強降雨作用下風化順層巖質高邊坡變形監測及穩定性分析

為探究風化順層巖質高邊坡的穩定性，文章設計了不同層狀角和降雨強度下的室內模型試驗，對強降雨作用下對風化順層巖質高邊坡的變形規律進行監測，并對變形監測結果進行計算分析。結果表明：在降雨初期，邊坡并不會發生變形，隨著邊坡土體含水率趨于飽和，在類似風化營力作用下邊坡開始發生位移變形，變形從邊坡中部發生，隨后擴展到邊坡上部，邊坡下部變形十分微小；邊坡以水平位移變形為主，豎向位移變形為輔，但豎向位移變化率大于水平位移變化率；層狀角或者降雨強度越大，邊坡越容易發生失穩破壞，預警變形時間和變形量越小。

數字圖像處理；風化順層巖質高邊坡；層狀角；變形監測；穩定性

U416.1+4A140454

作者簡介：

覃瑞宏（1975—），高級工程師，主要從事高速公路工程方面的工作。

0" 引言

公路工程開發建設過程中會面臨許多邊坡穩定性問題，尤其是在強降雨作用下，高陡型順層邊坡失穩會給工程建設和安全運行帶來極大的風險［1-2］。因此，開展強降雨作用下高邊坡穩定性研究具有十分重要的意義。

避免出現邊坡失穩事故除了要做好設計和施工之外，還應該注重開挖和運行過程中邊坡的變形監測，只有掌握了邊坡失穩破壞的變形規律，做好邊坡變形預測工作，才能防患于未然。隨著工程技術的不斷發展，公路邊坡正在向高陡型發展，傳統上采用人工測量的方式對邊坡進行變形監控，不僅測量精度低，而且自動化程度低，缺乏實時性和及時性［3］。近些年來，數字圖像處理技術在工程領域得到廣泛的關注，并取得了良好的應用效果，能夠為工程提供實時準確的監測數據和預報［4-5］。但是，在風化順層高陡邊坡中的應用還比較少，尤其是結合強降雨作用下邊坡穩定性分析的研究還比較少見［6-7］。

本文基于室內模型試驗，開展了強降雨作用下風化順層巖質高邊坡變形監測及穩定性分析，通過研究可為高陡型順層邊坡失穩機理和隱患治理提供借鑒。

1" 工程概況

1.1" 邊坡總體情況

某高速公路K73+168～K73+417段為路塹高邊坡，地勢上呈兩側高、中間低的整體態勢，左側邊坡最大高度約為50 m，右側邊坡最大高度約為60 m，由于邊坡較陡，且邊坡地質條件不佳，工程施工過程中采用預應力錨索+多排樁板墻的形式對邊坡進行加固防護。邊坡工程示意見圖1。

1.2" 工程地質條件

該段邊坡發育有一正平移斷層，斷層走向為SE-NW，斷層面的傾角大小情況為SW70°～SW80°，斷層帶寬度大小約為10～20 m，斷層帶內分布有大量的壓碎巖，另外還存在多條與路線近似呈垂直相交的平移斷層，斷層的產狀走向為145°～165°。邊坡處從上往下土層依次為種植土、亞黏土、碎石、塊石、泥質粉砂巖、砂質頁巖和硅質砂巖。

1.3" 水文氣象條件

由于路線處于沖溝位置，呈兩邊高、中間低的地形走勢，是地下水匯集排泄的主要地帶，開挖導致結構層開裂和扭曲，邊坡兩側多有地下水（裂隙水）滲出，邊坡局部地區呈下降泉形式，日均下降泉流量約為18 t。工程區年平均降雨量約為1 700 mm，且降雨主要集中于5～8月，最大日平均降雨量為291.3 mm/d，最大日降雨量曾達到550 mm/d，按照降雨強度等級劃分標準，日平均最大降雨量達到特大暴雨級別。

