公路軟土路基邊坡在河流沖刷作用下的穩(wěn)定性研究

0 引言

河流邊坡的穩(wěn)定性直接影響河道的正常運行，并對其附近建筑、公路工程帶來直接影響。然而，隨著水流的持續(xù)作用，尤其是水位波動加大和流速加快，河水對邊坡的沖刷作用會加劇。尤其在軟土地區(qū)，由于軟土具有高含水量、低強度和較大變形的特性，這種沖刷作用使得邊坡的穩(wěn)定性進一步復雜化[1-2]。

周先強[3]通過實際工程案例，對比分析了深基坑及外圍河道支護的不同設計方案，探討了支護結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟性和施工可行性，并結(jié)合地質(zhì)條件、周邊環(huán)境等因素提出了優(yōu)化建議。張巖[4等人研究了不同丁壩長度的彎道內(nèi)流速分布、水流結(jié)構(gòu)及沖刷特性，揭示了丁壩長度對水流流態(tài)和河床變形的調(diào)控作用，指出丁壩長度變化影響彎道水流能量耗散和沖刷模式。本文在上述研究的基礎上，進一步研究有無河流沖刷對路基邊坡幾何形態(tài)和塑性應變的影響，利用有限元模擬方法建立模型并揭示其相互作用機制，并提出適用于河流沖刷與軟土路基耦合條件下的邊坡變形監(jiān)測和評估方法。

1工程概況

1.1工程基本情況

浙江沿海地區(qū)某公路工程的一段路基邊坡與河道相連，該段路基邊坡工程關(guān)系到周邊設施與附近居民的安全，在區(qū)域規(guī)劃和使用功能中占據(jù)重要地位。該段路基邊坡工程整體呈現(xiàn)長條形，長約 55m ，寬約 10.7m ，高度在3.7～7.4m之間。其中高陡邊坡段落長度為13.1m，緩坡段落長度為 20.3m. 。該路基邊坡局部沖溝發(fā)育明顯，深度為 2.5m? 、寬度為4m，呈南北走向，在雨季匯集、排泄地表水并沖刷侵蝕坡面，近坡底處有倒坡現(xiàn)象，穩(wěn)定性很差。

1.2地質(zhì)與水文情況

該段路基邊坡施工區(qū)域的地質(zhì)情況如下：淤泥質(zhì)黏土層厚度約為 8m ，承載力約為80kPa，滲透系數(shù)約為0.001m/d ，其壓縮性較高、透水性較低。淤泥質(zhì)黏土層下面為凝灰?guī)r，其強風化層厚約 4m ，滲透系數(shù)約為0.05m/d ，屬弱透水層，基巖微等透水。施工區(qū)域地震基本烈度為VI度，存在地質(zhì)災害風險。

該段路基邊坡施工區(qū)域所在的浙江沿海地區(qū)屬于季風氣候，年均降水量約為 1500mm ，5～9月梅雨季和臺風季的降雨集中。施工區(qū)域以孔隙水為主，埋深約為5m，高水位易致邊坡失穩(wěn)，且孔隙水會侵蝕巖土體，降低其強度和穩(wěn)定性。

2建立有限元模型

2.1模型簡化與參數(shù)取值

根據(jù)該段路基邊坡勘察得到的實際工況，以及對彎道河流沖刷的數(shù)值模擬分析結(jié)果得出，河流彎道下游凹形岸一側(cè)河流出彎會對路堤底部產(chǎn)生沖刷作用。這種沖刷作用，對于軟土路基邊坡的變形具有重要影響。基于此，選取該公路有砌石護坡的路基邊坡建立有限元模型。

首先，將該模型簡化為3層土體，分別為路基人工填土、地基灰黏土及河床粗砂。其中，土體的本構(gòu)模型選用莫爾-庫倫模型（MohrCoulombModel）；將砌石護坡視為彈性材料，其彈性模量為 32.5GPε 。為了與無任何防護措施條件下的模型分析結(jié)果進行對比，路基邊坡模型尺寸需保持一致，其高 × 寬為 30m×40m ；路堤頂部與河床豎向距離為 8m ，路堤坡度tan0為1.0，砌石護坡的寬度為 2m ，下設基礎的寬 × 高為 2m×3m 。路基各層土體物理性質(zhì)參數(shù)如表1所示。在砌石護坡防護下的路基邊坡簡化模型如圖1所示。

表1路基各層土體基本物理性質(zhì)參數(shù)

