降雨入渗和地下水渗流对边坡稳定性的影响分析

■傅洪金（福建省交通规划设计院，福州350004）



降雨入渗和地下水渗流对边坡稳定性的影响分析

■傅洪金
（福建省交通规划设计院，福州350004）

本文在收集福建省有关公路边坡的工程勘察、设计、施工等有关资料的基础上，通过对福建省几个典型案例的边坡失稳原因进行分析和总结，分析了斜坡上发育有透水性较强的土层时降雨入渗和地下水渗流对边坡稳定性的影响，特别是线路位于坡脚、近坡脚地段的坡积裙、洪积扇地貌区。深入研究了边坡在持续降雨作用下地下水的渗流场、饱水增载效应、软化作用和浮托作用及潜蚀作用等，并系统地论述了在持续降雨作用下边坡稳定性的有关计算公式。

边坡渗流地下水透水性稳定性分析

1引言

边坡病害在工程建设中普遍存在，并伴随着矿产开采、山区道路的发展而日益严重。近年来，随着我国高速公路、高速铁路等大规模工程建设的开展，我国对边坡的失稳机理和控制技术的研究也取得显著的成就。

众所周知，影响边坡稳定的因素很多，包括地形、地层结构、地质构造、结构面特征、地下水特征和降雨、人为工程活动等，其中降雨和地下水的作用越来越为人们所重视。笔者在收集、分析福建省山区高速公路边坡失稳案例时发现，斜坡上透水性差的粘性土或全风化岩层的上部发育有坡（洪）积碎石、碎石类混合土等透水性较好的岩土层时，边坡失稳的概率就明显较高，著名的福建省浦南高速公路金斗山滑坡就是其中的典型案例。这些案例表明，在边坡施工、运营过程中，降雨和地下水对边坡的影响在不同阶段呈现出不同的作用方式。为此，笔者根据福建省高速公路建设中的几个典型案例，分析、研究斜坡上发育有透水性相对较好的岩土层时，降雨和地下水对边坡稳定的作用机理。

2理论分析

2.1降雨入渗过程和地下水运动

降雨入渗过程其实是入渗后的水体在非饱和土体中的运动过程，即水在入渗后替换土中空气的过程。降雨入渗可分两个阶段：开始阶段降雨入渗速度大于降雨强度，地表未出现积水，属于无压入渗；随着入渗作用的深入，含水梯度不断减小，入渗率不断降低，当降雨入渗速度小于降雨强度时，地表出现了积水或径流，开始呈现有压入渗［1］。

地下水运动的主要形式是重力作用下的渗流和毛细力作用下的升降运动。其中毛细水对工程的影响主要是毛细水上升后增加了地下潜水面上部毛细上升带土体的重度，对边坡稳定性影响甚微，一般可予以忽略。所以，边坡稳定分析主要考虑地下水的渗流作用。

2.2斜坡地下水的渗流作用

在福建山区近山坡脚地段，特别是坡积群、洪积扇地貌区，斜坡上一般发育有一层碎石、含黏土碎石等透水性较好的土层，部分上部覆盖有相对隔水层的粘性土，部分则裸露于地表，其下部一般为透水层明显较差的残（坡）积粘性土，图1为典型的横向剖面图。

从图1可看出，斜坡含水层一般在山坡的中、上部接受大气降雨的补给，地下水顺山坡往坡脚方向径流，向当地沟谷呈泉形式排泄，或者向沟谷地表水排泄。在自然状态下，地下水在山坡的中、上部一般为潜水，而在下部的坡脚地带一般具有承压性。

图1　典型斜坡横向剖面图

在边坡施工开挖前，由于坡脚地带缓坡的阻滞作用，即使在持续强降雨作用下，地下水位的抬升导致整个地下含水层饱和，但地下水的总体流速提高不大，渗流作用的增强有限。

而在边坡施工开挖后，由于地下水含水层被开挖后裸露于坡面上，地下水直接从坡面上渗流出来，地下水径流途径变短、水交替明显加强，持续降雨后地下水的实际流速就明显加大，渗流作用就将明显增强。

