公路軟土路基邊坡在河流沖刷作用下的穩定性研究

0 引言

河流邊坡的穩定性直接影響河道的正常運行，并對其附近建筑、公路工程帶來直接影響。然而，隨著水流的持續作用，尤其是水位波動加大和流速加快，河水對邊坡的沖刷作用會加劇。尤其在軟土地區，由于軟土具有高含水量、低強度和較大變形的特性，這種沖刷作用使得邊坡的穩定性進一步復雜化[1-2]。

周先強[3]通過實際工程案例，對比分析了深基坑及外圍河道支護的不同設計方案，探討了支護結構的安全性、經濟性和施工可行性，并結合地質條件、周邊環境等因素提出了優化建議。張巖[4等人研究了不同丁壩長度的彎道內流速分布、水流結構及沖刷特性，揭示了丁壩長度對水流流態和河床變形的調控作用，指出丁壩長度變化影響彎道水流能量耗散和沖刷模式。本文在上述研究的基礎上，進一步研究有無河流沖刷對路基邊坡幾何形態和塑性應變的影響，利用有限元模擬方法建立模型并揭示其相互作用機制，并提出適用于河流沖刷與軟土路基耦合條件下的邊坡變形監測和評估方法。

1工程概況

1.1工程基本情況

浙江沿海地區某公路工程的一段路基邊坡與河道相連，該段路基邊坡工程關系到周邊設施與附近居民的安全，在區域規劃和使用功能中占據重要地位。該段路基邊坡工程整體呈現長條形，長約 55m ，寬約 10.7m ，高度在3.7～7.4m之間。其中高陡邊坡段落長度為13.1m，緩坡段落長度為 20.3m. 。該路基邊坡局部沖溝發育明顯，深度為 2.5m? 、寬度為4m，呈南北走向，在雨季匯集、排泄地表水并沖刷侵蝕坡面，近坡底處有倒坡現象，穩定性很差。

1.2地質與水文情況

該段路基邊坡施工區域的地質情況如下：淤泥質黏土層厚度約為 8m ，承載力約為80kPa，滲透系數約為0.001m/d ，其壓縮性較高、透水性較低。淤泥質黏土層下面為凝灰巖，其強風化層厚約 4m ，滲透系數約為0.05m/d ，屬弱透水層，基巖微等透水。施工區域地震基本烈度為VI度，存在地質災害風險。

該段路基邊坡施工區域所在的浙江沿海地區屬于季風氣候，年均降水量約為 1500mm ，5～9月梅雨季和臺風季的降雨集中。施工區域以孔隙水為主，埋深約為5m，高水位易致邊坡失穩，且孔隙水會侵蝕巖土體，降低其強度和穩定性。

2建立有限元模型

2.1模型簡化與參數取值

根據該段路基邊坡勘察得到的實際工況，以及對彎道河流沖刷的數值模擬分析結果得出，河流彎道下游凹形岸一側河流出彎會對路堤底部產生沖刷作用。這種沖刷作用，對于軟土路基邊坡的變形具有重要影響。基于此，選取該公路有砌石護坡的路基邊坡建立有限元模型。

首先，將該模型簡化為3層土體，分別為路基人工填土、地基灰黏土及河床粗砂。其中，土體的本構模型選用莫爾-庫倫模型（MohrCoulombModel）；將砌石護坡視為彈性材料，其彈性模量為 32.5GPε 。為了與無任何防護措施條件下的模型分析結果進行對比，路基邊坡模型尺寸需保持一致，其高 × 寬為 30m×40m ；路堤頂部與河床豎向距離為 8m ，路堤坡度tan0為1.0，砌石護坡的寬度為 2m ，下設基礎的寬 × 高為 2m×3m 。路基各層土體物理性質參數如表1所示。在砌石護坡防護下的路基邊坡簡化模型如圖1所示。

