公路高邊坡災變機理及滑動力響應規律分析

高亮, 張騰伍, 饒法強, 修渴馨, 劉宇飛, 陶志剛*

(1.廣州大廣高速公路有限公司, 廣州 510900; 2.中國礦業大學(北京)深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室, 北京 100083; 3.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院, 北京 100083)

近年來,中國自然災害時有發生,主要是滑坡、泥石流、崩塌等。在交通工程領域,滑坡災害的發生不僅會造成高速公路掩埋,導致交通運輸停頓,也使民眾的生命財產遭受危及。研究表明降雨是導致災變發生的主要自然因素,雨水入滲使巖土強度降低,最終導致滑動面貫通,滑坡發生。因此開展公路高邊坡強降雨災變研究及其合理有效的預警方案具有重要意義。

在數值模擬方面,文獻[1]采用ABAQUS數值模擬軟件研究了地下水對邊坡穩定的影響,分析了降雨條件下安全系數變化規律。文獻[2]運用FLAC3D數值模擬軟件,對邊坡在降雨及地震工況下的響應特征進行分析并對邊坡表面特征點進行監測。文獻[3]使用了有限元的數值軟件,對降雨條件下多級臺階排土場邊坡穩定性分析,得出坡腳臺階處的穩定性最差,應該對其過程加強監測。文獻[4]通過ABAQUS模擬軟件研究在天然條件和暴雨狀態下邊坡的穩定性以及滑動區巖土體位移場等變化, 具體說明了邊坡破壞特征和失穩因素。文獻[5]基于ABAQUS數值模擬軟件,構建降雨條件下球狀風化體類土質邊坡滲流模型,最終得出邊坡受球狀風化體影響更快達到飽和。文獻[6]運用數值模擬軟件MIDAS-GTS及FLAC3D對比分析邊坡在降雨條件下邊坡穩定性規律,研究得出MIDAS-GTS進行數值模擬的結果差異較小。文獻[7]通過有限差分法,研究降雨對土質邊坡的加固前后的影響,研究表明邊坡的破壞往往發生于降水階段的淺層區域。文獻[8]為研究軟弱夾層及降雨入滲對邊坡穩定性研究,運用FLAC3D數值模擬軟件研究,坡體最大位移始終出現在軟弱夾層與坡面相交處。文獻[9]利用Geo-Studio分析軟件,探究不同降雨時長、停雨后時長、降雨強度因素下邊坡穩定安全系數變化規律。文獻[10]基于數值模擬方法進行預應力錨索抗滑樁加固邊坡分析,分別對天然條件及強降雨兩種工況下邊坡穩定性研究。

此外,邊坡的監測預警是滑坡災害防治的關鍵方面。為解決此問題,文獻[11]首先闡述滑床與滑體之間相對運動的力學機制,提出了滿足滑坡發生的充分必要條件是滑動面處牛頓力的變化,并基于此學術思想研發了滑坡牛頓力遠程監測預警系統,并取得了良好的應用效果。文獻[12]對南芬露天開采場的滑坡進行監測并進行數值模擬,最終得出二者結果一致。文獻[13]對滑坡災害遠程監控系統的進行了改進和完善,在實際應用中系統運行穩定。文獻[14]為了研究邊坡開挖過程中坡體穩定性,提出先在坡體安裝多個力學傳感器,使其組成一個監測的系統,在邊坡開挖時對坡體的擾動可以通過這些監測點測出來,通過研究分析力學傳感器的變化規律對坡進行監測。文獻[15]提出就目前形勢來說,人們應該積極采取多樣化措施,更加深入地對邊坡位移預測和風險控制預警方法進行更加深層次的探討研究。文獻[16]基于全球定位系統(global positioning system,GPS)分階段監測方法研究得出影響邊坡穩定性的因素,并且預測了邊坡穩定性。

文獻[17]基于非飽和土滲流-應力理論,進行有限元分析,研究不同降雨持時、雨強時錨桿加固邊坡的變化規律。然而在公路高邊坡強降雨條件下NPR錨索支護效果及監測預警系統的適用性尚未相關研究。

現選取大廣高速新豐段路塹邊坡,采用數值模擬分析開挖和降雨條件下邊坡災變機理以及耦合支護設計方式,并建立公路邊坡滑動力綜合在線安全監測預警系統,揭示滑動力隨降雨量動態響應規律。為類似公路高邊坡的安全監測和災變研究奠定理論和實踐基礎。

1 工程地質概況

邊坡位于廣東省韶關市新豐縣境內,地屬低山山地地貌,呈扇形,地形稍陡,頂部高程為336.69 m,底部高程約為249.63 m,高差約為87 m。坡度為58°～63°,斜坡地段為殘積粉質黏土為主,下部為全、強風化砂巖,受風化及構造裂隙作用,表面巖體風化劇烈,厚度一般。按斜坡的成因分類,屬于剝蝕斜坡,斜坡上覆第四系土層坡殘積粉質黏土為0.90～10.90 m,下部基巖風化差異大,全、強風化巖厚度一般為2.10～29.80 m,為屬土質邊坡。

