降雨工况某弃方边坡稳定性及滑动影响范围分析

高东源，徐孟龙，孙尧甲

（河南理工大学土木工程学院，河南 焦作 454000）

0 引言

降雨对于边坡的滑动破坏起着主导作用，而且桥下弃方对桥梁运营造成安全威胁的事故屡有发生，弃方堆积体边坡是在工程施工过程中采用自卸车弃方形成的堆积体边坡，堆积体大多采用装载机推平，未经组织压实，堆放时间不长，固结程度较低，所以开展降雨工况边坡稳定性的研究很有意义.目前，大多学者的研究方向主要集中在不同坡体形态、不同降雨模式对高陡边坡、公路边坡等边坡的稳定性影响分析[1-5]，但在弃方堆积体或填土边坡方面的研究较少，本文以工程弃方边坡降雨作用下的稳定性为实际工程背景出发，运用有限差分软件进行了边坡降雨入渗工况稳定性的模拟分析，并利用能量守恒法计算出该边坡滑动影响范围.

1 工程概况

某桥梁工程在柱墩施工过程中，把不适宜作为路基填料的残坡积物和膨胀土、湿陷性黄土等弃于某大桥跨越的自然冲沟内，形成南北两处高8～15 m、距离桥墩最近距离为11 m的弃方堆积体.其中北侧弃方堆积体南边坡位于某大桥柱式墩上游.该桥梁工程区域属山前冲洪积倾斜平原向侵蚀剥蚀高台地过渡地貌.总体地势西高东低，海拔标高60～210 m.西北部为丘陵区，东部、南部为平原区，地面平坦开阔，局部低洼，具有从平原区向丘陵区过渡的特点.降水四季分配不均，多集中在夏季7、8月份.降水强度变化较大.在各级降水中，小雨出现的概率最多，占总降水日数的68.2%.年平均相对湿度为69%.弃方堆积体见图1.

图1 工程现场图

2 边坡稳定性理论分析

排土时采用自卸车将弃方置于堆积体坡边，然后采用装载机推平，推平过程中，土颗粒或土团粒沿弃方堆积体边坡坡面自由滚落.整个坡体无论坡顶平台还是边缘斜坡均为层层包裹结构.若把弃方体作为一个整体来看，弃方体内各不同类型的土颗粒或土团粒虽然大小不一，但其相对整个弃方体而言均为极小的单元，因而该坡体又表现为宏观上的均一性.土颗粒或土团粒沿弃方边坡坡面自由滚落的排土方式和弃方堆积体宏观上的均一性决定了该弃方边坡处于自然休止状态[6-7]（即极限平衡状态）.

自然界处于临界稳定状态的坡体，有时在自然条件或人为因素作用下，比如降雨入渗、外部振动荷载或土体长期受剪力作用造成结构损伤等，会劣化其稳定状态.在斜坡内部某一部分，比如受降雨或振动作用影响较大的坡顶，剪应力首先超过其抗剪强度而变形，产生微小的移动.然后变形进一步发展，坡顶开始出现若干断续裂隙.现场勘查发现，在坡顶面出现大量与坡体上缘线近乎平行的裂隙，裂隙外侧坡体呈现下错变形特征，如图2.这些裂隙的出现既表明坡体目前处于临界稳定状态，同时也是坡体正由极限平衡状态向失稳状态发展的标志.

图2 弃方边坡坡顶及坡面裂隙图

弃方堆积体弃土成分较杂乱，由残坡积物、膨胀土、湿陷性黄土与少量大块石混杂.弃土为快速倾倒堆填，未经有组织碾压，结构松散，渗透性强.弃方堆积体位于原始冲沟地带，周边汇水面积大，遇暴雨或连阴雨天气，将有大量大气降水渗入坡体，造成坡体局部饱和.

为分析暴雨或连阴雨工况弃方堆积体边坡的稳定性，沿弃土堆积体边缘斜坡取样，进行室内试验.土样被分成两份，一份进行浸水过程观察，另一份进行饱水状态下直剪试验.

