上宁线路堑边坡变形及含水分布规律监测研究

钱海啸 苏谦 李艳东 李茂 邓志兴 高升 张钊

1.西南交通大学土木工程学院，成都 610031；2.中国长江三峡集团有限公司，成都 610041

边坡是工程建设中最常见的工程形式［1-3］。上宁线为起于内蒙古自治区鄂尔多斯市上海庙镇、止于宁夏回族自治区灵武市宁东北站的运煤专线，于2009年开工建设，2012 年建成投入运营。上宁线铁路里程K140+000—K142+600和K145+350—K146+700 段线路以路堑形式通过，路堑边坡高度在8~10 m，坡率陡于1∶1，分两级边坡，一级边坡高度约4 m，采取浆砌片石护墙防护，一级边坡设有约1.5 m 宽平台，其上部采用浆砌片石护坡防护，堑顶为公路绿化带。根据该段内的竣工资料，地形属于低山丘陵区，该段内的地层自上而下主要为素填土、卵石土、砂砾与泥岩，且泥岩和砂砾的分界线基本位于坡脚位置。该段边坡的冻结深度为0.1~0.4 m，低于灵武市最大冻土深度多年平均值68.9 cm［1］。该段路面由于排水不畅和泄水孔失效，导致坡面大范围的浆砌片石缝间砂浆被坡体内水流带走，浆砌片石护墙或护坡片石间失去黏结力，堆放在坡面，局部出现片石外鼓及破损，严重影响护坡及护墙的整体稳定性。边坡在重力和其他外力（如降雨、地震、工程活动等）作用下，岩体内部整体出现沿软弱结构面滑动趋势，当滑动力超过岩土本身的抗滑力时，即产生滑坡［4-6］，其中暴雨成为了边坡失稳破坏的主要诱因［7］，在《中国典型滑坡》列举的近百个滑坡实例中，有至少95%的滑坡与水的渗流有着密切关系。每年因边坡失稳所造成的损失十分严重，因此对边坡变形的监测预警和稳定性分析已成为非常重要的工作［8-9］。参考虞巍巍［10］采用MIDAS GTS 建立二维有限元模型并结合工程监测数据的研究方法，本文进一步总结边坡变形规律并对滑动面位置深度进行判别。

1 监测内容

病害发生路段边坡失稳主要是由于泄水孔失效导致土体内部排水不畅，富余水分破坏了护坡片石缝间砂浆，护坡失去黏结力后稳定性降低。土体内部含水率的增加是导致边坡失稳的直接因素。坡体表面变形是边坡失稳直观的征兆，也是边坡监测必不可少的内容。因此实时获取表面变形数据可掌握边坡当前的稳定状态，而坡体内部变形往往先于表面开始发生，作为边坡失稳判断的前兆，监测数据可预测变形的发展趋势，根据变形规律找出主要滑动面位置，为后期边坡稳定支护提供理论指导和参考。基于以上分析，在该边坡失稳路段选取典型断面布设监测点位，埋设传感器，将传感器数据上传至监测系统平台，进行远程实时自动化监测。

1.1 监测仪器及工作原理

依据TB 10001—2016《铁路路基设计规范》、TB 10601—2009《高速铁路工程测量规范》要求，针对待监测实体对象的实际工况挑选传感器。表面变形、内部变形、土体含水率分别采用拉线式位移计、固定式测斜仪、土壤水分计进行监测。

1）拉线式位移计。拉线式位移计通过电感调频原理，将传感器接收端固定在不动点处，拉出钢绳另一端与被测物体连接，内部独特设计的弹簧保证钢绳的拉紧度不变，物体运动使得钢绳张拉，传感器内部与钢绳相连接的螺纹轮盘被迫旋转，再通过内置的精密旋转感应器测定轮盘转动的角度，从而计算出被测物体的位移。

2）固定式测斜仪。在边坡土体发生滑动变形时，测斜管同步变形，管壁发生扭曲后倾角计同步感应角度变化，根据固定倾角计的间距L和该单节变化角度θi，换算出单节水平位移Δxi，由管底不动点开始从下至上将Δxi逐段累加，得出顶部总位移Δx，如图1所示。顶部总位移Δx计算式为式中：n为该测斜管中的倾角计总数量；Δxi为由下往上第i个单节的水平位移；Δx为测斜管顶部水平位移。

