降水入渗对山区公路边坡稳定状态的影响分析

刘顺锋 雷向阳

摘要：基于降水條件的案例边坡稳定状态分析，文章借助有限元数理计算的方式，分析降水入渗对山区公路边坡稳定状态的影响，以为同类公路边坡工程应用提供参考。

关键词：山区公路;边坡稳定;降水入渗;影响状态

0 引言

降水是公路边坡失稳病害的最主要影响因素[1]，降水入渗对边坡失稳病害的影响作用一直以来都是公路工程科技的热点课题。本研究参考工程案例，借助有限元数理计算的方式，针对降水入渗对山区公路边坡稳定状态的影响课题开展专题分析探究，以期为同类公路边坡工程应用提供研究和技术参考，助力建设安全牢固的山区公路边坡工程。

1 降水入渗理论和影响

降水经地面层向土体内部入渗即为降水入渗[2]。在降水过程中，降水在重力、毛管力以及分子力的统合作用下向土体入渗，可简单地划分为以下三个阶段：

（1）润浸段：降水基于分子力作用，浸入岩土体，在岩土表面构成水润层，此阶段的降水入渗强度相对较大。

（2）渗漏段：在毛管力及重力统合作用下，入渗水连续浸入土体间隙，充填至饱和状态。

（3）透渗段：分子力与毛管力均消失，降水只在重力作用下入渗土体内部，且呈特定的稳定流态。

入渗率是描述降水入渗的一个指标。随着降水量累积，入渗率逐渐降低，刚开始阶段降水入渗能力比较高，是由于岩土体相对较干燥，土体内存在着相对较大的分子力及毛管力，在其作用下，土体吸收降水。随着降水量增加，入渗土体空隙的降水逐渐增多，当达到某一极值时，毛管力及分子力逐渐消失，降水入渗率随即降低[3-4]。

边坡岩土体典型断面降水入渗水分含量分布状态如图1所示。图线揭示，刚降水时，岩土体面层的水分含量在非常短的时间内快速加大到最大值，但土体仍旧处于非饱和状态，伴随着降水不断入渗，土体的水分含量不断加增，湿润锋面在边坡内部不断地下移，水分含量分布曲线由之前的陡直变得相对平缓，随着降水时程连续加大，土体抵达饱和状态，这时的土体含水率即是饱和含水率。

降水对边坡的不利影响包括以下几个方面：

（1）降水使土体水分含量增加，致使粘聚力下降，抗剪度随之降低。因此降水的强度及连续时间足够长时，边坡内部降水入渗到达一定程度，极易发生边坡失稳。

（2）降水入渗加大土体容重，土体承荷加重，下滑力增大。

（3）边坡内部过多入渗降水，导致地下水入渗、滑面强度下降。

（4）降水入渗对岩土体的软弱化、侵损作用也相当明显。

2 案例地质结构及地形地貌

某山区公路K2+590～K2+900段边坡区域地表富积粉质黏土和残积粘结土。场地原始坡度通常在20°～30°，属低山斜坡地貌，斜坡约100 m总坡高。开挖边坡基本未滑动，但经降水冲刷，坡底弃土存在流失现象，密布冲刷小沟，西北侧坡体局部存在小范围土体坍塌现象。

案例区域土体主要参数和基于220次标贯测试的岩土层标贯统计数据见表1和表2。

区域年平均气温为18.5 ℃，四季湿润温暖，年度最低气温为8.6 ℃左右，通常出现在1月份;最热月份是7月，年度最高气温为28.3 ℃左右;极端最低气温为-4.1 ℃，最高气温为40.6 ℃。年降水量平均为1 679.2 mm，最小为1 198.9 mm，最大高达2 484.4 mm。不同时节降水量差别较大，台风及暴雨7～9月多发，降水量可占全年降水量的45%～65%;3～6月份梅雨时节的降水量，可达年降水量的30%～40%。

3 基于降水条件的案例边坡稳定状态分析

3.1 渗流起始状态分析

案例边坡降水前间隙水压分布状态如图2所示。参考图中信息可知，降水出现以前，低于地下水润浸线区域为饱和区，该润浸线亦是间隙水压正负分界线。饱和区间隙水压正值时，最大可达50 kPa;高于地下水润浸线区域为非饱和区，间隙水压负值，最小可达-300 kPa（吸力）。图3为降水前，案例边坡间隙水压与边坡高程的演变关系图。曲线揭示，降水出现以前，间隙水压由顶至底呈梯次减小的线性关系。

