降雨及植被加固對紅黏土邊坡穩定性的影響

李天寶,許家培,劉開富

1.浙江廣廈建設職業技術大學,浙江 東陽322100

2.浙江理工大學建筑工程學院,浙江,杭州310018

3.臨海市水務集團有限公司,浙江 臨海317000

紅黏土是指石灰巖、白云巖等碳酸鹽類巖石經過強烈化學風化后形成的高塑性黏土，在我國西南地區分布廣泛[1,2]。我國西南地區年降水量大，紅黏土邊坡穩定性受降雨入滲強度、雨型、雨量、坡面條件、土性參數等多因素影響[3,4]。在暴雨條件下，土體飽和度和容重增加，抗剪強度降低，易發生邊坡的滑動、崩塌等地質災害[5,6]。

因此，大量學者在暴雨影響下邊坡穩定性方面開展了大量的研究工作。王培清等[7]基于飽和-非飽和土滲流理論，建立了裂隙性高吸力紅粘土邊坡數值分析模型，分析了降雨強度、裂隙深度、裂隙滲透系數等對裂隙性紅粘土邊坡滲流場及穩定性的影響；戚國慶等[8]研究了非飽和-飽和滲流模型中的非線性方程組及其解法，開展了某露天礦邊坡降雨入滲全過程的數值模擬研究；何本貴等[9]采用有限差分程序FLAC 對以浙江諸永高速公路K96+030～K96+250 標段的高邊坡進行了數值分析和穩定性評價。在上述研究的基礎上，本文以我國西南地區某大型化工廠邊坡工程為背景，利用FLAC3D 數值模擬軟件建立了紅黏土邊坡穩定的數值計算模型，分析了暴雨和開挖對邊坡穩定性系數的影響規律，研究了植被加固技術對邊坡的保護作用。

1 工程概況

西南地區某大型化工廠修建過程中需對東側一巖土質邊坡進行開挖和修筑，其剖面如圖1 所示。修整后邊坡共分為上下兩級，中間設2 m 寬的臺階平臺，每級邊坡高度約10 m，坡高比為1:1.3。邊坡地層由上往下依次為紅黏土、角礫巖、強風化灰巖和中風化灰巖。由于工程所在區域屬亞熱帶濕潤季風氣候，降雨量較大，為保護生態環境以及保證邊坡工程的安全，擬對該紅黏土邊坡進行綠色加筋格賓網支護。其中，綠色加筋格賓網由六邊形雙絞合鋼絲網面、金屬網、三腳架、支撐桿以及土工墊組合而成。施工時首先進行格賓網的安裝，并在支撐桿固定完成后，將裝有菜籽的土工袋分層碼放，最后再用格賓網反包；待施工完畢后，灑水養護，確保草籽發芽生長，起到綠化的作用。

圖1 紅黏土邊坡開挖修整示意圖Fig.1 Excavation and dressing schematic diagram of red clay slope

2 數值模擬模型與計算工況

2.1 數值模型建立

采用巖土工程數值軟件FLAC3D 建立上述紅黏土邊坡開挖數值模擬模型如圖2 所示。該模型共包含4318 個網格點和2080 個實體單元，模型邊界條件為頂面自由，其余各面法向位移約束。當進行邊坡修整時，將邊坡修整線以上的巖土體分2 次開挖，每次開挖高度約為10 m。

2.2 計算工況與計算條件

為研究降雨條件下紅黏土邊坡在開挖以及支護前后的變形以及穩定性情況，本文采用強度折減法分析了以下幾種不同的工況：

（1）工況1：無雨，紅黏土邊坡未開始開挖；

（2）工況2：暴雨，紅黏土邊坡未開始開挖；

（3）工況3：無雨，紅黏土邊坡開挖完成但未進行綠色加筋格賓網支護；

（4）工況4：暴雨，紅黏土邊坡開挖完成但未進行綠色加筋格賓網支護；

（5）工況5：無雨，紅黏土邊坡開挖完成且進行了綠色加筋格賓網支護；

（6）工況6：暴雨，紅黏土邊坡開挖完成且進行了綠色加筋格賓網支護。

圖2 紅黏土邊坡開挖數值模擬模型Fig.2 Numerical simulation model of red clay slope excavation

不同工況條件下紅黏土邊坡巖土體的物理力學參數如表1 所示。

此外，考慮綠色加筋格賓網支護的影響，采用shell 結構單元模擬格賓網，其彈性模量和泊松比設為5 GPa 和0.25；并設置無雨以及暴雨條件下植被加固范圍內（約0.5 m 深）紅黏土內聚力分別為27.5 kPa 和17.8 kPa，內摩擦角則分別為12.1°和9.6°。

