降水入滲對山區公路邊坡穩定狀態的影響分析

劉順鋒 雷向陽

摘要：基于降水條件的案例邊坡穩定狀態分析，文章借助有限元數理計算的方式，分析降水入滲對山區公路邊坡穩定狀態的影響，以為同類公路邊坡工程應用提供參考。

關鍵詞：山區公路;邊坡穩定;降水入滲;影響狀態

0 引言

降水是公路邊坡失穩病害的最主要影響因素[1]，降水入滲對邊坡失穩病害的影響作用一直以來都是公路工程科技的熱點課題。本研究參考工程案例，借助有限元數理計算的方式，針對降水入滲對山區公路邊坡穩定狀態的影響課題開展專題分析探究，以期為同類公路邊坡工程應用提供研究和技術參考，助力建設安全牢固的山區公路邊坡工程。

1 降水入滲理論和影響

降水經地面層向土體內部入滲即為降水入滲[2]。在降水過程中，降水在重力、毛管力以及分子力的統合作用下向土體入滲，可簡單地劃分為以下三個階段：

（1）潤浸段：降水基于分子力作用，浸入巖土體，在巖土表面構成水潤層，此階段的降水入滲強度相對較大。

（2）滲漏段：在毛管力及重力統合作用下，入滲水連續浸入土體間隙，充填至飽和狀態。

（3）透滲段：分子力與毛管力均消失，降水只在重力作用下入滲土體內部，且呈特定的穩定流態。

入滲率是描述降水入滲的一個指標。隨著降水量累積，入滲率逐漸降低，剛開始階段降水入滲能力比較高，是由于巖土體相對較干燥，土體內存在著相對較大的分子力及毛管力，在其作用下，土體吸收降水。隨著降水量增加，入滲土體空隙的降水逐漸增多，當達到某一極值時，毛管力及分子力逐漸消失，降水入滲率隨即降低[3-4]。

邊坡巖土體典型斷面降水入滲水分含量分布狀態如圖1所示。圖線揭示，剛降水時，巖土體面層的水分含量在非常短的時間內快速加大到最大值，但土體仍舊處于非飽和狀態，伴隨著降水不斷入滲，土體的水分含量不斷加增，濕潤鋒面在邊坡內部不斷地下移，水分含量分布曲線由之前的陡直變得相對平緩，隨著降水時程連續加大，土體抵達飽和狀態，這時的土體含水率即是飽和含水率。

降水對邊坡的不利影響包括以下幾個方面：

（1）降水使土體水分含量增加，致使粘聚力下降，抗剪度隨之降低。因此降水的強度及連續時間足夠長時，邊坡內部降水入滲到達一定程度，極易發生邊坡失穩。

（2）降水入滲加大土體容重，土體承荷加重，下滑力增大。

（3）邊坡內部過多入滲降水，導致地下水入滲、滑面強度下降。

（4）降水入滲對巖土體的軟弱化、侵損作用也相當明顯。

2 案例地質結構及地形地貌

某山區公路K2+590～K2+900段邊坡區域地表富積粉質黏土和殘積粘結土。場地原始坡度通常在20°～30°，屬低山斜坡地貌，斜坡約100 m總坡高。開挖邊坡基本未滑動，但經降水沖刷，坡底棄土存在流失現象，密布沖刷小溝，西北側坡體局部存在小范圍土體坍塌現象。

案例區域土體主要參數和基于220次標貫測試的巖土層標貫統計數據見表1和表2。

區域年平均氣溫為18.5 ℃，四季濕潤溫暖，年度最低氣溫為8.6 ℃左右，通常出現在1月份;最熱月份是7月，年度最高氣溫為28.3 ℃左右;極端最低氣溫為-4.1 ℃，最高氣溫為40.6 ℃。年降水量平均為1 679.2 mm，最小為1 198.9 mm，最大高達2 484.4 mm。不同時節降水量差別較大，臺風及暴雨7～9月多發，降水量可占全年降水量的45%～65%;3～6月份梅雨時節的降水量，可達年降水量的30%～40%。

3 基于降水條件的案例邊坡穩定狀態分析

3.1 滲流起始狀態分析

案例邊坡降水前間隙水壓分布狀態如圖2所示。參考圖中信息可知，降水出現以前，低于地下水潤浸線區域為飽和區，該潤浸線亦是間隙水壓正負分界線。飽和區間隙水壓正值時，最大可達50 kPa;高于地下水潤浸線區域為非飽和區，間隙水壓負值，最小可達-300 kPa（吸力）。圖3為降水前，案例邊坡間隙水壓與邊坡高程的演變關系圖。曲線揭示，降水出現以前，間隙水壓由頂至底呈梯次減小的線性關系。