对于如图1所示的岩土结构，在持续强降雨作用下，斜坡上的地下水对边坡稳定性的影响一般包括了以下几个方面：

（1）饱水加载效应：含水层（带）的土体汲水饱和，导致土体重度增大。持续降雨，长时间的降雨入渗，将使得整个含水层（带）的土体均处于饱和状态；所以，进行持续降雨影响下的边坡稳定性分析时，含水层（带）的土体应按饱和状态计算其重量。

（2）软化作用：在持续降雨作用下，透水性较好的土层饱水，对下部相对隔水层土体的表层产生润滑和软化作用，导致含水层（带）土体与下部隔水土层的接触带抗剪强度明显降低。所以，持续降雨影响下的边坡稳定性分析，含水层（带）土体与下部隔水土层的接触带应采用下部隔水土层的饱和抗剪强度进行边坡稳定性的计算。

（3）渗流作用：由于边坡开挖导致水交替明显增强，持续降雨后地下水的实际流速就明显加大，地下水的渗流作用将有较大幅度的提高。所以，在进行持续降雨影响下的边坡稳定性分析，不能采用边坡开挖前地下水水位的观测成果进行地下水渗流场计算，而应该采用考虑边坡后坡面含水层揭露后泄流、在持续降雨作用下的地下水水力梯度进行地下水渗流场计算。上部边界应算至含水层补给区，下方应算至边坡渗流口。

（4）潜蚀作用：因边坡开挖导致水交替明显加强，如果边坡防护不合理，地下水的潜蚀作用将随时间而明显增强。长期让地下水直接从坡面上渗流出来，地下水含水层中的细小颗粒将随地下水的渗流而流失，从而导致土体变松，甚至产生管涌，坡面上的含水层与下部相对隔水土层的接触带产生流土，并使得含水层渗透性增强、接触带抗剪强度进一步降低，降雨后的地下水流速进一步加大，地下水的渗流作用随之进一步增强。所以，对于边坡工程，考虑边坡工程的长久性，应当考虑地下水的潜蚀作用对边坡长期稳定性的影响，视具体情况加大对安全稳定系数的要求。地下水的潜蚀作用与含水层的结构、颗粒组成和边坡地下水的水力梯度有关。当地下水渗流中的水力梯度（I）大于土层的临界水力梯度（I0）时，就会发生潜蚀作用，其中土层的临界水力梯度（I0）一般与土层的结构、颗粒组成有关；土层的不均匀系数越大，越易产生潜蚀作用。

（5）浮托作用：当斜坡发育有承压含水层时，地下水对上部透水性差的土层具有浮托作用。对于可能的滑动带上部发育有承压含水层时，必须考虑承压水对土体的浮托作用。

2.3流固耦合计算原理

持续降雨导致边坡坡体产生较强的渗流场，而边坡上的土体在自重和其他荷重作用下产生了应力场，两者在边坡上是相互联系和相互作用的。所以，边坡稳定性分析时应将两者统一地进行研究，即所谓的“流体-固体耦合”计算，简称流固耦合计算。

现在流固耦合计算一般采用三维快速拉格朗日法，该方法是一种基于三维显式有限差分法的数值分析方法。对于地下水的渗流作用，边坡稳定性分析时一般可简化为异向同性的多孔介质中的单相渗流，地下水的渗透可认为符合达西（Darcy）定律。

对于图1所示的斜坡岩土结构，边坡将很有可能在持续降雨作用下沿含水层底面失稳。这时，边坡稳定性分析应采用完全饱和的土体流固耦合计算。以下是使用有限差分法计算的几个主要方程。

（1）平衡方程

对于小变形，流体质点的平衡方程为：

（1）

式中，qi，i为渗透速度（m/s），qv是被测体积的流体源速度；ζ为单位体积孔隙介质的流体变化量；t为渗流时间（s）。

（2）运动方程

qi=k（ρjxjgj-p）

（2）

式中，k为渗流系数（m2/Pa·s）；ρ为孔隙水压力；ρj是流体密度（kg/m3）；gj是重力加速度的三个分量（m/s2）。

达西公式：K=q/I，q为单位断面的流量，I为水力梯度。

（3）流体连续性方程

对于斜坡上粘性土层上部发育有透水性较好的土层的边坡，在持续降雨作用下，进行边坡沿两者接触带失稳的分析时，可按完全饱和土体中的渗流来考虑渗流作用，流体连续性方程可表达为：