圖1路基邊坡簡化模型

2.2有限元模擬方法

根據(jù)路基邊坡簡化模型建立有限元模型，模型邊界條件為限制模型兩側(cè)的水平位移和底部水平和豎向兩個方向的位移。各部件均采用二維實體單元來模擬，土體和砌石護坡的網(wǎng)格單元類型均采用四節(jié)差值的15節(jié)點三角形單元進行劃分。砌石護坡和土體之間的接觸類型設置為“surfacetosurface”，根據(jù)默認條件設置法向接觸，并選擇切向模型為“penalty函數(shù)”，摩擦系數(shù)取值0.6。

不考慮河流沖刷作用對堤岸坡腳的影響時，僅模擬洪水條件下河流水位驟升工況，將河流水深分別取值為2m和4m進行模擬計算，對其進行路基邊坡穩(wěn)定性分析。考慮河流沖刷作用對堤岸坡腳的影響時，當河流水深分別取值為2m和 4m 后，在路堤底部的河床區(qū)域進行局部開挖。根據(jù)彎道河流沖刷的數(shù)值進行模擬，其結(jié)果顯示最大沖刷坑所在橫斷面的橫比降為 0.225～0.331 ，模擬河流沖刷作用在岸邊河床形成坡度為1：3的沖刷坑。將兩種工況對應的堤岸坡腳最大沖刷量分別設置為0m、0.5m、1.5m、2.5和 3m ，在對河床進行開挖處理之后進行路基邊坡穩(wěn)定性分析。兩種工況對坡腳最大沖刷量的設置如表2所示。

表2兩種工況對坡腳最大沖刷量的設置

3路基邊坡穩(wěn)定性研究

3.1邊坡穩(wěn)定性機理分析

3.1.1 邊坡穩(wěn)定性評價標準

本文引入邊坡穩(wěn)定安全系數(shù) F_st 和邊坡穩(wěn)定性系數(shù)F_s 的概念。根據(jù)GB50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》和JTGD30—2015《公路路基設計規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，永久性邊坡一般工況的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù) F_st 按照邊坡工程安全等級劃分，其中一級為1.35，二級為1.30，三級為1.25。對地質(zhì)條件很復雜或破壞后果極嚴重的邊坡工程，其穩(wěn)定安全系數(shù)應適當提高。

邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)分為不穩(wěn)定、欠穩(wěn)定、基本穩(wěn)定和穩(wěn)定4種狀態(tài)： F_slt;1.00 為邊坡不穩(wěn)定， 1.00?F_slt; 1.05為邊坡欠穩(wěn)定， 1.05?F_sst 為邊坡基本穩(wěn)定，F(xiàn)_s?F_st 為邊坡穩(wěn)定。本文公路工程案例的路基邊坡穩(wěn)定性系數(shù) F_s 按 F_s?F_st 設計計算。

3.1.2無沖刷作用下的邊坡穩(wěn)定性

在研究路基邊坡穩(wěn)定性時，首先分析在砌石護坡防護狀態(tài)下無沖刷作用即沖刷深度為 0m 、河流水深分別為2m和 4m 時，邊坡的穩(wěn)定性情況。通過數(shù)值模擬和監(jiān)測點的水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在不同水深條件下，路基邊坡監(jiān)測點的水平位移量隨著邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的變化呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。無沖刷作用的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與水平位移量的關(guān)系如圖2所示。

圖2無沖刷作用下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與水平位移量的關(guān)系

由圖2可知，監(jiān)測點水平位移曲線在某一臨界點處出現(xiàn)了較為明顯的拐點，這一拐點的出現(xiàn)標志著邊坡水平位移量的增加，也就是邊坡從穩(wěn)定狀態(tài)向不穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變。當初始水深為 2m 時，路基邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為2.08；而當初始水深增加到4m時，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)提高到3.02。這表明隨著水深的增加，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)呈非線性增長，增長幅度分別為 15.44% 和 22.56% 。這種非線性增長反映了水深的增加提高了邊坡的穩(wěn)定性，但這種提高為非線性關(guān)系，而是隨著水深的逐步增加而逐漸增強。

3.1.3有沖刷作用下的邊坡穩(wěn)定性

在水位上漲至 4m 、最大沖刷量為3m時，得出該工況下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨著監(jiān)測點位移變化規(guī)律曲線。有沖刷作用下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與水平位移量的關(guān)系如圖3所示。由圖3可知，隨著邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的逐漸增大，水平位移量也會逐漸上升，且上升趨勢越來越明顯。當初始水深為3.0m時，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.62；當邊坡穩(wěn)定性系數(shù)大于1.62時，水平位移量的變化逐漸顯著。

