某公路路基失穩階段的邊坡滑塌防治方案

2018-12-21 07:20:20林遠航趙武鹍

現代礦業 2018年11期

林遠航趙武鹍

(1.紫金礦業集團股份有限公司紫金山金銅礦；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；4.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司)

我國公路網分布路線較為廣泛，公路邊坡滑塌受多種因素影響，在眾多因素中，降雨影響尤為顯著，近年來，強降雨導致公路邊坡滑塌事故不斷增多。為有效防治該類事故，大量學者對對降雨條件下邊坡的滑塌機理及相關因素進行了系統研究，孫剛志等[1]對自然狀態和降雨狀態下的某公路邊坡進行了模擬分析，探討了2種情況下的邊坡安全問題；沈思建等[2]通過分析節理位移趨勢與邊坡變形規律，認為節理邊坡變形受優勢結構面控制，降雨導致地下水位抬升加速了邊坡變形破壞；路彥青[3]分析了在降雨條件下某公路路基滲流特性、邊坡失穩規律，并建立了分析模型，對于有效預防公路路基滑坡災害有一定的效果；屈鑫[4]通過試驗，確定了含水率和圍壓的變化對抗剪強度的影響，對降雨入滲條件下邊坡穩定性的影響因素進行了敏感度分析，并進一步討論了降雨強度及持續時間對邊坡穩定性的影響；余濤[5]針對粗粒土路堤邊坡，進行了孔隙水壓力與含水率變化規律分析，得到了不同條件下邊坡安全系數的變化規律，認為滲透系數對邊坡穩定性的影響較大。本研究在上述成果的基礎上，以某公路路基邊坡為例，分析連續降雨引起的邊坡滑塌機理，以安全系數為判斷標準分析該邊坡的失穩階段，并結合公路路基地形地質條件，設計綜合防治方案。

1 工程概況

某公路屬于鄉鎮道路，路基由砂土、風化巖組成。公路所在地區為熱帶季風氣候，濕潤多雨，每年3～7月為雨季，最長連續降雨天數31 d，總降雨量為440.3 mm。在連續降雨5 d后(日最大降雨量為242 mm)，該公路路基出現了沉降、邊坡局部滑塌現象，滑塌區域上口長約30 m，高度為10～12 m(圖1、圖2)。

圖1 路基邊坡上部裂縫

圖2 路基邊坡沉降、局部滑塌

2 滑塌誘因

連續強降雨使得路基邊坡土體基質吸力降低，從而降低了土體之間的吸力，并使得土體強度參數降低；連續強降雨抬升了路基邊坡浸潤線，使得邊坡飽和土體量增加，加大了水壓力。在自重壓力及降雨坡面徑流影響下，坡體向臨空面蠕變的趨勢增大，當變形超出一定范圍，路基邊坡便會出現沉降及局部滑塌。

2.1 降雨入滲過程

降雨入滲過程實質是水在非飽和區—飽和區的運動過程，仍然滿足達西定律[6]，其飽和—非飽和滲流的控制方程可表示為

(1)

非穩定滲流問題的定解條件包括初始條件和邊界條件，前者可表示為

h(xi,t0)=h0(xt,t0) ，

(2)

后者可表示為

h(xi,t0)|Γ1=

(3)

式中，t0為初始時刻；Γ1為已知水頭邊界；Γ2為流量邊界。

2.2 降雨使得土體吸力逐漸降低

根據非飽和土力學理論[8]，土體吸力由基質吸力和滲透吸力組成，即

Ψ=(ua-uw)+f，

(4)

式中，Ψ為土體吸力；f為滲透力;ua為孔隙氣壓力;uw為孔隙水壓力。

一般來說，土體滲透力遠小于基質吸力[8]，因此，在降雨影響下，土體吸力減少主要考慮基質吸力的影響。隨著土體含水量不斷增加，水充填土孔隙后，孔隙氣壓力ua不斷降低、孔隙水壓力uw不斷增大，由式(4)可知,土體基質吸力不斷降低，這一過程可通過土水特征曲線來反應[9]。本研究根據組成路基邊坡的粒徑信息，調用SEEP/W軟件中的VWC樣本函數[9-10]，得到了如圖3所示的土水特征曲線。

