水力環境變化對公路邊坡穩定性的影響分析

文章以廣西賀州至巴馬高速公路某滑坡處的危險截面為工程背景，采用GEOSTUDIO軟件分析在兩種滑帶土干密度下滑帶土飽和度、地下水位變化和暴雨入滲三種水力環境對含兩層滑帶土邊坡穩定性的影響。結果表明：滑帶土的飽和度和干密度變化會顯著影響邊坡穩定性，飽和度增加導致安全系數下降，次滑面的安全系數始終小于主滑面，更容易出現淺層滑動；在滑帶干密度較大時，隨著地下水位的升高，主滑面的安全系數呈現下降趨勢，而在滑帶干密度較小時，次滑面的安全系數更容易受地下水位的影響，邊坡表現為淺層或整體破壞模式；強降雨對邊坡穩定性影響較小，呈現出對降雨不敏感的特征，邊坡整體變形和降雨入滲影響范圍有限。

公路邊坡；水力環境變化；邊坡穩定性；滑帶土

U416.1+4A210654

作者簡介：

李聲虎（1989—），工程師，主要從事公路建設和投資相關管理工作。

0" 引言

隨著我國西部大開發戰略的實施，西部地區的公路建設越來越多［1-2］，由于這些地區境內山嶺連綿且強降雨天氣頻發，將不可避免地對公路的建設和運營帶來困難［3］，因此研究水力環境變化對公路邊坡影響很有必要。

影響公路邊坡穩定性因素主要包括地質條件［4］、地形地貌［5］以及降雨和水文條件［6］，復雜的地形地貌和強降雨極易導致邊坡失穩，眾多學者對此進行了研究。劉劍等［7］采用有限差分強度折減法研究公路邊坡穩定性，對比研究分析了坡高、坡角、巖體粘聚力和內摩擦角對穩定性影響，發現相同坡高和坡角時，邊坡穩定系數隨著粘聚力增加呈近似線性增加，而邊坡安全系數隨坡體巖體內摩擦角的增加，近似呈指數增加。童立［8］研究了不同雨型降雨入滲下夾層滲透性相對強弱不同的公路邊坡的基質吸力分布，發現在降雨初期，基質吸力隨時間逐漸減小；降雨后期，前峰型和中峰型降雨下的基質吸力出現增加，降雨停止后，各雨型下的基質吸力均逐漸回升。潘榮建等［9］以廣西某高速公路邊坡為例，研究含水率變化及降雨入滲對邊坡穩定性的影響，發現夾層軟巖強度參數與含水率呈近似負指數關系。

本文以廣西賀州至巴馬高速公路某滑坡處的危險截面為研究對象，根據地勘資料建立計算模型，分別研究滑帶土飽和度、地下水位變化和暴雨入滲三種水力環境變化對含有兩層滑帶土邊坡穩定性的影響，為西部地區公路邊坡穩定性評估和加固提供參考。

1" 工程概況

氣候條件：滑坡地處廣西中部大瑤山主體山脈，屬南亞熱帶季風氣候區，季節性變化明顯，陰雨天多、日照少、濕度大，夏季多雨，冬季少雨。

地質條件：滑坡場地由第四系、滑坡堆積層和泥盆系下新統蓮花山組地層組成，滑帶土為粉質黏土夾礫石，厚度為1.80～9.30 m。

地下水條件：坡區域內地下水主要為孔隙水和基巖裂隙水，孔隙水受降水和地表水補給，向低處排泄，受氣候影響大。基巖裂隙水在重力作用下由高到低處流動，部分沿裂隙、軟弱土層和滑帶徑流。

2" 邊坡模型及材料參數

2.1" 邊坡分析模型

采用GEOSTUDIO軟件建立邊坡有限元模型，使用Morgenstern-Price［10-11］法進行模型穩定性分析，如圖1所示。模型左側高262 m，右側高66 m，水平寬度為1 172.5 m，全局單元尺寸設置為8 m，將兩條滑帶處的網格進行細化，尺寸設置為3 m。邊坡土性整體可分為四種土，分別為邊坡表面殘坡積土、兩層滑體土、兩層滑帶土和作為滑床的中風化泥質砂巖，按沿地表從上到下的順序，依次為殘坡積土、滑體土、滑帶土、滑體土、滑帶土和中風化泥質砂巖。該邊坡存在兩條滑帶，對于長度較長、位于兩條滑面下方的滑帶，稱為主滑帶，其對應的滑面稱為主滑面；另一條滑帶稱為次滑帶，其對應的滑面稱為次滑面。