2" 試驗模型構建

2.1" 模型相似比

由于實際邊坡工程場地巨大，要對整個邊坡進行實時監測，會耗費大量的人力物力，因此在對邊坡進行變形監測研究時，采用模型試驗的方法，通過模型試驗來獲得邊坡的變形規律，從而為實際邊坡工程的加固提供參考［8-9］。原型邊坡主要包括黏土層、塊石層和風化巖層，黏土層和塊石層厚度較小，為簡化分析，將邊坡視為單一性質的風化巖層，并用河砂、鐵粉、膩子粉（聚丙烯）、石膏按照40∶20∶5∶5的比例制作成風化巖模型材料，初始含水率為5%。最終確定的相似比常數分別為：模型的整體比例為1∶500，彈性模量和粘聚力相似比均為500，泊松比、內摩擦角以及重度的相似比常數為1。模型材料和原始邊坡巖體材料的參數對比情況見表1。

強降雨作用下風化順層巖質高邊坡變形監測及穩定性分析/覃瑞宏

2.2" 模型試驗裝置

模型試驗裝置包括模型箱、降雨裝置和測量裝置，模型箱的尺寸大小為長×寬×高=1.5 m×0.8 m×1 m。降雨裝置包括供水系統、兩個控水閥、降雨管路、噴頭等組成，有效降雨面積2 m2。測量裝置（數字圖像技術）包括CCD相機、長焦鏡頭、計算機、支架、標志牌和加強光照燈等裝置，標志牌安裝在模型邊坡的上層、中層和下層，邊坡模型均采用砌筑方式成型。模型試驗裝置示意見圖2。

2.3" 試驗方案

本文選取300 mm/d和500 mm/d兩種降雨量作為試驗降雨強度等級。在實際工程中層狀角的變化是比較復雜的，通過實地勘察，層狀角大部分為25°～40°，且隨著層狀角的增大，邊坡的安全系數會逐漸減小，因此本文采用25°和40°兩個層狀角作為試驗變量。試驗方案共4種，具體試驗參數見表2。

3" 模型試驗結果及分析

3.1" 水平位移監測結果

不同試驗方案下邊坡水平位移監測結果見圖3。由圖3可知：在降雨初期，所有試驗方案的邊坡均處于穩定滲透狀態，坡體含水率隨著降雨歷時的增加而增大，此時水平位移還未發生。隨著坡體含水率越來越高，在坡面形成滲水，風化巖體在滲透作用下極易發生軟化，從而引起邊坡發生位移。隨著雨水的進一步滲透，邊坡土體由非飽和向飽和轉變，且趨于飽和的巖體范圍隨降雨歷時逐步擴大。飽和巖體不再具有儲水能力，進而在坡面形成匯流，巖體材料發生大范圍軟化之后出現局部的坍塌，位移發展速度進一步加快，在邊坡偏上部逐漸形成宏觀裂縫，直至邊坡發生失穩破壞。

在25°層狀角、300 mm/d的降雨強度（方案1）下，在降雨2 000 s之后，中部結構首先發生位移變化，而上部結構直到降雨10 000 s后才發生水平位移，下部結構基本未發生水平位移，上部結構和中部結構的水平位移均先呈現一段時間的穩定變形階段，當位移發生到一定程度后，開始加速變形，這與蠕變變形曲線類似，中部結構的水平位移變形量較上部結構大，當中部水平位移達到30 mm后，標志牌脫落，此時坡體發生失穩破壞。

在25°層狀角、500 mm/d的降雨強度（方案2）下，僅在中部結構位置發生了水平位移。究其原因，可能是巖體材料的局部離散性造成的，但是從整體上來看，保持層狀角不變，增大降雨強度后，水平位移的發展速度明顯快于方案1，進入加速變形和失穩破壞的時間點均較方案1有所提前。這是因為增大降雨強度，會加快邊坡巖體材料從非飽和向飽和狀態轉變，邊坡軟化損傷越嚴重，水平位移變形加快，當中部水平位移達到20 mm后，邊坡發生失穩破壞。

在40°層狀角、300 mm/d的降雨強度（方案3）下，當降雨歷時為3 750 s左右時，上部和中部邊坡開始出現水平位移，中部結構的水平位移發展速度仍明顯快于上部結構，同時在降雨歷時達到18 750 s之后，邊坡下部結構還出現了少量的水平位移。這是因為該方案在試驗時，中部結構失穩破壞對下部結構形成了一定的擠壓作用，當增大層狀角后，邊坡水平位移變形的速率有所放緩，歷經變形的時間有所延長，層狀角增大后，坡面雨水匯流流速變快，巖體材料達到飽和狀態的時間延長，軟化損傷速度變緩，因而水平位移變形減小，當中部水平達到27 mm后，邊坡發生失穩破壞。