監測點布設區位于大廣高速K3278+280～K3278+590南行路塹邊坡。由于邊坡所處位置地勢較緩,降雨后地表水徑流特別不容易排出,使得雨水下滲,中部厚、前后薄的地貌導致雨水也下滲至滑體,使得滑體坡積層的含水率增高。該地區降雨頻繁,在降雨的誘發下,土體抗剪強度進一步降低,直到滑坡體的阻滑力小于下滑力時,坡體就開始逐漸形成滑坡。

2 邊坡破壞模式

2.1 表面沖刷

坡體表面沖刷主要體現在三級邊坡以上的部分,原因是雨水使坡面已經全分化的土體內部含水量增加,導致土體和碎塊之間的膠結軟化,黏結力降低,隨著雨水的持續,首先將碎石周邊的土體帶走,碎塊也隨之松動掉落,最終致使坡體表面沖刷形成(圖1)。

圖1 表面沖刷Fig.1 Surface flushing

2.2 沖溝和陷穴

沖溝和陷穴主要分布在一、二級邊坡,上覆地層是粉質黏土,坡度較陡,坡面徑流速度快,有利于沖溝和陷穴的形成。降雨初期邊坡表面的土體將水分吸收,土體內部含水率增加,土體間黏結力降低,導致坡面徑流產生,帶走大量泥土形成沖溝。隨著時間推移,雨水對坡面侵蝕日益加重,局部沖溝進一步發展,沖溝深度增加產生陡坎,坡面徑流經過陡坎跌落,使底部土體加劇侵蝕,最終形成陷穴(圖2)。

圖2 沖溝和陷穴Fig.2 Gullies and pi

2.3 張拉裂縫

張拉裂縫通常位于邊坡的坡頂處,邊坡在開挖擾動時,坡體原有的平衡被打破,邊坡前緣出現臨空面,致使坡體后部受到牽引力產生張拉裂縫,對大廣高速邊坡進行調查,發現降雨致使坡體后緣產生多處裂縫(圖3)。

圖3 張拉裂縫Fig.3 Tension crack

2.4 局部滑塌

邊坡主要局部滑塌區域在一級邊坡處,原因是上部山體地層滲透性較好,下部山體表層為粉質黏土,滲透性較差,持續的降雨入滲導致雨水匯集在一級坡體內,使土體軟化抗剪強度降低,導致土體軟化,導致一級邊坡淺層滑塌(圖4)。通過對上述模式的總結,大廣高速新豐段粉質黏土邊坡破壞模式以表面沖刷、沖溝和陷穴、張拉裂縫和局部滑塌為主,如表1所示。

表1 粉質黏土邊坡破壞模式Table 1 Failure mode of silty clay slope

圖4 局部滑塌Fig.4 Partial collapse

3 數值模擬

3.1 降雨條件下邊坡穩定性數值模擬分析

3.1.1 參數選取

通過對研究區域降雨量調查得知,最大日降雨量為70 mm/d,以最大降雨量來模擬該地區降雨條件下的邊坡穩定性。通過地質勘察,結合現場調查,研究對象的巖土體各種參數如表2所示。

表2 降雨條件下數值模擬力學參數Table 2 Numerical simulation of mechanical parameters under rainfall conditions

3.1.2 孔隙水壓力建模

根據大廣高速新豐段邊坡鉆孔資料可知該區域地下水位埋深約10 m。以此為基準面設置新豐段邊坡數值模擬孔隙水壓力。圖5所示為自然條件下和降雨條件下的孔隙水壓力云圖。圖5顯示,在日降雨量為70 mm/d時,模型孔隙水壓力從0.61 MPa(自然條件下)增大至0.68 MPa。