降水前饱和度分布见下页图4。图线揭示，饱和区均处于地水润浸线以下区域，因为受土体毛细管作用，地水润浸线以上存在部分非饱和区，其饱和度自0.859 8降低到0.250 9，对应间隙水压亦随饱和度下降而下降。

案例边坡降水前有效垂向应力分布状态见下页图5。图线揭示，有效垂向应力从坡面向坡内呈现逐渐递增的态势，但基础平向应力分布与之完全不同。

3.2 降水入渗作用结果分析

比较边坡体内部降水前后的间隙水压可以知道，不论降水后还是降水前，间隙水压都从坡底至坡顶逐渐降低。图6～13揭示的是连续12 h、24 h、48 h和72 h时间，480 mm/d降水强度条件下，案例边坡间隙水压分布状态和相应时刻的间隙水压随边坡高程演变的关系状态。图线揭示，连续降水作用下，润浸线以下区域，间隙水压相对变动较小，以上区域间隙水压相对变动较大。可见，降水入渗对边坡土体非饱和区域的影响相对比较大，是由于非饱和土不乏液态、固态和气态结构，存在相当数量的间隙，间隙亦充斥着气体。间隙中气体随着降水入渗被排挤出溢，间隙充满雨水，致使间隙水压快速改变。随着降水时间延长，降水入渗影响范围亦在慢慢加大。间隙水压不仅于边坡面层土体中改变，深层间隙水压亦同样随着降水量增加而加大，地下水水位亦慢慢提升。

通过72 h入渗作用后，边坡出现的平向位移状态如图14所示，图中信息揭示，平向最大位移出现在坡脚处;通过72 h入渗作用后，边坡出现的垂向位移状态如图15所示，图中信息揭示，边坡最大垂向位移出现在坡顶。综合两幅移位图可以知道，外部水流沿间隙流入土体内部，间隙水进一步充盈，流速变大，当入水动能≥岩土颗粒的粘结力时，相当数量岩土颗粒跟随水流移动，致使边坡密度一定程度下降。假如其变动很小，可能引发边坡不均匀沉降。当内部水量进一步增加，跟随水流移动的岩土颗粒越来越多，则可能随时引发泥石流或是滑坡等严重边坡灾害。

图16是降水时长与边坡最大水平位移的关系图，由图可知，随着降水时长的增加，边坡的最大位移在不断扩大，并且在60 h时，水平位移突增，由最早的1.10 mm扩大到9.08 mm。图17是降水时长与边坡最大垂向位移对应关系，同样在60 h时，垂向位移突增，由0.31 mm突增至6.05 mm。图18是降水时长与边坡总体最大位移的关系图，在60 h时，总体移位突增，由1.12 mm突增至9.82 mm。可从这三张关系图中看到，在连续强降水60 h后，该边坡内部已然开始出现较为严重的形变，60 h以后边坡将连续扩大位移量，最终致使边坡损坏。

4 结语

本研究借助有限元數理计算的方式，分析了480 mm/d降水强度，不同降水入渗时程条件下，案例边坡所发生的稳定性状态变化情况。经过对边坡在各既定时间的间隙水压的比对及降水72 h后边坡的位移实施分析，得到主要结论如下：

（1）降水对岩土边坡的影响作用主要包含两方面，其一是降水入渗对细小土体颗粒的冲刷作用，其二是积累在岩土体表面的降水径流的冲刷作用。

（2）模拟结果揭示，伴随着降水连续实施，雨水的不断入渗致使岩土体间隙中的气体被连续地排出，雨水充满整个空隙。岩土颗粒间的作用力在降水作用下不断降低，间隙水压连续增加，有效应力迅速降低，土体抗剪强度亦随之降低。

（3）降水的入渗，加重了边坡体容重及水分含量，岩土颗粒随着入渗水流在土体内部运动，致使边坡出现失稳形变。边坡在垂向及平向都出现不同程度的形变，形变的方式直观地呈现为坡脚向外侧移动及坡顶垂向沉陷，且随着降水量积累，形变量亦不断加剧，边坡稳定状态进一步下降，致使边坡存在滑动形变态势。

参考文献：

[1]刘红卫. 山区公路滑坡研究[D]. 西安：长安大学，2005.

[2]张香斌. 滑坡稳定性分析与预测技术研究[D]. 北京：中国地质大学（北京），2018.

[3]宋 航. 粉质黏土类边坡稳定性影响因素的研究[D]. 乌鲁木齐：新疆大学，2018.

[4]陈燕青. 强降雨作用下高陡型顺层风化岩质边坡稳定性研究[D].广州：广州大学，2018.

收稿日期：2020-05-27