某临河二元结构边坡变形破坏特征及稳定性评价

摘 要：工程领域有较多的二元结构边坡，因此也常面临边坡失稳问题，特别是临河区域的二元结构边坡受水位升降影响，边坡变形破坏特征较为复杂，水位变化会改变边坡体内的水文地质条件，其中，水位骤降是导致边坡失稳的主要因素。本文以某临河二元结构边坡为研究项目，首先，对其破坏特征进行分析，其次，针对水位骤降工况的边坡稳定性进行定量计算，最后，对该边坡进行1个水文年的周期变形监测。结果表明，水位骤降时对临河边坡影响最大，此时边坡的稳定性系数最低，坡脚区域变形较大，分析边坡破坏形式主要为坡脚区域失稳后导致的牵引破坏模式。本研究结果可以为临河边坡稳定性分析提供参考。

关键词：临河边坡；水位骤降；稳定性；牵引破坏

中图分类号：TV 85 " " " " " " " " " " " " " 文献标志码：A

二元结构边坡指上覆较松散土层而下伏岩层的边坡，边坡在降雨条件下，沿岩土界面易产生滑动，导致边坡失稳。工程领域存在较多的临水二元结构边坡，例如滨河公路外侧、河岸边坡、水库岸坡等，为揭露临河二元结构边坡在水位升降工况下边坡稳定性及其破坏特征，较多学者对此进行了研究。秦茂洁等[1-2]对水位变化对河道边坡的稳定性评价进行了一系列研究，张琳琳等[3]对落水条件下河道水库岸坡稳定性进行了分析，刘文月等[4]对库水位变化对库岸路基沉降的影响进行了研究。

上述研究为临河边坡的稳定性评估及影响提供了一定的指导意义，但临河二元结构边坡具有复杂性，且地区间地质条件存在较大差异性，因此，仍须对其进行进一步研究。综上所述，本文以某临河二元结构边坡为实例背景，先对其进行防治措施设计，再通过定性分析、定量计算等方法对临河二元结构边坡的破坏特征及稳定性进行研究，以期为类似项目积累经验。

1 工程概况

研究区边坡为临河二元结构边坡，边坡顶部为城市规划的工业园区建设区，场地原始地形属于构造剥蚀丘陵斜坡地貌，自然斜坡坡度为10°～35°，大多数地区较平缓，局部地区较陡，场地内原始地形标高为212.6m～235.0m。根据区域内城市规划，拟对该地区进行工业园区建设，为对场地内土地进行整平，规划的场地标高为230.0m，研究区东侧存在现状河流，为区域内地形最低点，该处经场平后将形成最高约20m左右的填方边坡。场地典型剖面如图1所示。

根据边坡范围地质资料，原始地表上覆土层为粉质黏土，表层主要为旱地，地形波动起伏不大，覆土厚度在0.5～2.5m，覆盖层整体较薄。场地范围内下伏基岩主要为砂岩及泥岩互层，中风化岩层完整性较好。对场地裸露基岩进行测定，岩层产状为263°∠45°，区域内发育两组构造裂隙，裂隙特征如下。J1：285°∠49°；J2：145°∠63°。该段边坡倾向为90°，边坡不受岩层层面及裂隙控制，边坡不存在结构面控制的稳定问题，研究区边坡整体破坏模式为填方后边坡易沿岩土界面产生滑移。

2 临河边坡破坏特征分析

临河二元结构边坡受水的影响，破坏特征较为复杂。河道水位变化后会导致边坡内外形成水位差[5]，在土体内部容易引起渗流场，如图2所示。水位骤降一般指边坡范围内水位下降速度缓于河道水位下降速度，导致边坡范围土体内部的超静孔隙水压力难以消散，在其降落过程中，边坡范围内没有从坡面排出大量的水。此时边坡渗流面上的AB段的土体颗粒会受到渗透力、重力等因素的影响，当渗透力较大时，边坡坡面的土颗粒易沿边坡坡面产生滑移，甚至导致边坡失稳。由图2可知，边坡坡脚区和坡肩区土体易出现饱和，坡脚区渗流密集，当河道水位下降时，坡脚区域产生变形破坏的可能性较大。

