降雨作用下第四系堆積體路堤穩定性

廖 軍，鄧 濤，周越良，龔洪葦，馮文凱，2

(1.成都理工大學環境與土木工程學院，成都 610059；2.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，成都 610059)

改革開放以來，中國山區公路得到了快速發展，在工程建設中斜坡上填筑形成路堤是一種常見的路基模式[1-3]，且第四系堆積層的土質斜坡普遍存在[4-5]。因此，在此類斜坡上進行建設時，要考慮土質不勻、厚度較薄、非飽和性等特點。當雨季來臨之際，往往會引發路基失穩破壞，給國民生命財產安全造成巨大的損失[6-7]。工程建設中需要充分重視并及時采取相應措施。

在實際工程中斜坡上路堤填筑形式各不相同，據國家行業標準《公路路基設計規范》(JTG D30—2015)規定[8]路基填土邊坡高度大于20 m為高路堤，小于1～1.5 m為矮路堤，基于兩者之間的為一般路堤。

近年來，中國學者開展了一系列對斜坡地基上填筑路堤的穩定性研究，其中劉涌江等[9]通過數值分析方法與離心模型試驗驗證，結果表明塑性區發源于路堤與地基交界處，隨路堤的填筑向上擴展則塑性區逐漸增大；馮文凱等[10]結合底摩擦試驗方法對斜坡上路堤變形破壞進行研究，得到了路堤失穩趨勢與斜坡坡度呈正相關；蔣鑫等[11]基于極限平衡理論對斜坡路基填筑全過程穩定性分析，得到了地層厚度、填土高度變化對穩定性的影響。

以上研究大部分針對斜坡上路堤填筑過程中或運營期間的穩定性。目前廣泛認為降雨可作為引發邊坡失穩的主要誘因[12-13]，喻進輝[14]運用Seep模塊對降雨作用下的高路堤邊坡滲流特征及其穩定性研究；王瑞鋼等[15]基于飽和—非飽和滲流數學模型對降雨作用下高填土質路堤邊坡的滲流穩定分析；劉麗[16]對強暴雨入滲時不同壓實度的強風化軟巖路堤邊坡填土強度變化及滲透性規律進行分析；何忠明等[17]、段旭龍等[18]開展了降雨作用下滲透力對粗粒土高路堤邊坡穩定性的影響研究；趙建軍等[19]、付宏淵等[20]、何忠明等[21]基于室內模型試驗，探究了降雨入滲對路堤滲流特征與穩定性的影響。

可見對高路堤穩定性研究較多，但對于一般路堤的填筑層和第四系堆積層非飽和性的穩定性分析研究較少。在山區公路建設過程中,在穩定的第四系堆積體上填筑低路堤雖然滿足路基設計規范對一般路基的要求，不需要進行單獨驗算,但在長期降雨作用下其穩定性持續降低，出現了變形失穩破壞，值得探討。

因此，以四川省閬中市溝溪鄉某段第四系堆積層斜坡路堤(屬一般路堤)失穩為依托工程，開展降雨入滲對路堤穩定性研究。根據現場資料與調查，得到現場相關參數，構建邊坡模型，導入SEEP/W進行降雨入滲模擬計算可得到填筑前后原始斜坡、斜坡路堤兩種滲流場分布情況，結合SLOPE得到穩定性計算結果。對降雨作用下第四系堆積斜坡上路堤的穩定性評價，為該類邊坡設計與加固提供工程借鑒。

1 工程概況

1.1 工程地質環境

研究區位于四川省閬中市溝溪鄉某油井進場道路的某段第四系堆積斜坡上填筑路堤工程，其填筑高度為1.5～4.2 m，屬于一般路堤，其發生滑坡破壞地理位置如圖1所示。由圖2所示剖面可知，由碎石填土(人工填土層)和第四系殘、崩堆積斜坡(粉質黏土層)及下臥白堊系下統蒼溪組的泥巖組成。

圖1 某油井進場道路1號滑坡地理位置圖

圖2 第四系堆積斜坡填筑路堤典型工程地質剖面圖

據現場調查巖土體結構特征見圖3，人工填土層填筑高度為1.5～4.2 m，主要含有泥沙和碎塊石，其中泥沙結構松散，為雨水入滲提供優勢通道；碎塊石的巖性主要為砂巖和泥巖，呈棱角狀。粉質黏土層厚度為2～6 m，整體土質不均勻，上部松散、下部稍密。其中泥巖主要成分為黏土礦物，呈層狀構造，節理、裂隙發育，微-強風化，遇水易軟化，可作隔水層，產狀為330°∠ 3°。經資料查閱，研究區域雨量較充沛，平均年降水量為1 045.5 mm，歷史最大降雨強度為71.2 mm/h，全年雨季期在6—8月，各地平均降水量在600 mm以上，占全年降水量的60%～70%。地下水位較淺，主要為第四系覆蓋層上層滯水和基巖裂隙水。

