降雨诱发黄土边坡失稳破坏机制研究

王花蕊

（新乡市中原水利设计研究院，河南 新乡 453000）

1 引言

在水利、交通、矿产等方面，经常遇到不稳定斜坡的问题。边坡的破坏将带来严重的经济损失，对人身安全也产生极大的威胁。黄土是一种重要的第四纪沉积物。在我国，黄土分布的面积高达6.31×105km2，因此，在各项工程中，黄土边坡是经常遇到的一个问题，怎么处理黄土边坡也是一个难题。

许多专家学者对黄土边坡进行了研究。张群、许强等[1]通过室内降水实验分析滑坡降雨入渗深度，研究滑体厚度分布成因。G.Fausto[2]则研究了多个由于暴雨而诱发的滑坡。F.Mario和B.Francesca[3]则根据据历史降雨记录，建立了一个降雨诱发滑坡启动判据模型。张明[4]通过对滑带土进行环剪实验，得出了在滑动过程中其孔隙水压力以及剪切强度的变化特征并对缓倾岩层的滑坡诱发机制进行了总结。曾银青[5]对黄土地区的桥梁被黄土边坡冲毁进行了研究，对黄土地区桥梁设计进行了反思。窦增宁，胡夏嵩，刘昌义等[6]人采用现场模拟的方法研究了降水以及植被的防护作用对边坡稳定性的影响。鄢治华，伍艳丽，饶虎[7]在统计多个项目的基础上，构建了常规土质边坡治理措施模型并进行了边坡治理设计。吴谦，王常明等[8]采用室内物理模拟方法和PFC颗粒流数值方法，对辽宁西部某黄土边坡进行研究，结果显示水流的侵蚀能力从坡顶到坡脚呈增加趋势。孔庆，刘小军等[9]在现场调查的基础上对练家沟黄土斜坡的变形破坏机制进行了研究，并采用数值模拟方法进行了治理措施研究。谌文武，刘伟等[10]采用三轴试验研究了渗透剪切作用力下，黄土的力学变化特性，结果表明在渗透作用下黄土的黏聚力会产生明显的降低，抗剪强度降低。

本文以某项目对黄土边坡采取治理措施后由于连续强降雨造成边坡表层破坏为研究对象，从黄土边坡破坏的影响因素、破坏模式及治理措施等方面，研究该边坡产生破坏的原因。边坡位于新建场区建筑物后山，采取的治理措施为喷射混凝土、锚杆和坡顶设置截排水沟。治理措施完成后，由于连续的强降雨，造成边坡失稳。严重影响到下方道路的安全和场区的正常运转。

2 工程概况

研究边坡位于某建筑背后，该建筑是一项重要的民生工程，边坡的稳定性具有极为重要的意义。边坡的垮塌将严重影响到场区的正常运行。场区建设初期，在2013年对边坡采取“锚固+喷射混凝土+截排水沟”的治理措施后。2014年9月的连续强降雨造成了边坡的失稳破坏。经过现场调查，该边坡表层为黄土，厚度为1 m～2 m。其下为紫红色泥岩，风化较为严重，但完整性相对较好。边坡破坏后全貌图见图1。

3 边坡破坏模式分析

经过现场调查该边坡总高30 m，总长258 m。此次产生破坏的区域长20 m，高12 m。破坏区域位于边坡转弯区，此处坡顶处有凹地形，利于雨水汇流。此处边坡的破坏面积较大，但向坡体内部延伸的深度较浅，仅为1 m～2 m。因此，虽然造成了坡脚道路中断，未对坡脚的房屋产生影响。说明，该边坡采用的锚杆对坡体深部较为完整的泥岩有较好的防护作用，但难以防护坡表结构较为松散的黄土。

该边坡顶端为农林，植被生长较好。因此，在边坡治理过程中只能在较近的位置设置截排水沟。截排水沟的设置仅能抵挡边坡表层不被雨水冲刷，由于该地区的连续强降雨，边坡顶端全为较松散的耕植土且坡顶较为平缓，不易于将雨水向坡面排泄，利于雨水的入渗，边坡顶端雨水强烈下渗，由于坡表进行了喷射混凝土处理，阻碍了雨水的排出，造成了锚固部位的岩土体强度降低、含水量增加，产生蠕动变形，最终将坡表喷射的混凝土挤破，边坡在治理后产生破坏。这种破坏模式，主要是在重力作用下产生的，一般坡脚位置首先产生破坏，产生向坡外的溯流，并不断向上延伸直至整体破坏。边坡破坏模式见图2。

图2 边坡破坏模式图

4 灰色理论边坡影响因素分析

灰色系统理论[11]是基于数学理论的系统工程学科，由邓聚龙教授首先提出并创立的一门新兴学科主要解决一些包含未知因素的特殊领域的问题，它广泛应用于农业、地质、气象等学科。利用灰色关联度分析理论对影响该坡体稳定性的主要的3个因素：黄土内聚力C值，降雨强度，内摩擦角Φ值进行敏感性分析。

首先确定稳定性系数作为应变量因子，影响因素为变量因子：

其中为变量因子i=3，X1为黄土内聚力C值变化序列，依次类推，n为变化次数故式（2）表达的是变量因子的变化情况，式（3）是相对应式（2）变化情况下的稳定性即Xi（1）对应Yi（1），Xi（n）对应Yi（n）。

初始基准参数C值13 kPa，Φ为19°，降雨量50 mm/d，（数据均来源于现场调查以及勘察的数据），并在单因子变量变化n次情况下求解每次变化后的稳定性系数，最后得到矩阵A，B：

联立上式得出关联度后建立关联矩阵L：

最后根据ti=∑得出稳定性对不同因素的敏感程度，

0＜t＜1,其值越接近于1，则敏感程度越高，各因素变化计算结果见表1。

表1 因素变化稳定性计算表

最后经过计算得出t1=0.485，t2=0.602，t3=0.640，即稳定性对各因素敏感性为降雨强度＞内摩擦角Φ＞内聚力C，在此类渗透性系数较高的边坡中，雨强的变化对地下水位影响是较大，随着雨强的增大，稳定性产生明显降低。

5 结论

（1）锚杆通常应用于边坡的治理工程中，并能产生较好的治理效果。但是对于坡体表层的控制，尤其是黄土这种较为松散的结构，锚杆的防治作用相对较差。对表层滑动体积较小的防护可采用挡土墙或其他工程进行治理。

（2）连续的强降水是此次边坡破坏的主要原因。该地区黄土土质较为松散，黄土颗粒间空隙较大，在连续强降雨情况下，雨水入渗，坡体表层被混凝土覆盖不能有效排水，土体成饱和状态，土体有效应力降低、下滑力增大，边坡产生破坏。

（3）使用灰色理论对边坡敏感因素进行分析，发现雨水入渗对边坡稳定性影响最大。因此，在对黄土边坡进行治理时，应当时刻注意雨水入渗的影响。