当水位骤降时，较高流速的地下水容易冲刷填方体内部的土颗粒，形成潜蚀作用，使填方体内部形成较大的空隙，土体陷落，加剧边坡变形。同时，水位下降还容易使水压力增加，沿坡体渗流方向的下滑力变大，导致边坡失稳。水位骤降时还容易降低边坡内部及岩土界面的力学强度，再次加剧边坡体变形。在水位下降过程中，若边坡范围内岩土层渗透系数较大，则地下水位随河道水位下降速度较快，边坡内外水位差相差不大，对库岸边坡的稳定性影响相对较小。当河道水位骤降，岩土层的渗透系数较小时，由于临河边坡内部的超静孔隙水压力不能及时消散，因此与河道水位下降相比，边坡范围内地下水位下降过程呈现滞后现象，会形成超静孔隙水压力，不仅会使边坡范围内岩土体产生渗透变形，还会使边坡范围内的岩土在水-岩物理化学作用下，沿着水流冲蚀方向的裂纹、孔隙、颗粒间接触面外渗，产生新的次生孔隙。因此，河道水位骤降对边坡的影响是临河二元结构边坡的最大的问题。

3 边坡治理设计

3.1 边坡方案

根据研究区设计方案，为保证填方边坡的整体稳定，首先，要对原始地面线以下的粉质黏土进行清除，其次，对基岩面开挖反向大台阶，反向坡度4%，大台阶界面采用饱和抗压强度不低于25MPa的块片石进行分层填筑，可提高边坡内透水能力，最后，在上方采用合格填料分层压实，边坡范围压实度不小于93%，填方边坡坡率为1∶2，每8m设分级平台，平台宽度为3m。坡面防护采用网格植草护坡，靠近河道一级边坡采用六棱块护坡，棱块内部植草。

为改善边坡内排水条件，按照分层压实填筑边坡内填方体，同时在边坡填方体内部每隔3m竖向高度设置盲沟排水层，厚度为80cm。盲沟排水系统与边坡截排水沟及平台水沟一起形成边坡的截排水系统，保证边坡内部排水通畅。

3.2 边坡计算分析

根据研究区地质成果资料，边坡稳定主要分为2个方面，分别为填方体沿岩土界面滑移稳定性及填方体土体内部圆弧滑移稳定性。对研究区地质成果资料进行梳理，相关的岩土参数见表1。

边坡的安全稳定系数是指抗滑力与外部力及单位滑体的质量导致的下滑力之间的比值。填方体内岩土界面控制的边坡安全稳定性系数Fs的计算过程如公式（1）所示。

（1）

式中：W为滑体重度；c为岩土界面黏聚力；φ为岩土界面内摩擦角；θ为岩层层面倾角；l为滑面长度。

根据表1中的岩土参数，采用公式（1）计算该二元结构边坡安全稳定系数为1.62，大于1.35，根据安全稳定系数对边坡状态进行分类，边坡处于稳定状态，判定标准按照《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2013）执行，场地经填方后，岩土界面不易产生滑移。

当边坡沿填方体内部产生圆弧滑移破坏时，要在土体内部多次划分单元，并采用圆弧法对土体内部进行迭代计算，其分析模式如图3所示。

土体内部圆弧滑动边坡安全稳定系数Fs的计算过程如公式（2）所示。

（2）

式中：ci为第i个计算条块滑面黏聚力；li为第i个计算条块滑面长度；φi为第i个计算条块滑面内摩擦角；θi为第i个计算条块滑面倾角；Gi为第i个计算条块单位宽度质量；Qi为第i个计算条块单位宽度水平荷载，方向指向坡外时取正值；Gbi为第i个计算条块单位宽度竖向附加荷载，方向向下取正；Ui为第i个计算条块单位宽的总水压力。

临河边坡按照1∶2的坡率法进行分层碾压回填后，采用autobank软件分析最不利的边坡范围内渗流线，计算在水位骤降后各个时间段落边坡内外的水位差分布情况，得到对应的渗流线。再按照得到的渗流线对水位骤降后的各个水位差工况进行验算，根据表1中的岩土参数，采用公式（2）计算边坡范围边坡安全稳定系数，结果见表2。

由表2可知，随着边坡内部水位下降，内外水位差缩小，边坡安全稳定系数逐渐增加，在水位骤降过程中，临河边坡的安全稳定系数最小值为1.39，大于1.35，由此可见，边坡不会沿土体内部产生圆弧滑动。同时根据计算的边坡安全稳定系数对边坡状态进行分类，判定标准按照《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2013）执行。