（a）地質斷面

（b）簡化計算模型

（c）模型網格劃分

2.2" 材料參數

土層材料參數取值依據相關地勘資料，見表1。由地勘資料可知，滑帶土的干密度為0.99～1.69 g/cm3。考慮到現場滑帶土最大含水率為48%，且滑帶埋深大多≤30 m，只有在接近70 m最大埋深處才可能達到地勘結果中的較大干密度，故選取了兩種典型干密度1.20 g/cm3和1.35 g/cm3的滑帶土，見表2。

水力環境變化對公路邊坡穩定性的影響分析/李聲虎，邵" 羽，韋超俊，陳" 川

3" 水力環境變化對邊坡穩定性的影響

3.1" 滑帶土飽和度變化對邊坡穩定性的影響

如圖2所示為在不同初始飽和度下，干密度分別為1.20 g/cm3和1.35 g/cm3的主次滑帶的滑坡安全系數。在初始飽和度和強度參數變化的過程中，邊坡的臨界滑動面發生了變化，共產生了6種滑動面（見圖3），古滑坡的滑動模式如表3所示。

當滑帶干密度為1.35 g/cm3時，由圖2、圖3和表3可知，隨著滑帶飽和度增加，主滑面安全系數略有下降，而次滑面安全系數在計算過程中不變，滑動面模式也未改變。主滑面對應滑動模式F，該滑動模式主體部分大多處于滑體土中，這是因為在1.35 g/cm3干密度下滑帶土的長期強度比滑體土更大造成的，而滑坡后緣處于主滑帶中，受主滑帶控制，故在滑帶飽和度提高導致強度劣化的過程中，安全系數呈現極小的降低趨勢。次滑面對應滑動模式E，同樣因為強度方面的原因，滑面完全位于滑體土和表層殘坡積土中，表現為淺層破壞模式，由于滑帶模式與次滑面未相交，故在穩定性分析中安全系數不變。

當滑帶干密度取1.20 g/cm3時，不論是主滑面還是次滑面，其安全系數都呈現較大幅度的下降。在滑帶飽和度由25%提高到100%的過程中，主滑面對應安全系數下降28.3%，次滑面則下降29.8%，且滑動模式也產生了一定程度的改變。當主滑面在滑帶飽和度為25%和45%時，滑動模式與干密度1.35 g/cm3時相同，對應滑動模式F，受滑帶影響較小，表明此時滑帶強度偏大，不是古滑坡的最危險區域。當主滑帶飽和度達到65%時，滑動模式轉化為模式D，該模式相比模式F而言，滑坡前緣部分區域不再與主滑帶近似相切，而轉為受主滑帶控制，表明隨著滑帶飽和度提升，滑帶在邊坡穩定中占據了更重要的位置。當滑帶飽和度繼續上升，達到85%和100%時，滑動模式繼續轉化，表現為滑動模式B，此時主滑面對應的邊坡臨界滑動面，幾乎完全和主滑帶重合，滑帶成為古滑坡的軟弱控制土層。

對于滑帶土干密度為1.20 g/cm3的次滑面，即滑帶在滑動模式中占據的區域隨飽和度上升而增大。當滑帶飽和度為25%時，滑動模式與干密度1.35 g/cm3時相同，臨界滑動面與次滑帶近似相切，滑帶不影響邊坡的安全系數。當滑帶飽和度升高至45%和65%時，臨界滑動面轉變為滑動模式C，相比于原滑動模式E，其底部位于次滑帶中，滑帶開始影響邊坡的穩定性，且滑坡前緣有所前移，滑動范圍增大。隨著滑帶飽和度進一步提高，當飽和度為85%和100%時，次滑面對應的臨界滑動面轉化為滑動模式A，與主滑面情形類似，此時除滑坡后緣一小段外，其余部分均位于次滑帶中，因而滑帶成為古滑坡穩定性的控制因素。

