降雨和地震耦合作用下老南瓜塘边坡稳定性分析

2020-09-07乔文号尹小涛吴振君鲁志强

公路工程 2020年4期

乔文号，汤华，尹小涛，吴振君，鲁志强

（1.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，湖北武汉 430071； 2.中国科学院大学，北京 100049； 3.云南省交通规划设计研究院有限公司，云南昆明 650041）

0 引言

随着山区公路建设的蓬勃发展，工程建设中遇到的边坡数量和规模不断增大，其灾害影响也不断提高，给公路工程的正常施工和运营带来了巨大的安全隐患。因此，为保障公路的安全，必须通过边坡问题预研和加固管控边坡安全威胁［1］。

边坡失稳破坏是内部和外部因素共同作用的结果，影响边坡稳定性的因素主要包括：边坡的土体强度、边坡的外形、地震、降雨、人类活动等［2］。目前国内外研究主要集中于分别探讨降雨和地震荷载下边坡的稳定性［3-6］：高俊丽［7］基于多孔介质降雨条件下的入渗模型，提出非饱和渗流微分方程，将边坡非稳定渗流转换成稳定渗流；刘子振等［8］基于极限平衡条分法研究降雨对边坡稳定性的影响，结果表明渗流力的作用效果和条间力随降雨入渗深度增大而减小；黄润秋［9］等认为地震作用下边坡产生滑动主要分为以下阶段：坡体震裂、松弛阶段、高速溃滑阶段、震动堆积阶段、二次抛射和碎屑流堆积阶段；祁生文［10］等探讨了地震作用下边坡的破坏机理，认为地震时边坡的破坏由地震力和坡体内孔隙水压力急剧增大共同导致。上述成果在一定程度上揭示了边坡在降雨和地震等不同工况下的稳定性，但是国内外对于降雨和地震耦合作用下边坡的稳定却鲜有研究［11-14］。本文通过开展老南瓜塘边坡的工程地质调研和数值仿真，分析其在降雨、地震、降雨与地震耦合作用等工况下的工程稳定性，评估其变形破坏机制，探讨安全应对措施，并为类似边坡问题的安全控制提供经验。

1 工程概况

老南瓜塘边坡位于大永高速公路排营段1号隧道出口和2号隧道进口间的山间凹地，坡体多为残坡积冲洪积和崩塌堆积的松散层为主，自然地形坡度约30°。钻探揭露，上部15～20 m处多为块石土、碎石土。山间洼地容易形成粘土、粉砂土软弱夹层，坡面植被较发育，造成土中有机质含量高，且强度较低，在不利条件下容易产生蠕变滑移，见图1和图2。

大永高速公路排营段地处我国西南边陲云南省大理市宾川县和永胜县交界处，属于亚热带季风气候，冬春干旱，夏秋多雨，年均降雨量936.4 mm，但分布不均，85%的降水集中在6月—9月，干湿季节分明。老南瓜塘边坡区域地质构造复杂，构造活动期次较多，地震活动频繁。边坡处于中甸—大理地震带内，地震活动相对强烈，故该边坡区域划分为对建筑抗震不利地段。根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2015），本区地震动峰值加速度为0.20g，对应地震基本烈度为Ⅷ度，地震动反映普特征周期0.45 s。

图1 现场平面图Figure 1 Site plan

图2 老南瓜塘边坡场地地貌Figure 2 Slope site landform

2 数值模型及参数反分析

通过边坡稳定状态反分析得到坡体材料强度参数是岩土工程领域常用的评价手段，本文考虑到初次勘探时未发现洼地处不良地层，排营1号隧道出口和2号隧道进口设计采用桥梁连接，施工3号桥梁基础施工后（雨季）进行桥墩对接时，第一次出现桥基偏位，由于偏移量较大，施工方认为是基础桩放位误差造成的偏位，便采取了弃桩二次施工措施。第二次施工桩基础后，准备接桩时，再次发现偏位，且经过一段时间的监测，变形仍在发展中，此时坡顶板房附近出现较大的脱坡陡坎，高差30～50 cm，即坡体出现明显的滑移，不仅威胁3号桥桩的稳定，进一步发展还影响相邻的桥桩桥台的稳定性。考虑到现场情况，初步认定是勘探人员在干季勘探时忽略了坡体在降雨作用下土体强度降低，因此随着雨季的到来该滑坡出现变形滑移，见图3和图4。

