坡面侵蝕日益加重,局部沖溝進(jìn)一步發(fā)展,沖溝深度增加產(chǎn)生陡坎,坡面徑流經(jīng)過陡坎跌落,使底部土體加劇侵蝕,最終形成陷穴(圖2)。

圖2 沖溝和陷穴Fig.2 Gullies and pi

2.3 張拉裂縫

張拉裂縫通常位于邊坡的坡頂處,邊坡在開挖擾動時,坡體原有的平衡被打破,邊坡前緣出現(xiàn)臨空面,致使坡體后部受到牽引力產(chǎn)生張拉裂縫,對大廣高速邊坡進(jìn)行調(diào)查,發(fā)現(xiàn)降雨致使坡體后緣產(chǎn)生多處裂縫(圖3)。

圖3 張拉裂縫Fig.3 Tension crack

2.4 局部滑塌

邊坡主要局部滑塌區(qū)域在一級邊坡處,原因是上部山體地層滲透性較好,下部山體表層為粉質(zhì)黏土,滲透性較差,持續(xù)的降雨入滲導(dǎo)致雨水匯集在一級坡體內(nèi),使土體軟化抗剪強(qiáng)度降低,導(dǎo)致土體軟化,導(dǎo)致一級邊坡淺層滑塌(圖4)。通過對上述模式的總結(jié),大廣高速新豐段粉質(zhì)黏土邊坡破壞模式以表面沖刷、沖溝和陷穴、張拉裂縫和局部滑塌為主,如表1所示。

表1 粉質(zhì)黏土邊坡破壞模式Table 1 Failure mode of silty clay slope

圖4 局部滑塌Fig.4 Partial collapse

3 數(shù)值模擬

3.1 降雨條件下邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

3.1.1 參數(shù)選取

通過對研究區(qū)域降雨量調(diào)查得知,最大日降雨量為70 mm/d,以最大降雨量來模擬該地區(qū)降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性。通過地質(zhì)勘察,結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查,研究對象的巖土體各種參數(shù)如表2所示。

表2 降雨條件下數(shù)值模擬力學(xué)參數(shù)Table 2 Numerical simulation of mechanical parameters under rainfall conditions

3.1.2 孔隙水壓力建模

根據(jù)大廣高速新豐段邊坡鉆孔資料可知該區(qū)域地下水位埋深約10 m。以此為基準(zhǔn)面設(shè)置新豐段邊坡數(shù)值模擬孔隙水壓力。圖5所示為自然條件下和降雨條件下的孔隙水壓力云圖。圖5顯示,在日降雨量為70 mm/d時,模型孔隙水壓力從0.61 MPa(自然條件下)增大至0.68 MPa。

圖5 孔隙水壓力Fig.5 Pore water pressure

3.1.3 位移云圖變化規(guī)律分析

邊坡開挖完成后,通過對大廣高速新豐段邊坡降雨數(shù)值模擬分析,可以得到新豐段邊坡位移云圖(圖6)。圖6顯示邊坡在X方向的位移變化量峰值達(dá)到0.61 m,最大位移集中在Ⅰ級邊坡坡角處[圖6(a)],Z方向的位移變化峰值是0.58 m,主要分布在Ⅵ級邊坡和Ⅶ級邊坡坡頂位置,且在Ⅰ級邊坡坡腳處產(chǎn)生0.25 m的擠壓隆起現(xiàn)象[圖6(b)];由新豐段邊坡總位移云圖[圖6(c)]可知,邊坡最大位移變化量達(dá)62 cm,分別位于Ⅵ、Ⅶ級邊坡坡頂和Ⅰ級邊坡坡腳處。主要是由于雨水的入滲使得坡體自重增大,抗剪能力降低,導(dǎo)致坡體內(nèi)部裂紋產(chǎn)生,坡體向下滑動,同時促進(jìn)了滑動面周邊裂縫的擴(kuò)展。圖6(d)表示新豐段邊坡位移矢量云圖,圖中箭頭方向代表邊坡巖土體移動方向,箭頭長短代表位移量大小。從矢量圖中可清晰看出,新豐段邊坡潛在滑動面已經(jīng)貫通,滑體、滑床和滑動帶邊界清晰,滑體中矢量箭頭長,方向與滑體滑動方向一致;滑床中矢量箭頭短,方向與滑體中的方向有顯著差別。位移最大位置處于坡頂位置,此時坡頂位置發(fā)生拉伸破壞,坡面有沿層間破碎帶下滑的趨勢,坡腳位置處位移最小。

圖6 降雨位移云圖Fig.6 Rainfall displacement nephogram

3.1.4 應(yīng)力云圖變化規(guī)律分析

降雨模擬所得應(yīng)力云圖如圖7所示。對X方向應(yīng)力云圖進(jìn)行分析可得該邊坡滑動面在地下14 m的位置,滑體在X方向上應(yīng)力值主要在-0.08～0.089 MPa,滑床在X方向上應(yīng)力值主要在-0.97～0.38 MPa。也可得出在X方向受拉(即應(yīng)力值大于0)的區(qū)域在邊坡坡頂,說明邊坡坡頂受到拉力作用出現(xiàn)裂縫。Z方向的應(yīng)力值范圍在-1.64～0.015 MPa,且Z方向受拉區(qū)域在坡角處,說明坡腳隆起與實(shí)際相符。