圖5 孔隙水壓力Fig.5 Pore water pressure

3.1.3 位移云圖變化規律分析

邊坡開挖完成后,通過對大廣高速新豐段邊坡降雨數值模擬分析,可以得到新豐段邊坡位移云圖(圖6)。圖6顯示邊坡在X方向的位移變化量峰值達到0.61 m,最大位移集中在Ⅰ級邊坡坡角處[圖6(a)],Z方向的位移變化峰值是0.58 m,主要分布在Ⅵ級邊坡和Ⅶ級邊坡坡頂位置,且在Ⅰ級邊坡坡腳處產生0.25 m的擠壓隆起現象[圖6(b)];由新豐段邊坡總位移云圖[圖6(c)]可知,邊坡最大位移變化量達62 cm,分別位于Ⅵ、Ⅶ級邊坡坡頂和Ⅰ級邊坡坡腳處。主要是由于雨水的入滲使得坡體自重增大,抗剪能力降低,導致坡體內部裂紋產生,坡體向下滑動,同時促進了滑動面周邊裂縫的擴展。圖6(d)表示新豐段邊坡位移矢量云圖,圖中箭頭方向代表邊坡巖土體移動方向,箭頭長短代表位移量大小。從矢量圖中可清晰看出,新豐段邊坡潛在滑動面已經貫通,滑體、滑床和滑動帶邊界清晰,滑體中矢量箭頭長,方向與滑體滑動方向一致;滑床中矢量箭頭短,方向與滑體中的方向有顯著差別。位移最大位置處于坡頂位置,此時坡頂位置發生拉伸破壞,坡面有沿層間破碎帶下滑的趨勢,坡腳位置處位移最小。

圖6 降雨位移云圖Fig.6 Rainfall displacement nephogram

3.1.4 應力云圖變化規律分析

降雨模擬所得應力云圖如圖7所示。對X方向應力云圖進行分析可得該邊坡滑動面在地下14 m的位置,滑體在X方向上應力值主要在-0.08～0.089 MPa,滑床在X方向上應力值主要在-0.97～0.38 MPa。也可得出在X方向受拉(即應力值大于0)的區域在邊坡坡頂,說明邊坡坡頂受到拉力作用出現裂縫。Z方向的應力值范圍在-1.64～0.015 MPa,且Z方向受拉區域在坡角處,說明坡腳隆起與實際相符。

圖7 降雨應力云圖Fig.7 Rainfall stress cloud map

3.1.5 降雨條件下邊坡失穩破壞機理分析

自然條件下,該邊坡開挖后處于基本穩定狀態。降雨條件下,邊坡坡腳和坡頂都出現最大位移變化量,邊坡滑帶面處于距離地表14 m處,主要原因是該邊坡上覆地層是第四系松散層,主要以粉質黏土加碎石為主,滲透性較好,而下伏地層為全強風化砂巖,風化程度呈半巖半土狀,土層強度極低,滲透性差,局部區域透水性較好,馬蹄形的微地形地貌有利于雨水聚集和入滲,加之地下水長期作用使得滑帶軟化,巖土體的抗剪強度降低,直至滑坡體的滑阻力小于下滑力時,坡體開始逐漸形成滑坡。

在雨水從后緣入滲至前緣時,坡體內地下排水通道水壓力從后緣向前緣逐漸上升,導致坡體上部出現V形張拉裂縫,潛在滑動面在雨水的潤滑作用下強度降低,產生蠕滑變形,坡腳處出現擠壓隆起(圖8)。

圖8 邊坡失穩破壞機理示意圖Fig.8 Schematic diagram of instability failure mechanism

3.2 降雨條件下加固邊坡穩定性分析

3.2.1 模型的構建

根據現場加固方案Ⅰ級邊坡設置抗滑樁,間隔5 m,每個樁截面尺寸寬2 m,長3 m,樁深22 m;Ⅱ級邊坡同樣設置抗滑樁,間隔5 m,每個樁截面尺寸寬2 m,長3 m,樁深27 m,Ⅱ級邊坡坡面采用錨索和框架梁組合加固,錨索長度36 m,錨固段10 m,入射角20°,框架梁縱向截面和橫向截面尺寸均為長0.5 m、寬0.5 m;Ⅲ級邊坡以上坡面均采用錨索和框架梁組合加固,錨索長度36 m,錨固段10 m,入射角20°(圖9),框架梁縱向截面和橫向截面尺寸均為長0.5 m、寬0.5 m(圖10)。進行數值模擬,研究分析其在最大日降雨量70 mm/d情況下的邊坡穩定性,并對錨索框架梁和抗滑樁加固進行模型構建。

圖9 抗滑樁模擬Fig.9 Anti-slip pile simulation

圖10 錨索框架梁模擬Fig.10 Anchor cable frame beam simulation

3.2.2 數值模擬結果分析

在加固作用下,X方向位移最大是5 cm,最大位移位置處在邊坡Ⅱ級平臺坡腳處,隨著平臺等級的增加,在X方向的位移量呈現變小的趨勢,如圖11(a)所示;在Ⅶ級邊坡坡腳局部,有微小的變化區域,位移變化量僅為0.8 cm。Z方向位移變化量較小,邊坡基本處于穩定狀態,如圖11(b)所示。在Ⅱ級邊坡和Ⅲ級邊坡坡腳處(即抗滑樁加固位置),在Z方向上的位移很小,最大位移量僅為0.9 cm,且在抗滑樁上部位置。由總位移云圖可以看出,邊坡最大位移變化量是7.3 cm,如圖11(c)所示,在Ⅱ級邊坡坡面。由矢量圖可以得出Ⅱ級邊坡坡面處箭頭最大最長,且方向基本沿坡面向下,如圖11(d)所示。