（3）

（4）

式中，M为Biot模量（m/s2）；α是Biot常数；T温度，为ε为体积应变，s是常数或者等于1。

不考虑温度变化对边坡变形的影响时，上式可简化为：

（5）

（4）相容方程

为速度梯度与应变率之间的关系：

（6）

式中，v为介质中某点的速度。

（5）透水边界条件

（7）

式中，qn为边界法线方向的流速分量；h是入渗系数（m3/N·s）；p为边界处的孔隙水压力；pe为边坡渗流口处的孔隙水压力。

2.4边坡安全系数的计算

根据上述有限元分析，可以得到每个节点的应力张量，对于拟定的潜在滑动带，可以采用有限元数据给出滑动带一点的法向应力σn和τ，根据Mohr-Coulomb破坏准则可求得该点的抗滑力，由此即可求得滑动带上每点的下滑力和抗滑力，再对滑动带上的下滑力和抗滑力进行积分计算，就可求得该滑动带的稳定系数（安全系数）：

（8）

式中，c、φ为滑动带的抗剪强度，可以取下部粘性土（隔水层）的饱和抗剪强度。α为滑动带倾角，σx、σy、τxy分别为计算点的应力分量，为综合考虑渗流场和土体在自重、其他荷重作用下产生应力场共同作用的应力分量［2］。

2.5边坡安全系数的简化计算

对于山区道路，边坡路段往往较多，一般每段边坡的勘探工作量往往有限，这导致采用有限元数值法分析时，测点和岩土物理力学指标测试数量偏少，给计算带来困难。为此，我们可以根据拟定的潜在滑动带，采用条分法计算滑动带上每条块的下滑力和抗滑力，再对滑动带上的下滑力和抗滑力进行累加计算，就可求得该滑动带的稳定系数（安全系数）：

（9）

式中，Li为条块的滑带长度；C、φ为滑带的饱和抗剪强度，可取下部相对隔水层的饱和抗剪强度；Wi为条块的重量，含水层取饱和重度下的重量；Ai为条块水位以下的面积，γw为水的重度；Ii为条块的水力梯度。

当拟定的滑动面上部发育有承压含水层时，尚需考虑相应条块的地下水浮力，H0为地下水压力，从滑床向上算起，浮力［3］PW=γWgH0。

3工程实例

3.1双永高速公路K168段滑坡

该滑坡的里程桩号K167+780～K168+000，长约100m，宽约110m，高差约45m，滑体体积约1.0×105m3，位于山坡近坡脚地段，原设计为高度约16m的2阶路堑边坡，设计放坡坡率上为1∶1.25、下为1∶1.00，两阶之间设有宽2.0m的平台。按照一般情况，这种普通边坡采取台式大放坡开挖后应当是比较安全的，无需采取特殊支护措施。但边坡开挖至设计路面后，时值连续降雨，边坡发生了明显的变形破坏，在采取紧急反压措施后仍出现缓慢变形。边坡失稳后的孔内变形检测结果显示，滑动面位于坡洪积碎石类混合土之下的残积粘性土或坡洪积粘土的顶部［4］。

该边坡段为丘陵斜坡地貌，但两侧均为小沟谷状，在山坡呈现为相对低洼的类椅状，微地貌上为坡脚坡洪积扇地貌，自然山坡呈上缓-中陡-下缓的地形特征，下部为15～20°的缓坡，中部为30～40°的陡坡，上部为5～10°的缓坡台地。

图2　双永高速公路K168段滑坡远景

图3　坡面地下水出露

根据勘察资料，该边坡岩土结构复杂，表层为坡积黏土，其下为透水性较好的坡洪积碎石、碎石类混合土（碎石、角砾混杂粘性土），往下部为透水性较差的坡洪积黏土、残积粘性土及粉砂岩、砂岩风化层。