圖3 土水特征曲線

2.3 降雨導致邊坡土體強度參數減小

降雨導致土體強度軟化，可采用Frenlund等提出的非飽和土的抗剪強度公式進行表述[6]

τ=C′+(σf-ua)ftanφ′+(ua-uw)ftanφb，

(5)

式中，C′為飽和土的有效黏聚力，MPa；φ′為飽和土的有效內摩擦角,(°)；σf為破壞時的法向總應力,MPa；ua為孔隙氣壓力,MPa；uw為孔隙水壓力,MPa；φb為基質吸力的剪切摩擦角,(°)。

由式(5)可知：隨著持續性降雨，非飽和土體基質吸力不斷降低，抗剪強度τ不斷降低。

2.4 降雨導致地下水位線抬升

本研究采用了文獻[4]介紹的第2類模型，即降雨入滲模型進行分析。綜合考慮非飽和土滲透系數的空間變化特性，在降雨入滲過程中，土坡內出現了暫態飽和區，飽和區與非飽和區相互作用、相互影響。本研究模擬分析了強降雨條件下8 d內路基邊坡水位變化情況及水壓力，如圖4所示。分析圖4可知：初始條件下路基邊坡水位線以上的孔隙水壓力為負值，隨著降雨入滲，孔隙水壓力由負值逐漸變為正值；隨著降雨入滲，孔隙水壓力沿著路基邊坡高程出現暫態飽和區、負壓力區、正壓力區；持續降雨使得路基邊坡水位線不斷上升，逐漸擴大了邊坡土體的飽和區域，降雨6 d時，邊坡體已經飽和；降雨7 d時，水壓力達到最大，對邊坡穩定性極為不利。

圖4 強降雨條件下的路基邊坡水位線(單位：m)

3 路基邊坡破壞過程分析

本研究利用GEO-Slope軟件對降雨條件下的路基邊坡穩定性進行了模擬分析，結果如圖5、圖6所示。

綜合分析圖5、圖6、表1可知：①隨著持續降雨，路基邊坡安全系數總體呈逐漸降低趨勢；②未降雨時，邊坡失穩階段為穩定狀態，降雨1～2 d后，邊坡失穩階段為基本穩定階段，降雨3～4 d后，邊坡失穩階段為欠穩定狀態，降雨5 d以后，邊坡失穩階段為不穩定狀態，③降雨第5 d時，邊坡安全系數為0.979，與路基邊坡沉降、局部滑塌現象相吻合，此時邊坡未完全飽和；④降雨第6 d，由于邊坡未完全飽和，安全系數繼續減小為0.948，此時，邊坡全飽和；⑤降雨第7 d，由于水壓力繼續增大，安全系數減小至0.888，此時，水壓力達到最大；⑥降雨第8 d，水壓力保持不變，安全系數不變，為0.888。

4 邊坡滑塌防治方案

由于本研究公路為鄉鎮通道，同時公路下方存在工業場地，為保證其安全，需要采取工程治理措施。根據路基邊坡滑塌誘因及失穩階段(不穩定狀態)，對綜合防治方案進行了設計。由于降雨入滲是導致該路基邊坡發生滑坡的主要誘因，針對降雨入滲情況，對路面進行混凝土硬化，減少甚至防止雨水入滲；設置截、排水溝截留山坡匯水，及時導流路面積水。針對該路基邊坡高度、重要性程度及周圍環境易施工的特點，設計了“漿砌塊石擋墻壓坡”及“長錨桿+框架梁+噴錨網”2種方案。支護設計邊坡穩定安全系數應滿足二級及以下公路對應安全系數上限值的取值要求(表2)。