在40°層狀角、500 mm/d的降雨強度（方案4）下，當降雨歷時為5 000 s左右時，邊坡開始出現水平位移變形，增加降雨強度后，水平位移變形速率明顯加快，當降雨歷時為15 000 s左右時，中部結構水平位移量達到40 mm，邊坡發生失穩破壞，隨后在降雨歷時為16 500 s時，上部結構也發生失穩破壞。

3.2" 豎向位移監測結果

不同試驗方案下邊坡豎向位移監測結果見圖4。由圖4可知：邊坡豎向位移的發展變化趨勢與水平位移的發展變化趨勢相似。在降雨初期，邊坡還處于穩定滲透狀態，巖體材料從非飽和向飽和狀態轉變，此時邊坡處于穩定狀態，豎向位移變形未發生。當邊坡土體達到飽和狀態后，邊坡儲水能力降低，沿著坡面形成匯流，同時在長時間浸泡下，巖體材料發生類似于巖體風化營力作用而被逐漸軟化，此時邊坡變形開始產生，并在一段時間內呈穩定變形狀態。當邊坡巖體材料的變形達到一定程度（損傷閾值）后，開始出現加速變形，直至邊坡發生失穩破壞。

從整體上來看，中部結構的豎向位移變形發展速度仍明顯快于上部和下部結構，但是相對于水平位移變形而言，豎向位移變形的變化速率較為緩慢，這說明坡體的變形主要以水平位移變形為主，在強降雨作用下，風化巖質高邊坡易發生滑坡和坍塌破壞。增大邊坡的層狀角或者增大降雨強度，均會使邊坡變形速率加快，越容易發生失穩破壞。

3.3" 穩定性分析

由于中部結構是整個邊坡最先失穩破壞的位置，因此，選取邊坡中部位置的水平位移變形曲線作分析，分別找到水平位移突變點，突變點對應的時間和位移即為不同邊坡層狀角和降雨強度下的預警值，結果見下頁圖5和表3。由表3可知：在相同層狀角下，增大降雨強度，預警時間有所延長，但預警變形量也隨之減小，在25°層狀角下，500 mm/d降雨強度下的預警變形量為7.5 mm，300 mm/d降雨強度下的預警變形量為9.4 mm，前者較后者減小20.2%；在40°層狀角下，500 mm/d降雨強度下的預警變形量為5.1 mm，300 mm/d降雨強度下的預警變形量為9.6 mm，前者較后者減小46.9%。在相同降雨強度下，增大層狀角，也會使預警變形量減小，雖然在300 mm/d降雨強度下出現了25°層狀角和40°層狀角下預警變形不降反升的情況，但結合相關文獻可知，這可能是因為試驗離散性造成的，且兩者相差并不大，在500 mm/d降雨強度下，40°層狀角下的預警變形量較25°層狀角的預警變形量下降32%，說明邊坡在降雨條件下隨層狀角的增大而越容易失穩。

4" 結語

針對某高速公路順層巖質高陡邊坡，設計了不同層狀角和降雨強度下的室內模型試驗，得出如下結論：

（1）根據相似性原理，當河砂∶鐵粉∶膩子粉（聚丙烯）：石膏=40∶20∶5∶5時，邊坡材料參數符合模型材料配合比。

（2）邊坡的變形可分為初始變形、穩定變形和加速變形3個階段。變形首先從邊坡中部開始，然后向邊坡上部延伸，最后發生失穩破壞；邊坡水平位移變形量大于豎向位移變形量，但是豎向位移的變化速率更快。

（3）將邊坡中部水平位移突變點作為預警值，分別得到方案1～4的預警時間分別為11 200 s、9 600 s、13 100 s和10 000 s，預警變形量分別為9.4 mm、7.5 mm、9.6 mm和5.1 mm；增大層狀角或者降雨強度，均會導致邊坡容易發生失穩破壞。

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20240312