图3 边坡典型断面图Figure 3 Typical landslide profile

图4 变形脱坡Figure 4 The deformation of slope

因此反分析时认定干季时边坡处于相对稳定状态（Fs＞1.0）；雨季过后边坡出现蠕变滑移，此时边坡处于滑动阶段（Fs＜1.0）。考虑降雨对边坡稳定性的影响主要通过简化降雨入渗边界，渗流计算为非饱和非稳定渗流，采用GeoStudio建立图5所示滑坡模型，总计4 184个节点，4 073个单元。利用工程类比和数值反分析，综合确定了表1所示的主要岩土力学参数。

图5 老南瓜塘边坡地质模型Figure 5 Geological model of old pumpkin pond slope

表1 主要岩土力学参数表Tabure 1 Table of major geotechnical parameters

3 降雨工况稳定性演化机制

降雨入渗过程主要受降雨强度和降雨持续时间的影响，在进行数值计算时选取了气象部门规定的中雨（50 mm／d）、大雨（100 mm／d）、暴雨（150 mm／d）3个雨量等级，降雨持续时间统一为5 d。采用Geostudio岩土软件中的SEEP／W模块对降雨入渗过程进行模拟，并同SLOPE／W模块进行耦合计算，将有限单元法和极限平衡法相结合分析计算非饱和状态下瞬态孔隙水压力对应的边坡稳定性。

先通过稳态分析计算出天然状态下孔隙水压力如图6所示，地下水位以下孔隙水压力为正，地下水位以上孔隙水压力为负，孔隙水压力随深度呈线性分布。以大雨工况（100 mm／d）为例图7和图8给出了降雨开始1.5 h和降雨结束时的孔隙水压力分布图，从图中可以看出在降雨开始时，边坡表层土体最先受到影响，土体负孔隙水压力增大，逐渐形成暂态饱和区。随着雨水继续入渗，地下水位开始抬升，在降雨过程中坡脚最先开始积聚雨水，随后慢慢向上发展，到降雨结束时水位线已经上升到坡脚以上的坡面位置。

图6 天然状态孔隙水压力图Figure 6 Natural pore water pressure

图7 降雨1.5 h孔隙水压力图Figure 7 Rainfall 1.5 h pore water pressure

图8 降雨结束时孔隙水压力图Figure 8 Pore water pressure at the end of rainfall

降雨入渗过程中表层土体孔隙水压力不断增大，土体的基质吸力随孔隙水压力的变大而减小，基质吸力的变化将导致边坡土体强度减少，因此降雨入渗将改变边坡的安全系数。图9给出了3种降雨强度下边坡安全系数变化图。从图中可以看出，在3种降雨强度下边坡安全系数的变化趋势相一致：边坡安全系数随着降雨的持续不断降低，当降雨结束后安全系数还会出现一定程度的降低，随后趋于平稳。即安全系数随降雨的变化而变化存在一定的滞后现象，安全系数最低值并不是降雨结束时，因此边坡最不稳定状态是在降雨结束后一段时间而非降雨结束时。

图9 不同雨强对应安全系数图Figure 9 Different rain intensity corresponds to the safety factor

从表2不同降雨强度安全系数的变化值可以看出：相同的降雨持续时间，不同降雨强度对应的安全系数降幅也不同，降雨强度越大，降幅越大，对应的安全系数最小值也越小。在中雨工况下边坡最小安全系数为1.018，大雨工况下边坡最小安全系数为0.919，暴雨工况下边坡最小安全系数为0.829，大雨和暴雨工况下边坡处于不稳定状态，中雨工况下也小于规范规定的安全系数，因此降雨工况下边坡不满足工程稳定性要求，需要进行加固处理。

表2 不同雨强安全系数变化值Table 2 Different rain intensity safety coefficient variation value

4 地震工况稳定性评价

地震作用下边坡变形失稳主要是地震动力和孔隙水压力共同作用的结果［15］，进行地震工况模拟时，选取EL Centro地震波前10 s的水平分量进行计算见图10，不考虑垂向地震动系数对边坡的影响，分别分析地震烈度为7度、8度、9度（峰值加速度为0.1g、0.2g、0.3g）的3种不同工况。