该边坡地下水主要为坡洪积碎石、碎石类混合土中的孔隙水和下部岩层风化带中的孔隙-裂隙承压水，其中坡洪积碎石、碎石类混合土中的孔隙水对边坡稳定性有明显影响，而下部岩层风化带中的孔隙-裂隙承压水因含水层埋藏较深，对边坡稳定性影响较小。坡洪积碎石、碎石类混合土中的孔隙水在山坡下部为承压水，山坡中、上部为潜水，地下水水位深度为3.80-27.0m，受降雨影响大。

滑坡段地下水为潜水，可不考虑地下水的浮托作用。滑坡段的水力梯度平均达0.28，当残积粘性土饱和强度取c=16kPa、φ=15°，坡积黏土重度取18.5kN/m3，坡洪积碎石类混合土饱和重度取21.0kN/m3，根据上述简化公式（公式9），沿下图4所示的滑动面进行持续降雨状态下的边坡稳定性计算，边坡稳定系数在考虑渗流作用时仅为0.93，边坡沿该拟定滑面稳定性差，计算结果与边坡实际发生过程吻合。

图4　K168段滑坡轴线剖面图

该边坡最终采用锚索抗滑桩、锚索框架加固，结合排水、坡面防护工程等综合治理措施，对滑坡进行了治理。从工程施工过程看，该边坡工程因边坡高度不大而在设计、施工前未进行勘察，从而未考虑施工开挖后特殊岩土结构下的渗流作用对边坡稳定性的影响，特别是本边坡路段坡洪积碎石、碎石类混合土分布范围较广、底面坡度大，开挖后边坡段地下水水力梯度达0.28，降雨后渗流作用强，导致边坡在持续降雨后失稳，造成经济损失达数百万圆。

3.2湄渝高速公路莆田段庄边滑坡

该滑坡位于湄渝高速公路（莆田段）的K64+940～K65+360左侧山坡上，与双永高速公路K168段滑坡的特征极为相似。原设计为高约22.5m的3阶路堑边坡，设计放坡坡率下为1∶1.00、上部两阶为1∶1.25，上、下阶之间设有宽2.0m的平台。在边坡开挖至设计路面后，也是时逢连续降雨，边坡发生了明显的变形破坏，滑坡体宽度约180m，长约130m，厚度约3～14m，滑体体积约2.1× 105m3。边坡失稳后的坡脚剪出口位置（图6）和孔内变形检测结果显示，滑动面位于坡洪积碎石土之下的残积粘性土顶部。

该边坡段为丘陵斜坡地貌，但在山坡上呈现为相对低洼的类椅状地貌，微地貌上为坡洪积裙地貌，整个自然山坡呈上陡-中缓-下陡的地形特征，下部为15～20°的相对陡坡，中部（为滑体上部）为5～10°的缓坡台地，滑体上部则为25～30°的陡坡。

图5　滑坡平面图

根据钻探成果，场地地层岩性自上而下为：①坡积碎石混粘性土，透水性相对较好，为弱含水层；②坡积碎石土，充填物为粘性土，透水性较好，为含水层；③残积粘性土，可塑-硬塑状，为高液限土，透水性差，遇水易软化；④全风化（含砾）凝灰岩，透水性较差，为相对隔水层；⑤强风化层熔结凝灰岩、（含砾）凝灰岩，透水性相对较好，为弱含水层。

图6　滑坡剪出口

本边坡地质构造较为发育，在滑坡轴线附近发育有一北东向断裂，坡脚处有一北西向断裂构造小角度斜穿坡面。地质构造的发育，导致本边坡路段岩石风化均匀性差、岩面起伏大，地下水较为丰富。

地下水主要为坡积碎石混粘性土中的孔隙潜水和下部岩层风化带中的孔隙-裂隙承压水，接受大气降水补给，雨季地下水位埋深在2.3～5.3m，旱季（2015年4月）水位埋深则多在7.67～15.56m间，水位变化幅度大于5.0m。边坡开挖至路床后，降雨时在近坡脚处可见明显的地下水渗出。其中坡积碎石混粘性土中的孔隙水对边坡稳定性有明显影响，而下部岩层风化带中的孔隙-裂隙承压水因含水层埋藏较深，对边坡稳定性影响较小。