图1 固定式测斜仪原理示意

3）土壤水分计。土壤水分计是基于介电理论并运用双频测量技术开发而成，可原位测量土壤和其他多孔介质的水分，在工程现场、试验基地等场所已被广泛使用。

1.2 断面选取及现场布置

经过现场踏勘并结合相关设计图纸资料，选取该路段护坡失稳较严重的六个断面区域进行重点监测，断面具体布置如图2所示。

图2 监测断面布设示意

2 监测结果分析

由于考虑到该段边坡的监测点位较多，数据量庞大，故选取其中有典型病害及对比性的断面K144+100、K146+400 进行对比分析，研究该路段边坡变形、含水率的主要动态变化、空间位移规律。

2.1 坡体表面位移分析

K144+100 和K146+400 断面的坡体表面位移（沿滑坡方向）时程曲线，见图3。

图3 坡体表面位移时程曲线

由图3 可知：两断面二级边坡的表面位移均大于一级边坡的，二级边坡的表面位移均随时间推移而逐渐趋于平稳，但在4月前的数值波动性较大，这是表层至冻深范围内的土体冻胀引起的，在4 月后变形较为稳定，并未因温度变化而对土体的变形有较大影响。其中，K146+400和K144+100断面分别在40、50 mm的位移值处整体趋于稳定；一级边坡相比二级整体更加稳定，整个过程位移累计在20 mm 范围内，且变化过程中的数值波动小，趋于平稳变化。

2.2 坡体内部位移分析

2.2.1 K144+100断面

K144+100断面坡内土体位移时程曲线见图4。

图4 K144+100断面坡内土体位移时程曲线

由图4（a）可知，至7 月底雨季时，1#测点深度处土体的位移在10 mm 内已基本趋于稳定，2#、5#测点深度处的土体趋于同步微小波动的状态，3#测点深度处的土体变形增加较快，在20~30 mm 内趋于稳定。4#测点深度的土体附近以较快的变形速率上升至50 mm内逐渐稳定；在该断面的一级边坡测斜管内，土体的变形较二级边坡更稳定，变形都在10 mm 内，一级边坡底部的数据始终在原位置处浮动。从4月至次年雨季时间段，坡内土体的变化较为稳定，并未因降雨进一步导致边坡的变形恶化。

在图4（b）中，坡内土体沿平行于线路方向（x方向）的位移变化整体较小，基本在10 mm 范围内波动，较z方向的图像显得更为紊乱。处于二级边坡底部的1#、2#测点和一级边坡内6#、7#、8#测点深度处的土体，沿x方向的位移都处于稳定状态，只于原位置附近5 mm以内发生变形；在二级边坡接近于表面的3#、4#、5#测点深度处的土体变形相对较大，其中3#、4#测点基本趋于同步变形，在4月前5#测点波动最大，因该处位于坡顶表层，受冻胀的影响导致土体孔隙间水体积变化。

不同时段不同深度处的位移见图5。由图5（a）可知，二级边坡内部土体的空间变形图像呈现B形，可能存在多个滑动面的情况，尤其在1.5 m 深度处的土体处出现了明显的位移变化，在4.5 m 处也有相比于周围较大的位移，判断在1.5 m 附近很大可能产生了滑动面导致该处土体发生了滑移，推测该深度因为恰好处于此断面内素填土和粉土的交界面附近，下部土体推动了上层土体发生滑动，因此，在后期锚杆支护时，锚杆应深入该滑动面以下的土体进行锚固。

图5 K144+100断面坡内土体沿z向的位移

由图5（b）可知，一级边坡的空间变形图像大致呈现D 形，在1.5 m 深度附近的土体，位移相对上、下部较大，但数值较小，目前暂时没有发生断裂滑移，但可能有潜在的单一滑动面。

2.2.2 K146+400断面

K146+400 断面坡内土体位移时程曲线见图6。由图6（a）可知：一级边坡表面的8#测点位置土体位移则相对较大，但位移值也保持在10 mm 内；二级边坡沿滑坡方向的位移一直保持逐渐稳定的增长趋势，其中靠近表面的4#、5#测点深度处的土体变形基本同步，至7 月雨季时，变形累计位移已达到20~30 mm 呈稳定发展状态，也并未因降雨或温度回升致使变形进一步恶化。由图6（b）可知：断面沿线路纵向的位移值整体都较小，二级边坡和一级边坡最上部位置的5#、8#测点位移都随时间波动较大，而越靠近底部，土体位移越小，稳定性也越好。

图6 K146+400断面坡内土体位移时程曲线

不同时段不同深度处的位移见图7。由图7（a）可知，二级边坡内的空间位置变化图像为半V 形，该种图像的特征为由下往上的位移近似线性增大。赖伟明［11］在边坡位移监测分析中提到，该种类型的边坡变形处于蠕变阶段，尚未出现明显的滑动面，但随着时间的推移有滑动的可能。由图7（b）可知，一级边坡空间位置变化图像为钟摆形，测点的空间变化呈现为随时间在原位置处左右摆动且幅值小，顶部最大累计位移仅约5 mm，并未如前述的测点只朝单一方向累计变化，该类边坡判断为处于相对稳定的状态。