圖7 降雨應(yīng)力云圖Fig.7 Rainfall stress cloud map

3.1.5 降雨條件下邊坡失穩(wěn)破壞機(jī)理分析

自然條件下,該邊坡開挖后處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。降雨條件下,邊坡坡腳和坡頂都出現(xiàn)最大位移變化量,邊坡滑帶面處于距離地表14 m處,主要原因是該邊坡上覆地層是第四系松散層,主要以粉質(zhì)黏土加碎石為主,滲透性較好,而下伏地層為全強(qiáng)風(fēng)化砂巖,風(fēng)化程度呈半巖半土狀,土層強(qiáng)度極低,滲透性差,局部區(qū)域透水性較好,馬蹄形的微地形地貌有利于雨水聚集和入滲,加之地下水長期作用使得滑帶軟化,巖土體的抗剪強(qiáng)度降低,直至滑坡體的滑阻力小于下滑力時,坡體開始逐漸形成滑坡。

在雨水從后緣入滲至前緣時,坡體內(nèi)地下排水通道水壓力從后緣向前緣逐漸上升,導(dǎo)致坡體上部出現(xiàn)V形張拉裂縫,潛在滑動面在雨水的潤滑作用下強(qiáng)度降低,產(chǎn)生蠕滑變形,坡腳處出現(xiàn)擠壓隆起(圖8)。

圖8 邊坡失穩(wěn)破壞機(jī)理示意圖Fig.8 Schematic diagram of instability failure mechanism

3.2 降雨條件下加固邊坡穩(wěn)定性分析

3.2.1 模型的構(gòu)建

根據(jù)現(xiàn)場加固方案Ⅰ級邊坡設(shè)置抗滑樁,間隔5 m,每個樁截面尺寸寬2 m,長3 m,樁深22 m;Ⅱ級邊坡同樣設(shè)置抗滑樁,間隔5 m,每個樁截面尺寸寬2 m,長3 m,樁深27 m,Ⅱ級邊坡坡面采用錨索和框架梁組合加固,錨索長度36 m,錨固段10 m,入射角20°,框架梁縱向截面和橫向截面尺寸均為長0.5 m、寬0.5 m;Ⅲ級邊坡以上坡面均采用錨索和框架梁組合加固,錨索長度36 m,錨固段10 m,入射角20°(圖9),框架梁縱向截面和橫向截面尺寸均為長0.5 m、寬0.5 m(圖10)。進(jìn)行數(shù)值模擬,研究分析其在最大日降雨量70 mm/d情況下的邊坡穩(wěn)定性,并對錨索框架梁和抗滑樁加固進(jìn)行模型構(gòu)建。

圖9 抗滑樁模擬Fig.9 Anti-slip pile simulation

圖10 錨索框架梁模擬Fig.10 Anchor cable frame beam simulation

3.2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

在加固作用下,X方向位移最大是5 cm,最大位移位置處在邊坡Ⅱ級平臺坡腳處,隨著平臺等級的增加,在X方向的位移量呈現(xiàn)變小的趨勢,如圖11(a)所示;在Ⅶ級邊坡坡腳局部,有微小的變化區(qū)域,位移變化量僅為0.8 cm。Z方向位移變化量較小,邊坡基本處于穩(wěn)定狀態(tài),如圖11(b)所示。在Ⅱ級邊坡和Ⅲ級邊坡坡腳處(即抗滑樁加固位置),在Z方向上的位移很小,最大位移量僅為0.9 cm,且在抗滑樁上部位置。由總位移云圖可以看出,邊坡最大位移變化量是7.3 cm,如圖11(c)所示,在Ⅱ級邊坡坡面。由矢量圖可以得出Ⅱ級邊坡坡面處箭頭最大最長,且方向基本沿坡面向下,如圖11(d)所示。

對錨索框架梁的位移量和抗滑樁的軸力分析可知,Ⅱ級平臺的錨索框架梁的位移變化量最大,錨索的最大位移為6.3 cm,框架梁的最大位移為6.4 cm,隨著邊坡平臺上升對錨索框架梁的位移變化量逐漸減小,如圖12(a)所示。Ⅰ級邊坡平臺抗滑樁上的1/2段軸力為拉力,二級平臺抗滑樁上的1/3段軸力為拉力,由此可以得出Ⅱ級邊坡作用在Ⅰ級平臺抗滑樁面積大,下滑力大,如圖12(b)所示。因此Ⅱ級邊坡坡面穩(wěn)定性相對較差,發(fā)生滑坡風(fēng)險大,是該邊坡最危險的區(qū)域,后期應(yīng)對此區(qū)域加強(qiáng)。