圖3 巖土體結構特征圖

1.2 失穩破壞概況

2014年5月修建某油井進場道路，在該段第四系堆積斜坡上填筑路堤工程。于8月下旬閬中地區出現持續性降雨，據監測資料顯示該時段1 h最大降雨量35.6 mm，24 h最大降雨量142 mm。此時坡體下緣處于滲水狀態，8月30日坡體出現明顯變形現象。經現場詳勘得到整個滑體后緣高程428 m，前緣高程420 m，相對高差8 m，平面呈“扇形狀”(圖4)。其中路堤上部出現拉裂縫并有沉降變形現象；第四系堆積斜坡坡腳處出現剪切裂縫并導致附近水泥地板被剪脹(圖2、圖4)，剪出口距附近的房屋僅有數米。這些變形破壞有逐漸加劇的趨勢極有可能出現整體滑移，必將嚴重威脅到坡體住戶生命和財產安全以及道路安全運行。

圖4 第四系堆積斜坡填筑路堤失穩災害范圍圖

2 分析方法

2.1 降雨條件下穩定性分析理論基礎

2.1.1 非飽和土水滲流控制方程

非飽和滲流與飽和滲流一樣，也符合達西定律

(1)

式(1)中:vi為達西流速，m2/s；kij為飽和滲流，m/s；H為總水頭，m；θ為體積含水量；kr(θ)為相對導水系數。

根據質量守恒原理和非飽和達西定律，飽和-非飽和滲流控制微分方程[15]為

(2)

式(2)中:h為壓力水頭，m；Ss為單位貯水系數;t為時間，s；S為源匯項；kr(h)為相對透水系數，在飽和區，kr(h)=1，在非飽和區，kr(h)∈[0,1]；C(h)為容水度，%，正壓區，C(h)=0，負壓區，C(h)=?θ/?h；β為判定飽和、非飽和狀態的參數，在非飽和區，β=0，在飽和區，β=1。

2.1.2 非飽和土水滲流材料參數

非飽和參數采用Van Genuchten(VG)模型擬合水力滲透系數，即

Se=[1+(αPc)n]-m

(3)

(4)

式中:Se為飽和度；Pc為負壓，kPa；n為孔隙率，%；α、m均為模型擬合參數，且m=1-β-1。

2.1.3 非飽和土抗剪強度方程

計算時基于簡化Bishop法并采用非飽和土抗剪強度公式，即

τ=c′+(σn-μa)tanφ′+(σa-μw)tanφb

(5)

式(5)中:τ為非飽和土抗剪強度，kPa；c′為有效黏聚力C，kPa；φ′為有效內摩擦角，(°)；φb為基質吸力對抗剪強度的貢獻所對應的摩擦角，(°)；σn-μa為凈法向應力，kPa；σa-μw為基質吸力，kPa。

2.2 計算參數

通過現場勘察資料及試驗，得到模型相關參數(表1)。在SEEP/W中使用VG模型計算出人工填土層和粉質黏土層的水土特性曲線(圖5、圖6)。在模型構建中，由于泥巖的滲透系數極小，此次研究作為飽和土體計算；水泥地板長度不足兩米，對整個斜坡體穩定性影響較小，故計算模型未作考慮。

表1 計算參數表

圖5 人工填土層水土特性曲線

圖6 粉質黏土層水土特性曲線

2.3 計算模型

根據邊坡的地質剖面圖(圖2)，建立降雨作用下填筑前后兩種穩定性計算模型(圖7)。模型橫向長66.7 m，原始斜坡左側高27.6 m、斜坡路堤左側高29.1 m，右側高19.2 m。采用四邊形和三角形單元分隔劃分計算域，斜坡路堤模型全局共計1 930個節點、1 859個單元；原始斜坡模型全局共計1 614個節點、1 546個單元。