表1 不同工況下紅黏土邊坡巖土體的物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass in red clay slope under different working conditions

3 數值計算結果分析

3.1 紅黏土邊坡未開挖前天然坡體的穩定性分析

紅黏土邊坡未進行開挖時，采用強度折減法計算得到邊坡所在位置天然坡體在無雨以及暴雨條件下的潛在滑動面分布如圖3所示（紅色表示滑動面位置）。無雨條件下，由于天然坡體坡度較緩且坡體表層的紅黏土內聚力和內摩擦角值較大，此時，天然坡體自穩能力很強，其整體穩定系數高達3.77，潛在滑動體位于天然坡底以上靠后約30 m的區域。而暴雨條件下，由于坡體內巖土體含水量急劇增大，導致坡內巖土體抗剪強度嚴重減弱，此時，天然坡體整體穩定系數減小至2.22，潛在滑動面位置也整體上移約2 m。根據《建筑邊坡工程技術規范》有關規定：建筑邊坡在無雨以及暴雨條件下的整體穩定系數應分別大于1.35和1.15，可知，紅黏土邊坡未開始前，其所在位置天然邊坡能夠滿足工程安全穩定要求，不需要進行任何處理。

圖3 邊坡未開挖前天然坡體的潛在滑動面分布示意圖Fig.3 Potential sliding surface distribution schematic diagram of natural slope body before slope excavation

3.2 無支護條件下紅黏土邊坡開挖穩定性分析

圖4 邊坡開挖修整后的總位移分布云圖Fig.4 Cloud map of total displacement distribution after slope excavation

3.2.1 邊坡土體位移 當對天然邊坡進行開挖修整，形成上下兩臺紅黏土邊坡時，無雨以及暴雨條件下紅黏土邊坡的總位移分布如圖4所示。可以看出，無雨條件下，修整后紅黏土邊坡在上級臺階的坡中位置出現最大位移，約為30 mm，由上級臺階坡中往坡頂或坡腳，邊坡土體位移逐漸減小，但往坡腳方向的減小幅度要明顯更小；而從下級臺階坡頂往坡腳，下級臺階邊坡巖土體位移則從21 mm逐漸較小至9 mm。可見，從最大位移大小上看，修整后紅黏土邊坡在無雨條件下能夠保持較好的自穩能力，能夠保證的安全穩定。暴雨條件下，修整后紅黏土邊坡位移主要集中出現在上級臺階坡頂區域位置，且其位移值達到了將近300 mm，這說明，在暴雨條件下上級臺階容易發生整體滑動失穩，尤其是紅黏土覆蓋的區域。因此，為保證工程施工安全，應禁止在暴雨天氣下開挖紅黏土邊坡；同時，還需對開挖裸露的紅黏土邊坡表面進行覆蓋或加固，防止暴雨來臨時雨水下滲導致邊坡失穩。

圖5給出了不同位置紅黏土邊坡土體位移隨開挖求解時間的歷程變化曲線。無雨條件下，上級邊坡開挖修整過程中，上級邊坡坡頂、坡中以及坡底位置土體的位移分別增長了6.2 mm、33.7 mm和14.6 mm，而下級邊坡坡頂、坡中以及坡底位置土體位移則分別增長了17.3 mm、5.0 mm以及1.1 mm；下級邊坡開挖修整過程中，上級邊坡土體位移基本保持不變，而下級邊坡坡頂、坡中以及坡底位置土體位移則分別再增長0.9 mm、4.6 mm以及2.3 mm。暴雨條件下，上級邊坡開挖修整過程中，上級邊坡坡頂、坡中以及坡底位置土體的位移分別增長了364 mm、389 mm和16.2 mm，而下級邊坡坡頂、坡中以及坡底位置土體位移則分別增長了18.1 mm、6.9 mm以及1.7 mm；下級邊坡開挖修整過程中，上級邊坡土體位移基本保持不變，而下級邊坡坡頂、坡中以及坡底位置土體位移則分別再增長1.8 mm、7.5 mm以及4.1 mm。由此可見，上級邊坡開挖修整對紅黏土邊坡紅黏土區域的位移影響最大，尤其是在暴雨條件下。因此，工程施工中應對邊坡紅黏土區域進行重點防治和監控。

