降雨及植被加固对红黏土边坡稳定性的影响

李天宝,许家培,刘开富

1.浙江广厦建设职业技术大学,浙江 东阳322100

2.浙江理工大学建筑工程学院,浙江,杭州310018

3.临海市水务集团有限公司,浙江 临海317000

红黏土是指石灰岩、白云岩等碳酸盐类岩石经过强烈化学风化后形成的高塑性黏土，在我国西南地区分布广泛[1,2]。我国西南地区年降水量大，红黏土边坡稳定性受降雨入渗强度、雨型、雨量、坡面条件、土性参数等多因素影响[3,4]。在暴雨条件下，土体饱和度和容重增加，抗剪强度降低，易发生边坡的滑动、崩塌等地质灾害[5,6]。

因此，大量学者在暴雨影响下边坡稳定性方面开展了大量的研究工作。王培清等[7]基于饱和-非饱和土渗流理论，建立了裂隙性高吸力红粘土边坡数值分析模型，分析了降雨强度、裂隙深度、裂隙渗透系数等对裂隙性红粘土边坡渗流场及稳定性的影响；戚国庆等[8]研究了非饱和-饱和渗流模型中的非线性方程组及其解法，开展了某露天矿边坡降雨入渗全过程的数值模拟研究；何本贵等[9]采用有限差分程序FLAC 对以浙江诸永高速公路K96+030～K96+250 标段的高边坡进行了数值分析和稳定性评价。在上述研究的基础上，本文以我国西南地区某大型化工厂边坡工程为背景，利用FLAC3D 数值模拟软件建立了红黏土边坡稳定的数值计算模型，分析了暴雨和开挖对边坡稳定性系数的影响规律，研究了植被加固技术对边坡的保护作用。

1 工程概况

西南地区某大型化工厂修建过程中需对东侧一岩土质边坡进行开挖和修筑，其剖面如图1 所示。修整后边坡共分为上下两级，中间设2 m 宽的台阶平台，每级边坡高度约10 m，坡高比为1:1.3。边坡地层由上往下依次为红黏土、角砾岩、强风化灰岩和中风化灰岩。由于工程所在区域属亚热带湿润季风气候，降雨量较大，为保护生态环境以及保证边坡工程的安全，拟对该红黏土边坡进行绿色加筋格宾网支护。其中，绿色加筋格宾网由六边形双绞合钢丝网面、金属网、三脚架、支撑杆以及土工垫组合而成。施工时首先进行格宾网的安装，并在支撑杆固定完成后，将装有菜籽的土工袋分层码放，最后再用格宾网反包；待施工完毕后，洒水养护，确保草籽发芽生长，起到绿化的作用。

图1 红黏土边坡开挖修整示意图Fig.1 Excavation and dressing schematic diagram of red clay slope

2 数值模拟模型与计算工况

2.1 数值模型建立

采用岩土工程数值软件FLAC3D 建立上述红黏土边坡开挖数值模拟模型如图2 所示。该模型共包含4318 个网格点和2080 个实体单元，模型边界条件为顶面自由，其余各面法向位移约束。当进行边坡修整时，将边坡修整线以上的岩土体分2 次开挖，每次开挖高度约为10 m。

2.2 计算工况与计算条件

为研究降雨条件下红黏土边坡在开挖以及支护前后的变形以及稳定性情况，本文采用强度折减法分析了以下几种不同的工况：

（1）工况1：无雨，红黏土边坡未开始开挖；

（2）工况2：暴雨，红黏土边坡未开始开挖；

（3）工况3：无雨，红黏土边坡开挖完成但未进行绿色加筋格宾网支护；

（4）工况4：暴雨，红黏土边坡开挖完成但未进行绿色加筋格宾网支护；

（5）工况5：无雨，红黏土边坡开挖完成且进行了绿色加筋格宾网支护；

（6）工况6：暴雨，红黏土边坡开挖完成且进行了绿色加筋格宾网支护。

图2 红黏土边坡开挖数值模拟模型Fig.2 Numerical simulation model of red clay slope excavation

不同工况条件下红黏土边坡岩土体的物理力学参数如表1 所示。

此外，考虑绿色加筋格宾网支护的影响，采用shell 结构单元模拟格宾网，其弹性模量和泊松比设为5 GPa 和0.25；并设置无雨以及暴雨条件下植被加固范围内（约0.5 m 深）红黏土内聚力分别为27.5 kPa 和17.8 kPa，内摩擦角则分别为12.1°和9.6°。