图10 地震加速度时程曲线Figure 10 Seismic acceleration time history curve

图11为峰值加速度为0.1g时边坡安全系数，从图中可以看出由于动剪力随震动时间而不同，边坡的安全系数也是时间的函数，在地震荷载作用下，边坡瞬间进入失稳状态并不一定导致边坡破坏。从图12坡表监测点位移图可知在2.8 s时安全系数达到最低，但是坡表位移并没有达到最大值，因此用最小安全系数来评价地震过程中边坡的稳定性偏于保守。

图11 安全系数随时间变化图（0.1g）Figure 11 Safety factor changes with time（0.1g）

图12 坡表监测点位移图（0.1g）Figure 12 Slope table monitoring point displacement map（0.1g）

评价边坡在地震作用下的稳定性主要有安全系数和永久位移两个指标［16-17］，本文采用动力有限元法和Newmark法计算分析老南瓜塘边坡在地震作用下的稳定性。Newmark法通过对超出屈服加速度的地震加速度进行两次积分运算，得到边坡在地震作用下产生的不可恢复的永久位移，以永久位移的大小将边坡划分为：极低危险、低危险、中危险、高危险、极高危险5个等级［18］，见表3。

表3 地震滑坡危险度与永久位移关系Table 3 Relationship between seismic landslide risk and permanent displacement

从永久位移随时间变化图中可以看出（见图13）：在3种工况下永久位移的变化趋势基本相同，在前期地震加速度较小时永久位移变化不明显，随着加速度的急剧变化，永久位移也随之剧增。在7度地震荷载作用最大永久位移1.04 cm，地震滑坡危险度为高危险；在9度地震荷载作用下最大永久位移15.74 cm，地震滑坡危险度为极高危险；最大永久位移为33.66 cm，地震滑坡危险度为极高危险。因此在地震荷载作用下边坡处于极高危险状态状态，需要进行加固处理。

图13 永久位移随时间变化图Figure 13 Permanent displacement changes with time

5 地震＋降雨工况稳定性分析

一般情况下降雨会持续几十分钟甚至数十小时，而地震只发生在几分钟甚至几秒内，为了探究地震和降雨耦合作用对边坡的影响，本文在不同降雨持续时间点（3、21、48、120 h）施加地震荷载以观察边坡的变化。图14给出了降雨强度为50 mm／d时不同降雨持时施加地震荷载后通过Newmark法计算出的10 s内永久位移随时间变化图，随着降雨持续时间的增加其对应的永久位移也在增大，降雨3 h时施加地震荷载最大永久位移为1.83 cm，降雨12 h时施加地震荷载最大永久位移为1.95 cm，降雨48 h时施加地震荷载最大永久位移为2.63 cm，降雨120 h时施加地震荷载最大永久位移为22.32 cm。

图14 不同降雨持时作用地震荷载永久位移图Figure 14 Permanent displacement map of seismic load with different rainfall duration

对比不同降雨强度和不同地震烈度组合作用下边坡的永久位移（见表4）可以看出：①前期降雨会加剧地震对边坡的稳定性的破坏，在7度地震烈度下，无前期降雨时边坡永久位移仅为1.04 cm，当降雨强度50 mm／d，降雨持续120 h时边坡永久位移为22.32 cm，当降雨强度100 mm／d，降雨持续120 h时边坡永久位移为40.25 cm。②当降雨持续时间较长时，相同地震力度下，前期降雨强度越大，边坡的稳定性越差。③当降雨持续时间较短时，降雨强度改变对边坡稳定性几乎没有影响。

表4 不同工况永久位移值Table 4 Permanent displacement value under different working conditions

6 基于变形破坏机制和稳定性评价的工程应对措施

6.1 加固设计

考虑到老南瓜塘滑坡滑面相对较深，滑面以下岩体相对完整以及边坡规模较大，坡表土体以碎石土为主，场地施工相对便利，设计采用抗滑桩支护。在勘察的基础上，结合现场地形地貌和桥桩变形结果，决定在3号桥桩的上部设置11根抗滑桩，桩间距6 m。由于桥桩位被以前变形的桩基占据，重新施工桥桩，与老桥基共同形成承台。每个抗滑桩内置了28根直径为32 mm的二级钢筋和30根直径32 mm的三级钢筋作为纵向受力钢筋，另外在受拉侧布置了4根20号A型工字钢，纵向受力钢筋非均匀布置，具体布置情况见图15抗滑桩立面布置图和图16抗滑桩配筋图。