圖7 填筑前后計算模型

根據已有關于邊界條件設置的研究成果，本次模型邊界設定:BC段為降雨入滲邊界，CD段為逸出邊界；兩側AB、DE段為定水頭邊界，底面AE段為不透水邊界，初始水位線由穩態分析得到。根據2014年8月下旬閬中市降雨實際情況，數值模擬采用等強型、平均降雨強度30 mm/h、持續時間12 h作為降雨條件，據此可對邊坡可進行各個時刻的滲流分布分析及穩定性評價。

3 堆積斜坡路堤穩定性分析

3.1 降雨入滲分析

進行滲流分析時，當降雨強度小于入滲土層飽和滲透系數時按流量邊界處理，當降雨強度大于飽和滲透系數時根據坡面高程按水頭邊界處理。運用GEO-STUDIO的SEEP/W模塊可以得到降雨過程中坡體內滲流場變化。填筑前后持續降雨4 h的滲流場分布(圖8)；填筑前后持續降雨12 h的滲流場分布(圖9)。

圖8 填筑前后降雨4 h暫態滲流場

圖9 填筑前后降雨12 h暫態滲流場

如圖8所示，隨著降雨入滲進行4 h，填筑前后坡體內的浸水面均逐漸下降，入滲至坡體內部的雨水已到達地下水位線，導致坡腳下緣地下水位有小幅度抬升，整個粉質黏土層正在由不飽和狀態逐步轉變為飽和狀態。而填筑后斜坡路堤的孔隙水壓力上升更為明顯，兩土層交界處滲流場呈圓形分布，其人工填土層正逐漸形成局部暫態飽和區，此時填筑前的斜坡滲流場分布卻依舊平緩(呈流線型分布)，亦未見有形成局部暫態飽和區的趨勢。

3.2 穩定性分析

在SEEP/W模塊中得到的孔隙水壓力計算結果導入SLOPE/W模塊進行穩定性計算，運用簡化Bishop法，由程序計算得到最危險滑動面。對以上兩種類型進行穩定系數計算(表2)，并繪制穩定系數隨降雨持續時間的關系曲線(圖10)。

圖10 填筑前后穩定系數隨降雨持續時間變化關系

表2 降雨條件下填筑前后穩定系數計算結果

當未降雨時，路堤填筑前后坡體穩定系數從1.478降至1.204；經歷12 h降雨入滲后，原始斜坡穩定系數由初始狀態的1.478降至1.020，其變化趨勢呈線性降低，且坡體穩定性由穩定到欠穩定狀態；填筑后斜坡路堤的穩定系數由初始狀態的1.204降至0.860，坡體穩定性由穩定到不穩定狀態，其變化趨勢在0～8 h內呈線性降低，在8～12 h內出現驟降至安全系數以下。因此，填筑路堤削弱了第四系堆積斜坡初始穩定性，在降雨作用下，更容易誘發路堤失穩。

選取填筑路堤后降雨12 h的最危險滑移面結果(圖11)，最危險滑移面的剪入口、剪出口與實際路堤張拉裂縫和水泥地板剪脹出位置基本一致(圖2、圖4)。與實際工程情況相吻合，運用數值分析模擬整個坡體失穩過程，較好地分析失穩原因，為后期工程防護提供理論支撐。

圖11 降雨12 h最危險滑面計算結果

在整個工程中，因填筑層和第四系堆積層的非飽和性，受降雨入滲作用對整個斜坡滲流場造成不利影響，導致整體抗剪強度大大降低，隨著降雨入滲持續進行，最危險潛在滑移面并不局限于路堤內，還對第四系堆積斜坡，最終發生整體性剪切破壞。

4 結論

以四川閬中溝溪村某道路工程一段第四系堆積體路堤為例，建立路堤填筑前后計算模型，對長期降雨作用下路堤填筑前后的穩定性進行分析，得出以下結論。

(1)路線通過處第四系堆積體地質條件簡單，原始斜坡在最不利的降雨工況下也保持了穩定,路堤填筑高度僅4 m,符合一般路基的要求。

(2)堆積體路堤在最不利降雨工況下隨著降雨過程穩定性系數不斷降低,當降雨達到11 h,穩定性系數小于1.0，此時路堤發生破壞,與路基失穩破壞的現象一致。

(3)在山區公路建設過程中,穩定的第四系堆積體上填筑低路堤雖然滿足路基設計規范對一般路基的要求，不需要進行單獨驗算,但在長期降雨作用下其穩定性會持續降低，極可能出現失穩破壞。因此,在工程設計與施工中應當驗算其長期降雨作用下的穩定性,以保證工程的安全。