表1 不同工况下红黏土边坡岩土体的物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass in red clay slope under different working conditions

3 数值计算结果分析

3.1 红黏土边坡未开挖前天然坡体的稳定性分析

红黏土边坡未进行开挖时，采用强度折减法计算得到边坡所在位置天然坡体在无雨以及暴雨条件下的潜在滑动面分布如图3所示（红色表示滑动面位置）。无雨条件下，由于天然坡体坡度较缓且坡体表层的红黏土内聚力和内摩擦角值较大，此时，天然坡体自稳能力很强，其整体稳定系数高达3.77，潜在滑动体位于天然坡底以上靠后约30 m的区域。而暴雨条件下，由于坡体内岩土体含水量急剧增大，导致坡内岩土体抗剪强度严重减弱，此时，天然坡体整体稳定系数减小至2.22，潜在滑动面位置也整体上移约2 m。根据《建筑边坡工程技术规范》有关规定：建筑边坡在无雨以及暴雨条件下的整体稳定系数应分别大于1.35和1.15，可知，红黏土边坡未开始前，其所在位置天然边坡能够满足工程安全稳定要求，不需要进行任何处理。

图3 边坡未开挖前天然坡体的潜在滑动面分布示意图Fig.3 Potential sliding surface distribution schematic diagram of natural slope body before slope excavation

3.2 无支护条件下红黏土边坡开挖稳定性分析

图4 边坡开挖修整后的总位移分布云图Fig.4 Cloud map of total displacement distribution after slope excavation

3.2.1 边坡土体位移 当对天然边坡进行开挖修整，形成上下两台红黏土边坡时，无雨以及暴雨条件下红黏土边坡的总位移分布如图4所示。可以看出，无雨条件下，修整后红黏土边坡在上级台阶的坡中位置出现最大位移，约为30 mm，由上级台阶坡中往坡顶或坡脚，边坡土体位移逐渐减小，但往坡脚方向的减小幅度要明显更小；而从下级台阶坡顶往坡脚，下级台阶边坡岩土体位移则从21 mm逐渐较小至9 mm。可见，从最大位移大小上看，修整后红黏土边坡在无雨条件下能够保持较好的自稳能力，能够保证的安全稳定。暴雨条件下，修整后红黏土边坡位移主要集中出现在上级台阶坡顶区域位置，且其位移值达到了将近300 mm，这说明，在暴雨条件下上级台阶容易发生整体滑动失稳，尤其是红黏土覆盖的区域。因此，为保证工程施工安全，应禁止在暴雨天气下开挖红黏土边坡；同时，还需对开挖裸露的红黏土边坡表面进行覆盖或加固，防止暴雨来临时雨水下渗导致边坡失稳。

图5给出了不同位置红黏土边坡土体位移随开挖求解时间的历程变化曲线。无雨条件下，上级边坡开挖修整过程中，上级边坡坡顶、坡中以及坡底位置土体的位移分别增长了6.2 mm、33.7 mm和14.6 mm，而下级边坡坡顶、坡中以及坡底位置土体位移则分别增长了17.3 mm、5.0 mm以及1.1 mm；下级边坡开挖修整过程中，上级边坡土体位移基本保持不变，而下级边坡坡顶、坡中以及坡底位置土体位移则分别再增长0.9 mm、4.6 mm以及2.3 mm。暴雨条件下，上级边坡开挖修整过程中，上级边坡坡顶、坡中以及坡底位置土体的位移分别增长了364 mm、389 mm和16.2 mm，而下级边坡坡顶、坡中以及坡底位置土体位移则分别增长了18.1 mm、6.9 mm以及1.7 mm；下级边坡开挖修整过程中，上级边坡土体位移基本保持不变，而下级边坡坡顶、坡中以及坡底位置土体位移则分别再增长1.8 mm、7.5 mm以及4.1 mm。由此可见，上级边坡开挖修整对红黏土边坡红黏土区域的位移影响最大，尤其是在暴雨条件下。因此，工程施工中应对边坡红黏土区域进行重点防治和监控。