滑坡段地下水为潜水，可不考虑地下水的浮托作用。经计算滑坡段的平均水力坡度约为0.26，当残积粘性土饱和强度取c=10kPa、φ=13.5°，坡积碎石混粘性土饱和重度取20.5kN/m3。根据上述简化公式（公式9）沿第二次滑动面进行持续降雨状态下的抗滑稳定性计算，边坡稳定系数在渗流作用下仅为0.94。计算结果反映了边坡实际发生过程。

该边坡采取锚索抗滑桩和锚索框架加固，结合排水、坡面防护工程等综合治理措施，对滑坡进行了治理。与上一案例一样，该边坡也是由于边坡高度不大而在设计、施工前未进行勘察，从而未考虑施工开挖后特殊岩土结构下的渗流作用对边坡稳定性的影响，特别是该边坡路段坡积碎石、碎石混粘性土分布范围较广、下部残积粘性土和全风化岩层为高液限土，降雨后遭泡水后抗剪强度产生较大幅度的降低，同时渗流作用较强，导致边坡在持续降雨后失稳，造成后期滑坡治理的工程费用达近千万圆，是一个不小的经验教训。

3.3福建省浦南高速公路金斗山滑坡

该滑坡多次滑动，规模大，在福建影响较大。该路段位于福建省浦城-南平高速公路建瓯段，桩号K211+659-K211+960段左侧，滑坡宽约280m、长约135m，滑体厚度约10.0～25.0m、体积约1.0×107m3，为一厚层土质滑坡。原设计为6阶、高约48.8m的高边坡，采用台式放坡结合锚索框架、片石混凝土挡墙支护，坡脚放坡坡率1∶0.50结合片石混凝土挡墙支挡，第二阶1∶0.75结合锚索框架支护，第三、四阶1∶1.00结合锚索框架支护，第五、六阶放坡坡率1∶1.25。本边坡段虽然开挖高度较大，但坡体无软弱土层，总体设计放坡坡率较缓，且有较强的加固、支挡措施，一般情况下应当有较大的稳定安全系数。然而因原有勘探孔太少，开挖后实际岩土结构与原有勘察成果有较大变化，结果在该公路通车近一年后，因2010年5月份福建闽西北地区遭受特大洪灾，在持续强降雨作用下，导致边坡严重变形破坏。边坡失稳后的地表、深部变形监测结果表明，主滑段滑动面位于碎石土之下的残积粘性土-全风化岩层上部；该边坡失稳后滑动面不断往后缘发展，形成了多条滑动面，部分滑动面埋深达20m以上。

该边坡工程位于山坡近坡脚地段，为低山洪积扇地貌，线路从洪积扇地貌区的中下部经过。整个自然山坡呈上陡-中缓-下陡的地形特征，山体下部为20°～25°的相对陡坡，中部（为洪积扇中、上部）为5°～15°的缓坡，洪积扇的上方则为30°～40°的陡坡。

根据钻探成果和现场开挖，该边坡段主要地层岩性自上而下为：①粘土，透水性差，可塑；②碎石夹粘性土，碎石透水性较好，为含水层；③残积粘性土，可塑-硬塑状，为高液限土，透水性差，遇水易软化；④全风化砂砾岩，透水性较差，为相对隔水层；⑤强风化层砂砾岩，透水性相对较好，为弱含水层。下部为中风化砂砾岩。其中①粘土和③残积粘性土为高液限土层。

场地地下水主要为碎石土中的孔隙承压水和下部强、中风化层石英砂砾岩中的孔隙-裂隙承压水，主要受大气降水补给。其中下部岩层风化带中的孔隙-裂隙承压水因含水层埋藏较深，对边坡稳定性影响较小。对边坡稳定性有明显影响的时上部碎石层中的孔隙水。根据调查，碎石层中地下水的补给区为洪积扇上部，与边坡坡脚距离达200～300m，高差约100m，持续降雨状态下地下水水力梯度大、渗流作用强，且边坡地段地下水为承压水，对上部粘土层具有浮力，故降雨入渗和地下水渗流对边坡稳定性影响极大。