图7 K144+100断面坡内土体沿Z向的位移

2.2.3 坡体内部位移综合分析

上述两断面的边坡内部土体沿滑坡方向的位移均大于沿线路纵向的位移，且两者最大值约为4~6倍左右的对等关系；在12 月至次年4 月内，表层土体变形波动性较大，推测原因为表层至冻深范围土体易产生冻胀，但在4月后至雨季时期发展较为稳定，坡体变形受温度变化的影响较小。二级边坡的空间位移变化图像为半V形（蠕变阶段，现阶段较稳定）和D形（单层小滑移），少数断面为B 形（可能有潜在的多个滑动面），滑动面位置可能为土层交界处。一级边坡的空间位移变化图像多为钟摆形的稳定状态；沿线路纵向上整体变形小，且越靠近底部越稳定。

2.3 边坡含水率分析

K144+100、K146+400 断面的边坡含水率时程曲线见图8。可知，由顶部至底部，两断面的含水率均出现依次增加的现象。在底部位置，K144+100断面的含水率为25%~28%，K146+400 断面的含水率约为21%~ 25%，受雨季降水的影响，边坡含水率以2.1% ~5.2%的幅度整体增加。整个监测时段中底部最小波动范围仅1.6%；在中部位置，两断面的含水率值几乎保持一致，随着时间的推移有微微上涨的趋势；在顶部位置，两断面的含水率在10%~20%内变化，4 月前因土体冻胀使得表面含水率波动范围较大，最大波动范围为7.2%。值得注意的是，在K144+100 断面顶部的含水率降低时，该断面中部的含水率发生了相似同步的增长，推测为该断面中部是卵石土，透水性较好。根据朱江江［12］的含水率原位监测分析，由于重力作用下发生缓慢渗透，导致顶部的水流到中部，而底部靠近泥岩，透水性较差，可能为底部含水率较高且保持平稳的重要原因。

图8 K144+100、K146+400断面含水率时程曲线

3 数值模拟分析

为与现场监测数据进行对照，对K144+100 断面进行有限元分析。采用二维平面应变模型，假设土层均匀，荷载只考虑主要的土体自重作用，计算土层设定为该断面的主要土层，自上而下分别为素填土、卵石土和泥岩。根据现场工况并参考岩土工程规范和相关工程实例［13-15］设置模型参数。计算结果见图9。由图9（a）可知，在考虑渗流和自重作用下，边坡由顶部至底部的位移呈现减小的趋势，在一级边坡以下的泥岩层几乎无变形情况。图9（b）是K144+100 断面二级边坡实测数据与提取同位置［图9（a）中的结点路径］深度处模拟结果的对比分析，该结果与前述监测分析得到的空间变形规律基本一致，证实了数据的可靠性。至于该模拟结果的坡顶最大位移比现场监测的位移稍大，一方面在于该模拟的有效时间大于监测时间，而监测结果只反映该段时间内的变形情况；另一方面数值模拟偏于理想化，基于材料、参数设定与实际的偏差，模型简化后导致与现场实际存在一定的差异。

图9 边坡模拟分析云图及对比

4 结论

1）在监测段路堑边坡范围内，二级边坡的位移均大于一级边坡，且深部的变形更稳定，冬季表层土体变形受冻胀的影响较大，而雨季受温度影响变形较小，其中二级和一级边坡的表面最大位移分别在50 mm和20 mm左右趋于稳定。

2）边坡内部土体沿滑坡方向的位移均大于沿线路纵向的位移，且两者同位置的最大值差为4~6倍左右，同样越靠近底部位移变化越稳定，且稳定值也越小。二级和一级边坡沿滑坡方向的位移最大值分别约50 mm和15 mm。

3）出现D 形和B 形图像的断面较不稳定，该路段在距坡体表面1.5 m 和4.5 m 深度处的土层交界处可能有潜在滑动面产生，该滑动位置的判断对后期的锚杆加固边坡内部土体具有重要指导意义。

4）截至7 月底的雨季，边坡底部含水率整体上升2.1%~5.2%，而在重力作用下水分缓慢渗透，底部的含水率较大，整体波动范围在1.6%~7.2%，但目前含水率的增加并未对边坡变形有进一步的恶化影响。建议后期在含水较高的坡体底部进行集中排水，效果可能会更佳。