3.2.2 边坡土体塑性区 无雨和暴雨条件下修整后红黏土边坡的塑性区分布如图6 所示（红色表示塑性区）。无雨条件下，修整后红黏土边坡的塑性区主要集中在坡体表面约1 m 深以及角砾岩与红黏土交界的位置（图6a）。而暴雨条件下，红黏土边坡不仅在上述区域出现了塑性区，而且在上级边坡角砾岩以及靠近坡面约15 m 范围以内的红黏土区域都出现了塑性区（图6b）。由此可知，暴雨导致上级边坡红黏土层出现了大量额外的塑性屈服区域，这势必影响上级边坡的稳定安全。

图6 边坡开挖修整后的塑性区分布图Fig.6 Plastic classification of slope after excavation and trimming

3.2.3 边坡整体安全稳定系数 无雨和暴雨条件下修整后红黏土边坡潜在滑动面分布如图7 所示。无雨条件下红黏土边坡在修整后的整体稳定系数值为1.55，其潜在滑动面为圆弧形，其顶部位于上级边坡坡顶往后约6 m 的位置，底部则位于上级边坡坡底的位置，整个滑动体宽高均约为10 m。暴雨条件下红黏土边坡潜在滑动面位置未发生变化，但其整体稳定系数则下降至1.02。对比《建筑边坡工程技术规范》相关规定可知，无雨条件下修整后的红黏土边坡能够满足工程安全要求，但暴雨条件下修整后的红黏土边坡则处于欠稳定状态，不满足工程要求，应对其进行加固处理。

3.3 植被加固后红黏土边坡稳定性分析

采用加筋格宾网配合绿色植被加固后，无雨以及暴雨条件下修整后红黏土边坡潜在滑动面分布如图8 所示。对比图7 可知，采用加筋格宾网配合绿色植被加固后，红粘土边坡潜在滑动面的顶部仍位于上级边坡坡顶往后约6 m 的位置，但其底部则不在位于上级边坡的坡底位置，而是位于下级边坡的坡顶位置。即，相比于无支护条件，加筋格宾网配合绿色植被支护条件下红黏土边坡的潜在滑动面整体向下移了2～3 m；同时，其在无雨和暴雨条件下的整体稳定系数则分别提高到了1.88 和1.21，既美化了工厂周边环境，也达到了工程的安全使用要求。由此可见，对红黏土边坡采用绿色加筋格宾网加固技术能够显著改善工程的经济效益与环境效益。

图7 红黏土边坡开挖修整后的潜在滑动面分布示意图Fig.7 Potential sliding surface distribution schematic diagram of red clay slope after excavation and repair

图8 植被加固后红黏土边坡的潜在滑动面分布示意图Fig.8 Potential sliding surface distribution schematic diagram of red clay slope after vegetation reinforcement

4 结论

本文利用FLAC3D 数值模拟软件建立了降雨条件下红黏土边坡稳定性计算模型，对比研究了无支护条件下和植被加固后红黏土边坡的稳定性。主要结论如下：

（1）未开挖红黏土边坡在无雨和暴雨条件下的整体边坡稳定性系数分别为3.77 和2.22，均大于规范要求，无需进行加固；

（2）无支护条件下红黏土边坡在开挖后，暴雨影响下上级台阶最大位移达到300 mm 左右，塑性区最大深度达到1 m 以上，整体边坡稳定性系数下降至1.02，必须进行有效加固；

（3）植被加固后红黏土边坡在开挖和暴雨共同影响下，边坡整体稳定性系数提高到1.21，达到了规范要求。