某公路路基失稳阶段的边坡滑塌防治方案

2018-12-21林远航赵武鹍

现代矿业 2018年11期

林远航赵武鹍

(1.紫金矿业集团股份有限公司紫金山金铜矿；2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；3.金属矿山安全与健康国家重点实验室；4.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)

我国公路网分布路线较为广泛，公路边坡滑塌受多种因素影响，在众多因素中，降雨影响尤为显著，近年来，强降雨导致公路边坡滑塌事故不断增多。为有效防治该类事故，大量学者对对降雨条件下边坡的滑塌机理及相关因素进行了系统研究，孙刚志等[1]对自然状态和降雨状态下的某公路边坡进行了模拟分析，探讨了2种情况下的边坡安全问题；沈思建等[2]通过分析节理位移趋势与边坡变形规律，认为节理边坡变形受优势结构面控制，降雨导致地下水位抬升加速了边坡变形破坏；路彦青[3]分析了在降雨条件下某公路路基渗流特性、边坡失稳规律，并建立了分析模型，对于有效预防公路路基滑坡灾害有一定的效果；屈鑫[4]通过试验，确定了含水率和围压的变化对抗剪强度的影响，对降雨入渗条件下边坡稳定性的影响因素进行了敏感度分析，并进一步讨论了降雨强度及持续时间对边坡稳定性的影响；余涛[5]针对粗粒土路堤边坡，进行了孔隙水压力与含水率变化规律分析，得到了不同条件下边坡安全系数的变化规律，认为渗透系数对边坡稳定性的影响较大。本研究在上述成果的基础上，以某公路路基边坡为例，分析连续降雨引起的边坡滑塌机理，以安全系数为判断标准分析该边坡的失稳阶段，并结合公路路基地形地质条件，设计综合防治方案。

1 工程概况

某公路属于乡镇道路，路基由砂土、风化岩组成。公路所在地区为热带季风气候，湿润多雨，每年3～7月为雨季，最长连续降雨天数31 d，总降雨量为440.3 mm。在连续降雨5 d后(日最大降雨量为242 mm)，该公路路基出现了沉降、边坡局部滑塌现象，滑塌区域上口长约30 m，高度为10～12 m(图1、图2)。

图1 路基边坡上部裂缝

图2 路基边坡沉降、局部滑塌

2 滑塌诱因

连续强降雨使得路基边坡土体基质吸力降低，从而降低了土体之间的吸力，并使得土体强度参数降低；连续强降雨抬升了路基边坡浸润线，使得边坡饱和土体量增加，加大了水压力。在自重压力及降雨坡面径流影响下，坡体向临空面蠕变的趋势增大，当变形超出一定范围，路基边坡便会出现沉降及局部滑塌。

2.1 降雨入渗过程

降雨入渗过程实质是水在非饱和区—饱和区的运动过程，仍然满足达西定律[6]，其饱和—非饱和渗流的控制方程可表示为

(1)

非稳定渗流问题的定解条件包括初始条件和边界条件，前者可表示为

h(xi,t0)=h0(xt,t0) ，

(2)

后者可表示为

h(xi,t0)|Γ1=

(3)

式中，t0为初始时刻；Γ1为已知水头边界；Γ2为流量边界。

2.2 降雨使得土体吸力逐渐降低

根据非饱和土力学理论[8]，土体吸力由基质吸力和渗透吸力组成，即

Ψ=(ua-uw)+f，

(4)

式中，Ψ为土体吸力；f为渗透力;ua为孔隙气压力;uw为孔隙水压力。

一般来说，土体渗透力远小于基质吸力[8]，因此，在降雨影响下，土体吸力减少主要考虑基质吸力的影响。随着土体含水量不断增加，水充填土孔隙后，孔隙气压力ua不断降低、孔隙水压力uw不断增大，由式(4)可知,土体基质吸力不断降低，这一过程可通过土水特征曲线来反应[9]。本研究根据组成路基边坡的粒径信息，调用SEEP/W软件中的VWC样本函数[9-10]，得到了如图3所示的土水特征曲线。

图3 土水特征曲线

2.3 降雨导致边坡土体强度参数减小

降雨导致土体强度软化，可采用Frenlund等提出的非饱和土的抗剪强度公式进行表述[6]

τ=C′+(σf-ua)ftanφ′+(ua-uw)ftanφb，

(5)

式中，C′为饱和土的有效黏聚力，MPa；φ′为饱和土的有效内摩擦角,(°)；σf为破坏时的法向总应力,MPa；ua为孔隙气压力,MPa；uw为孔隙水压力,MPa；φb为基质吸力的剪切摩擦角,(°)。

由式(5)可知：随着持续性降雨，非饱和土体基质吸力不断降低，抗剪强度τ不断降低。

2.4 降雨导致地下水位线抬升

本研究采用了文献[4]介绍的第2类模型，即降雨入渗模型进行分析。综合考虑非饱和土渗透系数的空间变化特性，在降雨入渗过程中，土坡内出现了暂态饱和区，饱和区与非饱和区相互作用、相互影响。本研究模拟分析了强降雨条件下8 d内路基边坡水位变化情况及水压力，如图4所示。分析图4可知：初始条件下路基边坡水位线以上的孔隙水压力为负值，随着降雨入渗，孔隙水压力由负值逐渐变为正值；随着降雨入渗，孔隙水压力沿着路基边坡高程出现暂态饱和区、负压力区、正压力区；持续降雨使得路基边坡水位线不断上升，逐渐扩大了边坡土体的饱和区域，降雨6 d时，边坡体已经饱和；降雨7 d时，水压力达到最大，对边坡稳定性极为不利。

图4 强降雨条件下的路基边坡水位线(单位：m)

3 路基边坡破坏过程分析

本研究利用GEO-Slope软件对降雨条件下的路基边坡稳定性进行了模拟分析，结果如图5、图6所示。

综合分析图5、图6、表1可知：①随着持续降雨，路基边坡安全系数总体呈逐渐降低趋势；②未降雨时，边坡失稳阶段为稳定状态，降雨1～2 d后，边坡失稳阶段为基本稳定阶段，降雨3～4 d后，边坡失稳阶段为欠稳定状态，降雨5 d以后，边坡失稳阶段为不稳定状态，③降雨第5 d时，边坡安全系数为0.979，与路基边坡沉降、局部滑塌现象相吻合，此时边坡未完全饱和；④降雨第6 d，由于边坡未完全饱和，安全系数继续减小为0.948，此时，边坡全饱和；⑤降雨第7 d，由于水压力继续增大，安全系数减小至0.888，此时，水压力达到最大；⑥降雨第8 d，水压力保持不变，安全系数不变，为0.888。

4 边坡滑塌防治方案

由于本研究公路为乡镇通道，同时公路下方存在工业场地，为保证其安全，需要采取工程治理措施。根据路基边坡滑塌诱因及失稳阶段(不稳定状态)，对综合防治方案进行了设计。由于降雨入渗是导致该路基边坡发生滑坡的主要诱因，针对降雨入渗情况，对路面进行混凝土硬化，减少甚至防止雨水入渗；设置截、排水沟截留山坡汇水，及时导流路面积水。针对该路基边坡高度、重要性程度及周围环境易施工的特点，设计了“浆砌块石挡墙压坡”及“长锚杆+框架梁+喷锚网”2种方案。支护设计边坡稳定安全系数应满足二级及以下公路对应安全系数上限值的取值要求(表2)。