降水前飽和度分布見下頁圖4。圖線揭示，飽和區均處于地水潤浸線以下區域，因為受土體毛細管作用，地水潤浸線以上存在部分非飽和區，其飽和度自0.859 8降低到0.250 9，對應間隙水壓亦隨飽和度下降而下降。

案例邊坡降水前有效垂向應力分布狀態見下頁圖5。圖線揭示，有效垂向應力從坡面向坡內呈現逐漸遞增的態勢，但基礎平向應力分布與之完全不同。

3.2 降水入滲作用結果分析

比較邊坡體內部降水前后的間隙水壓可以知道，不論降水后還是降水前，間隙水壓都從坡底至坡頂逐漸降低。圖6～13揭示的是連續12 h、24 h、48 h和72 h時間，480 mm/d降水強度條件下，案例邊坡間隙水壓分布狀態和相應時刻的間隙水壓隨邊坡高程演變的關系狀態。圖線揭示，連續降水作用下，潤浸線以下區域，間隙水壓相對變動較小，以上區域間隙水壓相對變動較大。可見，降水入滲對邊坡土體非飽和區域的影響相對比較大，是由于非飽和土不乏液態、固態和氣態結構，存在相當數量的間隙，間隙亦充斥著氣體。間隙中氣體隨著降水入滲被排擠出溢，間隙充滿雨水，致使間隙水壓快速改變。隨著降水時間延長，降水入滲影響范圍亦在慢慢加大。間隙水壓不僅于邊坡面層土體中改變，深層間隙水壓亦同樣隨著降水量增加而加大，地下水水位亦慢慢提升。

通過72 h入滲作用后，邊坡出現的平向位移狀態如圖14所示，圖中信息揭示，平向最大位移出現在坡腳處;通過72 h入滲作用后，邊坡出現的垂向位移狀態如圖15所示，圖中信息揭示，邊坡最大垂向位移出現在坡頂。綜合兩幅移位圖可以知道，外部水流沿間隙流入土體內部，間隙水進一步充盈，流速變大，當入水動能≥巖土顆粒的粘結力時，相當數量巖土顆粒跟隨水流移動，致使邊坡密度一定程度下降。假如其變動很小，可能引發邊坡不均勻沉降。當內部水量進一步增加，跟隨水流移動的巖土顆粒越來越多，則可能隨時引發泥石流或是滑坡等嚴重邊坡災害。

圖16是降水時長與邊坡最大水平位移的關系圖，由圖可知，隨著降水時長的增加，邊坡的最大位移在不斷擴大，并且在60 h時，水平位移突增，由最早的1.10 mm擴大到9.08 mm。圖17是降水時長與邊坡最大垂向位移對應關系，同樣在60 h時，垂向位移突增，由0.31 mm突增至6.05 mm。圖18是降水時長與邊坡總體最大位移的關系圖，在60 h時，總體移位突增，由1.12 mm突增至9.82 mm。可從這三張關系圖中看到，在連續強降水60 h后，該邊坡內部已然開始出現較為嚴重的形變，60 h以后邊坡將連續擴大位移量，最終致使邊坡損壞。

4 結語

本研究借助有限元數理計算的方式，分析了480 mm/d降水強度，不同降水入滲時程條件下，案例邊坡所發生的穩定性狀態變化情況。經過對邊坡在各既定時間的間隙水壓的比對及降水72 h后邊坡的位移實施分析，得到主要結論如下：

（1）降水對巖土邊坡的影響作用主要包含兩方面，其一是降水入滲對細小土體顆粒的沖刷作用，其二是積累在巖土體表面的降水徑流的沖刷作用。

（2）模擬結果揭示，伴隨著降水連續實施，雨水的不斷入滲致使巖土體間隙中的氣體被連續地排出，雨水充滿整個空隙。巖土顆粒間的作用力在降水作用下不斷降低，間隙水壓連續增加，有效應力迅速降低，土體抗剪強度亦隨之降低。

（3）降水的入滲，加重了邊坡體容重及水分含量，巖土顆粒隨著入滲水流在土體內部運動，致使邊坡出現失穩形變。邊坡在垂向及平向都出現不同程度的形變，形變的方式直觀地呈現為坡腳向外側移動及坡頂垂向沉陷，且隨著降水量積累，形變量亦不斷加劇，邊坡穩定狀態進一步下降，致使邊坡存在滑動形變態勢。

參考文獻：

[1]劉紅衛. 山區公路滑坡研究[D]. 西安：長安大學，2005.

[2]張香斌. 滑坡穩定性分析與預測技術研究[D]. 北京：中國地質大學（北京），2018.

[3]宋 航. 粉質黏土類邊坡穩定性影響因素的研究[D]. 烏魯木齊：新疆大學，2018.

[4]陳燕青. 強降雨作用下高陡型順層風化巖質邊坡穩定性研究[D].廣州：廣州大學，2018.

收稿日期：2020-05-27