该滑坡发生后，众多岩土界的技术人员、专家先后前往现场调查、研究，部分岩土界人士认为该滑坡为古滑坡复活所致。但根据现场调查和后期补充勘察成果分析，笔者认为该边坡无古滑坡的明显依据。从该滑坡发生情况看，原有勘察工作量严重不足（仅1个钻孔和1条浅层地震勘探线），原有钻探成果未发现有碎石层，施工中岩土结构和地下水特征出现较大变化时未能及时调整防治措施，从而导致边坡在持续强降雨作用发生失稳破坏。边坡下部出现大流量的上升泉，说明了持续强降雨状态下地下水的渗流作用和浮力作用强，原有设计方案忽视了这一点，显然是边坡失稳的主要原因。据最终的勘察成果，当不考虑加固措施的作用时，持续降雨作用下透水土层采用饱和重度，滑动面采用饱和抗剪强度，充分考虑了地下水的渗流作用和浮托作用，采用上述公式（8）及其相关公式进行该边坡的稳定性计算，边坡沿最后滑动面的稳定系数仅为0.82，原有的加固措施无法满足持续强降雨作用下的边坡稳定要求，反映了该边坡在持续强降雨作用下地下水具有很强的渗流作用、浮托作用和软化效应。

为此，该边坡后来在原有加固措施的基础上，采取了加大平台宽度、放缓原有放坡坡率（1∶1.5～1∶2.0）进行大卸载，加设锚索抗滑桩、刚架桩（双排桩），锚索框架和地下排水、地表截排水等综合治理措施，方才根治了该滑坡。滑坡治理费用高达数千万圆，是个惨重的教训。

图7　庄边滑坡轴线剖面图

图8　金斗山滑坡轴线剖面图

4结语

降雨入渗和地下水的渗流作用对边坡稳定性的影响，已越来越为人们所重视。在斜坡上发育有碎石类土、碎石类混合土等透水性较好的土层时，更应当把降雨入渗和地下水的渗流作用作为重要的影响因素来考虑。

（1）根据笔者对福建省道路边坡失稳案例的调查，在斜坡上粘性土上部发育有碎石类土、碎石类混合土等含水层时，边坡失稳的概率明显较高，特别是含水层下部为高液限土的边坡。

（2）在斜坡上发育有碎石类土、碎石类混合土等透水性较好的土层时，应当验算边坡在持续降雨状态下可能主要沿透水层底面下滑的边坡稳定性，计算中应考虑地下水的渗流场、饱水增载效应和软化作用及浮力等。

（3）一般情况下，在坡脚、近坡脚地段的坡积裙、洪积扇地貌区，普遍发育有碎石类土、碎石类混合土等透水性较好的土层。道路在这些地貌区经过时，应当关注降雨入渗和地下水的渗流作用对边坡稳定性的影响。

（4）对于需要考虑长久性的边坡工程，还应当分析、研究地下水的潜蚀作用，并采取相应的防治措施。

（5）对于普通边坡工程，一般可采用条分法计算边坡在渗流作用下的稳定安全系数。对于高边坡或者临近有其他重要建筑物的边坡工程，建议采用有限元法计算边坡在渗流作用下的稳定安全系数。

（6）工程勘察是边坡工程设计、施工的基础，加大边坡勘察工作的力度，是确保边坡安全的基本保证。加强边坡变形监测、采用动态设计和信息化施工技术，是边坡工程减少失稳破坏的有效手段，应当得以大力推广。

［1］陈守义.考虑入渗和蒸发影响的土体稳定性分析方法［J］.岩土力学，1997，18（2）.

［2］马惠民，王恭先，周德培.山区高速公路高边坡病害防治实例［M］.北京：人民交通出版社，2006.

［3］建设部执业资格注册中心、建设部电教中心.赵浩，等.全国注册土木工程师（岩土）执业资格专业考试辅导［M］.中国计划出版社，2002。

［4］丘仁科.双永高速公路K167段滑坡病害治理研究［J］.福建交通科技，2014，5：9-11.