圖12 邊坡加固措施云圖分析Fig.12 Cloud chart analysis of slope reinforcement measures

4 臨滑智能監(jiān)測預(yù)警

結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場對監(jiān)測點(diǎn)的分布設(shè)計(jì)提供依據(jù),為重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)設(shè)置滑動力監(jiān)測點(diǎn),該系統(tǒng)不但具有監(jiān)測預(yù)警功能,還具有加固和控制功能,實(shí)時監(jiān)測滑坡體深部巖土體力學(xué)特征,再加之氣象水文等輔助監(jiān)測系統(tǒng),全面保障邊坡的安全與穩(wěn)定。

2021年8月監(jiān)測點(diǎn)設(shè)備安裝調(diào)試完成,開始采集數(shù)據(jù)并生成動態(tài)力學(xué)變化曲線?？梢酝ㄟ^曲線了解邊坡的實(shí)時狀態(tài)和穩(wěn)定性(圖13)。監(jiān)測曲線最初呈現(xiàn)下降態(tài)勢,主要原因是監(jiān)測點(diǎn)現(xiàn)場張拉初始預(yù)應(yīng)力高,使表層土體處于高壓狀態(tài),土體被擠壓且緩慢發(fā)生蠕動變形,導(dǎo)致出現(xiàn)下降趨勢。之后滑動力監(jiān)測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài),表現(xiàn)出該監(jiān)測點(diǎn)區(qū)域內(nèi)真實(shí)應(yīng)力水平。數(shù)據(jù)顯示滑動力的變化值都在均值上下變化,說明邊坡內(nèi)力基本保持不變,處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖13 NPR監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)曲線Fig.13 NPR monitoring point curve

2022年1月高速邊坡NPR-3號邊坡監(jiān)測點(diǎn)滑動力開始緩慢增加,且出現(xiàn)突增現(xiàn)象,但滑動力突增量沒有達(dá)到預(yù)警閾值(200 kN),監(jiān)測系統(tǒng)沒有發(fā)出相應(yīng)的預(yù)警信息。通過現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn),在3號監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測范圍內(nèi),坡體表面被雨水長期沖刷出現(xiàn)土體流失,并且沖溝明顯可見,在框架梁下覆土體被雨水沖刷帶走,形成長度大約1 m,最大寬度0.3 m的空腔?？蚣芰鹤畲嗳醯氖┕たp處發(fā)生錯動,裂縫寬度大約有0.6 cm左右,錯動距離大約有0.3 cm(圖14)。

圖14 一體化監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)平面圖Fig.14 Layout plan of integrated monitoring points

由圖15滑動力監(jiān)測曲線整體趨勢,其曲線走勢和裂縫模式高度吻合,即監(jiān)測曲線突增表示該地區(qū)地表出現(xiàn)裂縫。從滑動力監(jiān)測曲線中可以看出,滑動力隨降雨量呈現(xiàn)動態(tài)響應(yīng)?；瑒恿?70 kN突增至190 kN,現(xiàn)場調(diào)查該監(jiān)測點(diǎn)框架梁發(fā)生裂縫,坡面被雨水沖刷嚴(yán)重,且上部框架梁的下覆土體形成沖溝。滑動力持續(xù)緩慢增長,日降雨量最大達(dá)到70 mm/d,對應(yīng)滑動力監(jiān)測曲線也呈現(xiàn)動態(tài)響應(yīng)?；瑒恿χ祻?00 kN突增至215 kN,坡體表面土體呈“舌頭”狀態(tài)已覆蓋在框架梁上部。

圖15 現(xiàn)場破壞圖Fig.15 Field damage map

5 結(jié)論

(1)邊坡失穩(wěn)的關(guān)鍵因素是降雨,以新豐段大廣高速邊坡為例,發(fā)現(xiàn)滑動面露頭處呈“后緣張拉V形裂縫、舌部擠壓隆起變形”為主的破壞模式,坡面以蠕滑變形為主的破壞模式。在降雨條件下,雨水以一定速率從邊坡表面入滲,雨水入滲導(dǎo)致裂縫水壓力增大,且水的作用使土體黏聚力降低,對邊坡穩(wěn)定性造成影響。

(2)以新豐段大廣高速邊坡為例,數(shù)值模擬軟件模擬了極端降雨條件下邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律,該邊坡的滑動面在距地表14 m處,最大位移變化區(qū)域在二級邊坡坡面處,并在此處采用“耦合錨索框架梁+抗滑樁”的支護(hù)方式,坡體Z方向最大變形量僅為9 mm,滿足邊坡控制要求。

(3)在新豐段邊坡上建立了公路邊坡滑動力綜合在線安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng),揭示了滑動力隨降雨量的動態(tài)響應(yīng)規(guī)律,監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示隨著降雨增大,深部滑動力發(fā)生突增,邊坡變形,主要破壞形式包含框架梁開裂、坡面巖土體呈“舌”狀破壞,為類似公路高邊坡的安全監(jiān)測和變形機(jī)理研究奠定了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。