表1路基各層土體基本物理性質參數

圖1路基邊坡簡化模型

2.2有限元模擬方法

根據路基邊坡簡化模型建立有限元模型，模型邊界條件為限制模型兩側的水平位移和底部水平和豎向兩個方向的位移。各部件均采用二維實體單元來模擬，土體和砌石護坡的網格單元類型均采用四節差值的15節點三角形單元進行劃分。砌石護坡和土體之間的接觸類型設置為“surfacetosurface”，根據默認條件設置法向接觸，并選擇切向模型為“penalty函數”，摩擦系數取值0.6。

不考慮河流沖刷作用對堤岸坡腳的影響時，僅模擬洪水條件下河流水位驟升工況，將河流水深分別取值為2m和4m進行模擬計算，對其進行路基邊坡穩定性分析。考慮河流沖刷作用對堤岸坡腳的影響時，當河流水深分別取值為2m和 4m 后，在路堤底部的河床區域進行局部開挖。根據彎道河流沖刷的數值進行模擬，其結果顯示最大沖刷坑所在橫斷面的橫比降為 0.225～0.331 ，模擬河流沖刷作用在岸邊河床形成坡度為1：3的沖刷坑。將兩種工況對應的堤岸坡腳最大沖刷量分別設置為0m、0.5m、1.5m、2.5和 3m ，在對河床進行開挖處理之后進行路基邊坡穩定性分析。兩種工況對坡腳最大沖刷量的設置如表2所示。

表2兩種工況對坡腳最大沖刷量的設置

3路基邊坡穩定性研究

3.1邊坡穩定性機理分析

3.1.1 邊坡穩定性評價標準

本文引入邊坡穩定安全系數 F_st 和邊坡穩定性系數F_s 的概念。根據GB50330—2013《建筑邊坡工程技術規范》和JTGD30—2015《公路路基設計規范》相關規定，永久性邊坡一般工況的邊坡穩定安全系數 F_st 按照邊坡工程安全等級劃分，其中一級為1.35，二級為1.30，三級為1.25。對地質條件很復雜或破壞后果極嚴重的邊坡工程，其穩定安全系數應適當提高。

邊坡穩定性狀態分為不穩定、欠穩定、基本穩定和穩定4種狀態： F_slt;1.00 為邊坡不穩定， 1.00?F_slt; 1.05為邊坡欠穩定， 1.05?F_sst 為邊坡基本穩定，F_s?F_st 為邊坡穩定。本文公路工程案例的路基邊坡穩定性系數 F_s 按 F_s?F_st 設計計算。

3.1.2無沖刷作用下的邊坡穩定性

在研究路基邊坡穩定性時，首先分析在砌石護坡防護狀態下無沖刷作用即沖刷深度為 0m 、河流水深分別為2m和 4m 時，邊坡的穩定性情況。通過數值模擬和監測點的水平位移監測數據，發現在不同水深條件下，路基邊坡監測點的水平位移量隨著邊坡穩定性系數的變化呈現出明顯的規律性。無沖刷作用的邊坡穩定性系數與水平位移量的關系如圖2所示。

圖2無沖刷作用下的邊坡穩定性系數與水平位移量的關系

由圖2可知，監測點水平位移曲線在某一臨界點處出現了較為明顯的拐點，這一拐點的出現標志著邊坡水平位移量的增加，也就是邊坡從穩定狀態向不穩定狀態轉變。當初始水深為 2m 時，路基邊坡穩定性系數為2.08；而當初始水深增加到4m時，邊坡穩定性系數提高到3.02。這表明隨著水深的增加，邊坡穩定性系數呈非線性增長，增長幅度分別為 15.44% 和 22.56% 。這種非線性增長反映了水深的增加提高了邊坡的穩定性，但這種提高為非線性關系，而是隨著水深的逐步增加而逐漸增強。

3.1.3有沖刷作用下的邊坡穩定性

在水位上漲至 4m 、最大沖刷量為3m時，得出該工況下邊坡穩定性系數隨著監測點位移變化規律曲線。有沖刷作用下的邊坡穩定性系數與水平位移量的關系如圖3所示。由圖3可知，隨著邊坡穩定性系數的逐漸增大，水平位移量也會逐漸上升，且上升趨勢越來越明顯。當初始水深為3.0m時，邊坡穩定性系數為1.62；當邊坡穩定性系數大于1.62時，水平位移量的變化逐漸顯著。