對錨索框架梁的位移量和抗滑樁的軸力分析可知,Ⅱ級平臺的錨索框架梁的位移變化量最大,錨索的最大位移為6.3 cm,框架梁的最大位移為6.4 cm,隨著邊坡平臺上升對錨索框架梁的位移變化量逐漸減小,如圖12(a)所示。Ⅰ級邊坡平臺抗滑樁上的1/2段軸力為拉力,二級平臺抗滑樁上的1/3段軸力為拉力,由此可以得出Ⅱ級邊坡作用在Ⅰ級平臺抗滑樁面積大,下滑力大,如圖12(b)所示。因此Ⅱ級邊坡坡面穩定性相對較差,發生滑坡風險大,是該邊坡最危險的區域,后期應對此區域加強。

圖12 邊坡加固措施云圖分析Fig.12 Cloud chart analysis of slope reinforcement measures

4 臨滑智能監測預警

結合數值模擬結果和現場對監測點的分布設計提供依據,為重點監測區設置滑動力監測點,該系統不但具有監測預警功能,還具有加固和控制功能,實時監測滑坡體深部巖土體力學特征,再加之氣象水文等輔助監測系統,全面保障邊坡的安全與穩定。

2021年8月監測點設備安裝調試完成,開始采集數據并生成動態力學變化曲線。可以通過曲線了解邊坡的實時狀態和穩定性(圖13)。監測曲線最初呈現下降態勢,主要原因是監測點現場張拉初始預應力高,使表層土體處于高壓狀態,土體被擠壓且緩慢發生蠕動變形,導致出現下降趨勢。之后滑動力監測數據呈現穩定狀態,表現出該監測點區域內真實應力水平。數據顯示滑動力的變化值都在均值上下變化,說明邊坡內力基本保持不變,處于穩定狀態。

圖13 NPR監測點數據曲線Fig.13 NPR monitoring point curve

2022年1月高速邊坡NPR-3號邊坡監測點滑動力開始緩慢增加,且出現突增現象,但滑動力突增量沒有達到預警閾值(200 kN),監測系統沒有發出相應的預警信息。通過現場地質調查發現,在3號監測點監測范圍內,坡體表面被雨水長期沖刷出現土體流失,并且沖溝明顯可見,在框架梁下覆土體被雨水沖刷帶走,形成長度大約1 m,最大寬度0.3 m的空腔。框架梁最脆弱的施工縫處發生錯動,裂縫寬度大約有0.6 cm左右,錯動距離大約有0.3 cm(圖14)。

圖14 一體化監測點布設平面圖Fig.14 Layout plan of integrated monitoring points

由圖15滑動力監測曲線整體趨勢,其曲線走勢和裂縫模式高度吻合,即監測曲線突增表示該地區地表出現裂縫。從滑動力監測曲線中可以看出,滑動力隨降雨量呈現動態響應?；瑒恿?70 kN突增至190 kN,現場調查該監測點框架梁發生裂縫,坡面被雨水沖刷嚴重,且上部框架梁的下覆土體形成沖溝。滑動力持續緩慢增長,日降雨量最大達到70 mm/d,對應滑動力監測曲線也呈現動態響應?；瑒恿χ祻?00 kN突增至215 kN,坡體表面土體呈“舌頭”狀態已覆蓋在框架梁上部。

圖15 現場破壞圖Fig.15 Field damage map

5 結論

(1)邊坡失穩的關鍵因素是降雨,以新豐段大廣高速邊坡為例,發現滑動面露頭處呈“后緣張拉V形裂縫、舌部擠壓隆起變形”為主的破壞模式,坡面以蠕滑變形為主的破壞模式。在降雨條件下,雨水以一定速率從邊坡表面入滲,雨水入滲導致裂縫水壓力增大,且水的作用使土體黏聚力降低,對邊坡穩定性造成影響。

(2)以新豐段大廣高速邊坡為例,數值模擬軟件模擬了極端降雨條件下邊坡穩定性的變化規律,該邊坡的滑動面在距地表14 m處,最大位移變化區域在二級邊坡坡面處,并在此處采用“耦合錨索框架梁+抗滑樁”的支護方式,坡體Z方向最大變形量僅為9 mm,滿足邊坡控制要求。

(3)在新豐段邊坡上建立了公路邊坡滑動力綜合在線安全監測預警系統,揭示了滑動力隨降雨量的動態響應規律,監測數據顯示隨著降雨增大,深部滑動力發生突增,邊坡變形,主要破壞形式包含框架梁開裂、坡面巖土體呈“舌”狀破壞,為類似公路高邊坡的安全監測和變形機理研究奠定了理論和實踐基礎。