4 边坡监测

4.1 监测数据

监测不仅是边坡设计、施工中的重要一环，也是边坡动态化设计的延续。为深入研究该临河二元结构边坡的变形规律，在本项目施工过程中，按照分级填筑的要求，从坡脚至坡顶区域，坡脚、将分级平台、坡顶布置的监测点分布命名为a、b……，在该断面边坡沿竖向填筑方向布置4组监测点，为研究水位对边坡变形的影响，需要对该边坡前期施工完成后的位移进行清零。考虑水位骤降对边坡稳定性影响较大，因此本次主要记录填方体边坡形成后第一个水文年雨季开始的1个月监测数据，监测结果见表3。

在监测过程中，同时对场地内部区域的变形进行观测，在场地内部未发现较为明显的开裂，由此可见，场地整体趋于稳定状态，仅边坡坡脚区域的变形稍大。结合《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2013），研究区临河边坡处于稳定状态，需要对变形稍大的区域采取结构措施加强处理，例如采用护脚挡墙加浆砌片石护坡，也可采取格宾石笼挡墙等加强措施。

4.2 监测数据分析

由该临河边坡的监测数据可知，边坡坡脚区域产生的水平变形较大，在雨季来临后，边坡坡脚产生的水平位移相对较大（13.6mm）。在水位骤降后，来不及排除边坡内的地下水，因此坡体内外会有较大的水位差，边坡坡面形成暂态的渗流场。坡面土颗粒在渗流力的作用下，易产生沿坡面向下的位移。边坡范围分级平台及坡顶区域产生的水平位移相当，因此初步判定边坡在坡脚发生较大水平变形的前提下，会使边坡上部坡面呈现牵引式的变形趋势，坡顶及分级平台产生的位移大致相当。

原始地面线上坡体岩层的倾角以及新填方体的渗透系数对暂态渗流场的影响较大[6-7]，为使因水位骤降坡体内外的水位差变小，填方体填筑时建议采用渗透性较强的材料。同时，坡脚区作为临河二元结构边坡的薄弱点，应遵循固脚强腰的原则，保证下部边坡的稳定，同时对填方体内部进行分层压实，在分层碾压过程中修筑分层排水盲沟，及时排除边坡范围内地下水，保证临河二元结构边坡的整体稳定。

5 结论

本文通过研究某临河二元结构的边坡变形破坏特征及稳定性评价，得到以下结论。1）水位骤降对临河边坡影响最大，在这种工况下，边坡坡脚区受到的应力较大，产生变形较大，临河的二元结构边坡易因坡脚失稳导致牵引破坏，因此应加强对坡脚的防护设计。2） 通过临河二元结构边坡破坏特征分析得知，边坡稳定性与坡体内渗流浸润线的线形有关，在临河二元结构边坡的填筑过程中应采用透水性较强的材料，建立边坡内外系统相连通的排水通道，减少渗流对临河边坡的影响。3）坡脚作为填方边坡的薄弱点，在边坡设计及施工过程中应加强措施设计、精细化施工，并对填方边坡体设计进行固脚强腰，保证临河二元结构边坡整体稳定。

参考文献

[1]秦茂洁.水位骤降情况下的坝坡稳定分析研究[D].广州：华南理工大学，2012.

[2]邓珊珊，夏军强，李洁，等.河道内水位变化对上荆江河段岸坡稳定性影响分析[J].水利学报，2015，46（7）：844-852.

[3]张琳琳，张耀哲，张政.落水条件下河道水库岸坡稳定性的分析研究[J].水力发电学报，2015，34（7）：12-20.

[4]刘文月，张林洪，陈加洪， 等 .库水位变化对库岸路基沉降的影响[J].水文地质工程地质， 2016， 43 （3）： 141-147.

[5]张兴安，李鹏.水库工程引发地质灾害初探—以三原西郊水库引发塌岸为例[J].灾害学，2018，33（3）：123-125.

[6]张祖莲，梁谏杰，黄英，等.库岸边坡倾角及水位变化对红土型库岸稳定性影响研究[J].山地学报， 2019，37（1）：62-69.

[7]胡向阳，鲁博，侯智斌.新建车村水库岸坡类型及塌岸预测[J].科学技术与工程，2022，22（15）：6301-6307.