圖3有沖刷作用下的邊坡穩定性系數與水平位移量的關系

3.2邊坡塑性應變分析

在水位上漲至 4m 時，在無沖刷作用的條件下，邊坡在整個過程中幾乎沒有明顯的塑性應變，潛在危險主要集中在堤岸與河床交界處。然而，當引入沖刷作用時，潛在危險區域主要出現在沖刷坑底部，并逐漸向邊坡內部延伸。隨著沖刷深度的增加，沖刷坑底部的塑性區域范圍會逐漸擴大，并向邊坡的頂部和底部延伸。

這種現象主要是由于沖刷作用造成邊坡塑性區域發生變形，進而導致滑動趨勢和拉張裂縫。研究表明，沖刷作用顯著增加了邊坡尤其是坡腳處的滲透流速，使得邊坡的水平位移量明顯增加，且越靠近坡腳位移增加的幅度越大。此外，沖刷作用還擴大了邊坡與河床的塑性區范圍。水位上漲到4m時，有／無河流沖刷作用下的邊坡塑性應變云圖如圖4所示。

圖4有/無河流沖刷作用下的邊坡塑性應變云圖

4路基邊坡穩定性監測與評估方法

4.1 監測技術選型

多源監測數據能夠提供全面的邊坡變形信息，結合不同傳感器技術，能夠實時、準確地監測河流沖刷與軟土耦合作用下的邊坡穩定狀態。目前引用較為廣泛的監測方法有GNSS（全球導航衛星系統）監測、InSAR（合成孔徑雷達干涉技術）、FOG光纖傳感技術和GPR地質雷達等。這些監測技術可提供大范圍的高分辨率地面變形監測，尤其是在在浙江某公路邊坡分布廣泛且難以靠近的復雜地形條件下，可實現對整個路段的全面監測，能捕捉到微小的邊坡變形。對于水流變化可導致邊坡長期變形或突發滑坡的軟土邊坡，可實時捕捉其變形的動態過程，為穩定性評估提供持續性的數據支持。

4.2建立穩定性評估體系

采用選擇的監測技術及其設備，實時采集邊坡位移、應變、地下水位等數據，將其作為邊坡穩定性評估的輸入數據。結合降水量、氣溫等實際氣候數據，對邊坡的外部環境條件進行動態調整。通過數值模擬計算邊坡的安全系數和變形模式，并結合現場監測數據，動態更新邊坡穩定性評估指標。這些評估指標包括邊坡的位移、應變、剪切強度、流體侵蝕深度等。當邊坡穩定性指標達到預警閾值時，自動發出預警信號，提示可能發生的邊坡失穩或滑坡等地質災害，為應急響應提供決策支持。

5結束語

本文通過現場調研和數值模擬，研究了河流沖刷與軟土耦合條件下的邊坡變形和演變機理，探究了不同初始水深條件下的路基邊坡特征點水平位移隨安全系數的變化規律，對整個過程的作用機理進行了對比分析，并提出了邊坡變形監測與穩定性評估方法。研究結果表明，河流沖刷與軟土變形相互作用顯著加劇了邊坡、尤其是水位變化頻繁區域的不穩定性。該研究成果為河流沿岸工程的設計、施工和災害防治提供了科學依據，具有重要的理論意義和應用價值。未來研究可進一步優化監測技術，繼續探索多因素耦合下的邊坡變形機制，提升預測精度和防治效果，為類似工程提供參考和借鑒。

參考文獻

[1]陳洪凱，唐紅梅.四川境內公路水毀的基本特征及防治問題探討[J].重慶交通大學學報（自然科學版），1994，13（S1）：103-107.

[2]錢寧，萬兆慧.泥沙運動力學[M].北京：科學出版社，2003.

[3]周先強.深基坑及外圍河道支護設計方案比選實例[J].福建建材，2022（6）：72-74，90.

[4]張巖，吳伊平，崔鵬義，等.丁壩長度對彎道水力特性影響的數值模擬研究[J].水資源與水工程學報，2019，30（1）：164-170.