綜上可知，次滑面安全系數仍小于主滑面，邊坡發生深層整體滑動幾率小于淺層滑動。

3.2" 地下水位變化對邊坡穩定性的影響

為便于分析地下水因素的影響，假定滑帶的強度參數為飽和狀態，并在計算中保持不變。在實際計算中，發現地下水高程＞362 m后，部分滑帶開始低于地下水位，相關范圍隨著地下水的升高不斷增大，對邊坡穩定性影響也加大，故選取372 m、382 m、392 m、402 m、412 m和422 m六種地下水高程開展穩定性分析。地下水高程與古滑坡安全系數關系曲線的計算結果如圖4所示，部分滑動模式與圖3所展示相同，新增的5種滑動模式如圖5所示，不同情況下古滑坡滑動模式如表4所示。

由圖4、圖5和表4可知，當滑帶干密度為1.35 g/cm3時，在地下水高程從362 m升至382 m的過程中，安全系數幾乎沒有變化，水位高程＞382 m后，才表現出了較明顯的下降趨勢，其中主滑面安全系數下降14.1%，次滑面安全系數下降16.6%，且滑動面也發生了變化。對主滑面而言，當水位高程為372 m和382 m時，對應滑動模式K。當水位高程達到392 m和402 m時，臨界滑動面轉為滑動模式I。當水位繼續升高時，滑動面又轉回模式K，這是因為此時古滑坡坡腳已形成徑流，沿坡腳滑動更危險。對于次滑面，當水位＜392 m時，呈現的滑動面為滑動模式E，與次滑面不相交；水位≥392 m后，臨界滑動面表現為滑動模式J的狀態，滑面底部已延伸至主滑帶附近，但因滑帶強度較大而并不相交。計算中次滑面的安全系數較小，所以在干密度為1.35 g/cm3時，邊坡的最危險情況為發生局部破壞，但受地下水影響，滑動面向古滑坡深部發展，范圍有所擴大。

當滑帶干密度為1.20 g/cm3時，主滑面安全系數一直呈現下降趨勢，降幅為18.1%。次滑面安全系數先近似不變，之后才開始下降，下降11.2%，且滑動模式也幾乎不改變。對主滑面而言，地下水位上升過程中滑動面不發生變化，始終表現為滑動模式B，幾乎完全位于主滑帶中，這是由于該干密度下滑帶土強度較弱，相比其他土層，成為了邊坡的軟弱帶，而水位上升使滲流作用增強，邊坡下滑力增大，安全系數減小。對于次滑面，在水位高程＞402 m前，對應滑動模式A，臨界滑動面主體處于次滑帶中，且由于當水位高程為372 m和382 m時，地下水位在次滑帶以下，幾乎不影響安全系數，當地下水高程＞382 m后，滑坡前緣地下水位高于次滑帶，古滑坡穩定性才有所下降。當水位高程達到412 m時，滑動面轉變為滑動模式G。當地下水位繼續升高，當水位高程達到422 m時，滑動面轉變為滑動模式H。

綜合可知，當地下水高程＜402 m時，次滑面安全系數較小，邊坡表現為淺層破壞，當地下水高程≥402 m后，主滑面安全系數更小，邊坡呈現整體破壞模式。

3.3" 暴雨入滲對邊坡穩定性的影響

根據《降水量等級》（GB/T 28592-2012）規范［12］，采用屬大暴雨范疇的降雨強度，以驗證暴雨入滲對邊坡穩定性影響。選取降雨強度為110 mm/d，降雨參數如表5所示。

降雨期間古滑坡安全系數變化曲線如圖6所示，呈現緩慢下降趨勢，表現出對降雨不敏感的特征。計算過程中未發生滑動模式的改變和新滑動面的產生，滑動模式及降雨結束后安全系數的降幅如表6所示。降雨過程中，基于次滑面的邊坡安全性始終小于主滑面，邊坡表現出淺層破壞模式。

為進一步研究降雨對邊坡的影響，選取滑帶干密度為1.20 g/cm3的計算結果，分析降雨后邊坡飽和度和位移變化，如圖7所示。由圖7（a）可知，降雨結束后邊坡表面飽和度提高，與邊坡深層存在一定差異，體現了降雨入滲影響，但入滲范圍較小。兩條滑帶的飽和度高于相鄰土層，表明滑帶起了隔水層作用。從圖7（b）可知，在降雨7 d后，滑帶左側外露處、殘坡積土左側和坡腳段的位移相對其他區域更大，但邊坡的整體位移并不大，最大位移僅為1.6 cm。