圖3有沖刷作用下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與水平位移量的關(guān)系

3.2邊坡塑性應變分析

在水位上漲至 4m 時，在無沖刷作用的條件下，邊坡在整個過程中幾乎沒有明顯的塑性應變，潛在危險主要集中在堤岸與河床交界處。然而，當引入沖刷作用時，潛在危險區(qū)域主要出現(xiàn)在沖刷坑底部，并逐漸向邊坡內(nèi)部延伸。隨著沖刷深度的增加，沖刷坑底部的塑性區(qū)域范圍會逐漸擴大，并向邊坡的頂部和底部延伸。

這種現(xiàn)象主要是由于沖刷作用造成邊坡塑性區(qū)域發(fā)生變形，進而導致滑動趨勢和拉張裂縫。研究表明，沖刷作用顯著增加了邊坡尤其是坡腳處的滲透流速，使得邊坡的水平位移量明顯增加，且越靠近坡腳位移增加的幅度越大。此外，沖刷作用還擴大了邊坡與河床的塑性區(qū)范圍。水位上漲到4m時，有／無河流沖刷作用下的邊坡塑性應變云圖如圖4所示。

圖4有/無河流沖刷作用下的邊坡塑性應變云圖

4路基邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測與評估方法

4.1 監(jiān)測技術(shù)選型

多源監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠提供全面的邊坡變形信息，結(jié)合不同傳感器技術(shù)，能夠?qū)崟r、準確地監(jiān)測河流沖刷與軟土耦合作用下的邊坡穩(wěn)定狀態(tài)。目前引用較為廣泛的監(jiān)測方法有GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）監(jiān)測、InSAR（合成孔徑雷達干涉技術(shù)）、FOG光纖傳感技術(shù)和GPR地質(zhì)雷達等。這些監(jiān)測技術(shù)可提供大范圍的高分辨率地面變形監(jiān)測，尤其是在在浙江某公路邊坡分布廣泛且難以靠近的復雜地形條件下，可實現(xiàn)對整個路段的全面監(jiān)測，能捕捉到微小的邊坡變形。對于水流變化可導致邊坡長期變形或突發(fā)滑坡的軟土邊坡，可實時捕捉其變形的動態(tài)過程，為穩(wěn)定性評估提供持續(xù)性的數(shù)據(jù)支持。

4.2建立穩(wěn)定性評估體系

采用選擇的監(jiān)測技術(shù)及其設備，實時采集邊坡位移、應變、地下水位等數(shù)據(jù)，將其作為邊坡穩(wěn)定性評估的輸入數(shù)據(jù)。結(jié)合降水量、氣溫等實際氣候數(shù)據(jù)，對邊坡的外部環(huán)境條件進行動態(tài)調(diào)整。通過數(shù)值模擬計算邊坡的安全系數(shù)和變形模式，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，動態(tài)更新邊坡穩(wěn)定性評估指標。這些評估指標包括邊坡的位移、應變、剪切強度、流體侵蝕深度等。當邊坡穩(wěn)定性指標達到預警閾值時，自動發(fā)出預警信號，提示可能發(fā)生的邊坡失穩(wěn)或滑坡等地質(zhì)災害，為應急響應提供決策支持。

5結(jié)束語

本文通過現(xiàn)場調(diào)研和數(shù)值模擬，研究了河流沖刷與軟土耦合條件下的邊坡變形和演變機理，探究了不同初始水深條件下的路基邊坡特征點水平位移隨安全系數(shù)的變化規(guī)律，對整個過程的作用機理進行了對比分析，并提出了邊坡變形監(jiān)測與穩(wěn)定性評估方法。研究結(jié)果表明，河流沖刷與軟土變形相互作用顯著加劇了邊坡、尤其是水位變化頻繁區(qū)域的不穩(wěn)定性。該研究成果為河流沿岸工程的設計、施工和災害防治提供了科學依據(jù)，具有重要的理論意義和應用價值。未來研究可進一步優(yōu)化監(jiān)測技術(shù)，繼續(xù)探索多因素耦合下的邊坡變形機制，提升預測精度和防治效果，為類似工程提供參考和借鑒。

參考文獻

[1]陳洪凱，唐紅梅.四川境內(nèi)公路水毀的基本特征及防治問題探討[J].重慶交通大學學報（自然科學版），1994，13（S1）：103-107.

[2]錢寧，萬兆慧.泥沙運動力學[M].北京：科學出版社，2003.

[3]周先強.深基坑及外圍河道支護設計方案比選實例[J].福建建材，2022（6）：72-74，90.

[4]張巖，吳伊平，崔鵬義，等.丁壩長度對彎道水力特性影響的數(shù)值模擬研究[J].水資源與水工程學報，2019，30（1）：164-170.