3.2.2 邊坡土體塑性區 無雨和暴雨條件下修整后紅黏土邊坡的塑性區分布如圖6 所示（紅色表示塑性區）。無雨條件下，修整后紅黏土邊坡的塑性區主要集中在坡體表面約1 m 深以及角礫巖與紅黏土交界的位置（圖6a）。而暴雨條件下，紅黏土邊坡不僅在上述區域出現了塑性區，而且在上級邊坡角礫巖以及靠近坡面約15 m 范圍以內的紅黏土區域都出現了塑性區（圖6b）。由此可知，暴雨導致上級邊坡紅黏土層出現了大量額外的塑性屈服區域，這勢必影響上級邊坡的穩定安全。

圖6 邊坡開挖修整后的塑性區分布圖Fig.6 Plastic classification of slope after excavation and trimming

3.2.3 邊坡整體安全穩定系數 無雨和暴雨條件下修整后紅黏土邊坡潛在滑動面分布如圖7 所示。無雨條件下紅黏土邊坡在修整后的整體穩定系數值為1.55，其潛在滑動面為圓弧形，其頂部位于上級邊坡坡頂往后約6 m 的位置，底部則位于上級邊坡坡底的位置，整個滑動體寬高均約為10 m。暴雨條件下紅黏土邊坡潛在滑動面位置未發生變化，但其整體穩定系數則下降至1.02。對比《建筑邊坡工程技術規范》相關規定可知，無雨條件下修整后的紅黏土邊坡能夠滿足工程安全要求，但暴雨條件下修整后的紅黏土邊坡則處于欠穩定狀態，不滿足工程要求，應對其進行加固處理。

3.3 植被加固后紅黏土邊坡穩定性分析

采用加筋格賓網配合綠色植被加固后，無雨以及暴雨條件下修整后紅黏土邊坡潛在滑動面分布如圖8 所示。對比圖7 可知，采用加筋格賓網配合綠色植被加固后，紅粘土邊坡潛在滑動面的頂部仍位于上級邊坡坡頂往后約6 m 的位置，但其底部則不在位于上級邊坡的坡底位置，而是位于下級邊坡的坡頂位置。即，相比于無支護條件，加筋格賓網配合綠色植被支護條件下紅黏土邊坡的潛在滑動面整體向下移了2～3 m；同時，其在無雨和暴雨條件下的整體穩定系數則分別提高到了1.88 和1.21，既美化了工廠周邊環境，也達到了工程的安全使用要求。由此可見，對紅黏土邊坡采用綠色加筋格賓網加固技術能夠顯著改善工程的經濟效益與環境效益。

圖7 紅黏土邊坡開挖修整后的潛在滑動面分布示意圖Fig.7 Potential sliding surface distribution schematic diagram of red clay slope after excavation and repair

圖8 植被加固后紅黏土邊坡的潛在滑動面分布示意圖Fig.8 Potential sliding surface distribution schematic diagram of red clay slope after vegetation reinforcement

4 結論

本文利用FLAC3D 數值模擬軟件建立了降雨條件下紅黏土邊坡穩定性計算模型，對比研究了無支護條件下和植被加固后紅黏土邊坡的穩定性。主要結論如下：

（1）未開挖紅黏土邊坡在無雨和暴雨條件下的整體邊坡穩定性系數分別為3.77 和2.22，均大于規范要求，無需進行加固；

（2）無支護條件下紅黏土邊坡在開挖后，暴雨影響下上級臺階最大位移達到300 mm 左右，塑性區最大深度達到1 m 以上，整體邊坡穩定性系數下降至1.02，必須進行有效加固；

（3）植被加固后紅黏土邊坡在開挖和暴雨共同影響下，邊坡整體穩定性系數提高到1.21，達到了規范要求。