選取主滑帶左側外露處特征點1和右側坡腳處特征點2，獲得基質吸力變化如圖8（a）所示；選取主滑帶左側外露處特征點3、次滑帶左側外露處特征點4、殘坡積土左側特征點5和右側坡腳處特征點6，獲得位移變化如圖8（b）所示。

由圖8可知，特征點1土體的基質吸力在降雨第一天從-400 kPa快速上升到-160 kPa左右，然后增速放緩，在降雨7 d后達到-120 kPa左右。特征點2的吸力也表現出上升趨勢，但上升較為平緩，在降雨第6 d基本歸零，之后孔隙水壓力轉為正值，這是因為此時坡腳特征點2處形成了小范圍積水，見后頁圖9。特征點3、4、6位移變化趨勢一致，在位移增大過程中，增速有所放緩，而特征點5雖也表現為位移增加，但其變化曲線類似于“S”形，四個特征點產生的位移介于6～14 mm，降雨并未使邊坡產生足夠破壞的位移。

結合降雨期間古滑坡飽和度及位移計算結果，可知在110 mm/d的強降雨持續作用下，邊坡變形和降雨入滲影響范圍并不大。

4" 結語

通過分析邊坡模型在不同滑帶土飽和度、地下水位和暴雨三種水力環境下的安全系數，可得到以下結論和建議：

（1）滑帶土的飽和度和干密度變化對邊坡穩定性有顯著影響，飽和度增加會導致邊坡安全系數下降，尤其是次滑面的安全系數更易受影響，從而增加了淺層滑動的可能性。

（2）地下水位的變化在一定程度上影響邊坡的穩定性，尤其是當地下水位超過一定高程后，邊坡的安全系數明顯下降，且滑動面范圍有所擴大。

（3）強降雨對邊坡穩定性影響相對較小，表現出對降雨不敏感的特征，邊坡整體變形和降雨入滲影響范圍有限。

綜上所述，公路邊坡穩定性受水力環境變化影響較大，尤其是滑帶土的飽和度和地下水位的變化對邊坡穩定性影響最為顯著。因此，在公路邊坡的設計、施工和運營中，應該充分考慮水力環境因素，采取相應的措施和加固方案，以確保邊坡的安全穩定。

［1］吳凱峰，鄭志勇，余海兵.基于應變軟化特征的含軟弱層公路邊坡穩定性研究［J］.地質科技情報，2019（38）：150-156.

［2］陳特特，謝廷宇.西部陸海新通道推動西部地區經濟開放發展的作用機理及其實現路徑［J］.學術論壇，2023（46）：103-112.

［3］陳" 馳，李" 穎.公路邊坡穩定性分析及加固措施設計研究［J］.交通科技與管理，2024（5）：64-66.

［4］劉闖輝.復雜地質條件下山區公路邊坡穩定性評價及加固方法研究［J］.工程與建設，2023（37）：205-208.

［5］朱澤奇，胡琪堂，龔擎玉，等.基于深部位移曲線特征的公路邊坡穩定性評價方法研究［J］.公路，2019（64）：13-19.

［6］陳華川.降雨作用下高速公路邊坡穩定性分析［J］.四川建筑，2022（42）：241-242.

［7］劉" 劍，劉成安，周" 彤，等.基于強度折減法的公路邊坡穩定性分析［J］.公路，2024（69）：75-80.

［8］童" 立.降雨條件下含夾層公路邊坡滲流特性分析［J］.公路，2021（66）：37-42.

［9］潘榮建，鐘啟鋒，劉先林，等.水力環境變化條件下夾軟巖順層邊坡穩定性分析［J］.中外公路，2023（43）：9-13.

［10］楊建民，張" 正，陳凱強.土坡穩定分析Morgenstern-Price法的有效應力形式［J］.工業建筑，2019（49）：117-23，29.

［11］龍泊含，雍" 睿，鐘" 振，等.基于改進Morgenstern-Price法的露天礦山邊坡穩定性分析［J］.采礦與巖層控制工程學報，2023（5）：82-90.

［12］GB/T 28592-2012，降水量等級［S］.

20240316