2.1 土样浸水过程观察

将所取土样按土团粒径分成4份装入容器内，然后间断往盛土容器内加水，始终保持水面刚好没过土样，观察土样在浸水0，1，2，4 h后的状态.土体在浸水1 h后，团粒较小的土泥化，团粒较大的土团粒表面开始出现裂缝；土体在浸水2 h后，团粒较大的土团已基本浸透，团粒表面裂缝密布，虽外形仍保持大团粒状，但一触即溃，团粒结构强度几乎完全丧失；土体在水中浸泡4 h后，团粒粒径不同的4种土样已基本没有差别，团粒完全崩解，团粒结构强度完全丧失.由此可见，弃方堆积体如遇4 h以上连续较强降雨或更长时间的低强度持续降雨时，边坡浅层坡面强度将劣化为饱水状态下的强度.

2.2 土样饱水强度试验

以法向应力分别为50、100和200 kPa进行土样可塑状态（含水率w＝24.32%，重度γ＝19.21 kN/m3）下的快剪试验，由直剪试验结果可以看出该边坡土样抗剪强度指标相对较低，宏观来讲边坡稳定性较低.如图3.

3 边坡稳定性数值模拟分析

采用土样可塑状态的物理力学参数，进行暴雨或连阴雨工况北侧弃方堆积体边坡的稳定性分析，根据土体降雨入渗规律，分析时假设该工况下弃方堆积体表面2 m厚的土层处于可塑状态（黏聚力C＝11.17 kPa，内摩擦角φ＝9.2°，重度γ＝19.21 kN/m3），其他部分的土体仍处于原始状态（等效内摩擦角φD＝38°，重度γ＝17.20 kN/m3）.具体土体物理力学参数见表1.

表1 土体物理力学参数

降雨入渗工况边坡滑动破坏过程如图4～10，天然工况下，边坡安全系数为1.01，弃方堆积体处于极限平衡状态，坡面角度将进行调整，局部较陡的坡面将与其他位置趋于一致.

为模拟天然土坡自动调整坡面角度后的模型形状，按照强度折减法计算得到的模型滑动面并将上次发生滑坡范围内的土体剔除，重新建模计算并重复循环上述步骤得到最终的坡体形态如图10.

暴雨或连阴雨工况下，第一次降水渗入，此时安全系数为0.97，出现第一次滑塌，滑塌面沿如图示曲面.根据第一次滑塌后形状进行建模，第一次滑塌后降水进一步下渗，此时边坡安全系数为0.93，出现第二次滑塌.根据第二次滑塌后形状进行建模，第二次滑塌后降水进一步下渗，此时边坡安全系数为0.99，出现第三次滑塌.根据第三次滑塌后形状进行建模，第三次滑塌后降水进一步下渗，此时边坡安全系数为0.93，出现第四次滑塌.根据第四次滑塌后形状进行建模，第四次滑塌后降水进一步下渗，此时边坡安全系数为0.96，出现第五次滑塌.

由模拟结果可知，在持续降雨工况下，该弃方边坡的边坡安全系数均小于1，塑性贯通区较为明显，且塑性贯通区以外的土体持有较高的振动速度，说明坡体发生滑塌的可能性很大，严重影响了桥墩安全.

图4 天然工况下

图5 第1次滑塌

图6 第2次滑塌

图7 第3次滑塌

图8 第4次滑塌

图9 第5次滑塌

图10 弃方边坡滑塌演变过程

4 降雨工况边坡滑动影响范围分析

一般认为，滑坡的影响范围不小于滑坡的滑程.目前，对于滑程的预测通常视滑坡体积规模分为一般滑坡（体积小于106 m3）和大型滑坡（体积大于106 m3）两种类型考虑.对于本次评估对象（一般滑坡），可利用能量守恒原理，推导出其滑程的估算公式，见图11.

图11 滑坡滑程预测示意图

如图11所示，设W为滑体的重量，β为滑坡某一条块滑面与水平面间的夹角，M为滑面的最低点，S1、S2分别表示条块运动的AM和ME的距离，f为动摩擦系数.条块从A点运动到E点的过程中其能量转化关系为：

如果滑块运动到M点后作水平运动到E′点停止

当滑块运动到任意点P（假设该点速度为v）时，其能量转化关系为：

当v＝0，得到滑程Lmax为：

滑程为：

第1次滑坡：

第2次滑坡：

第3次滑坡：

第4次滑坡：

第5次滑坡：

综上可知，在不考虑再次滑坡对前次滑坡冲击影响下，滑坡最大滑程为15.0 m，这将会威胁北侧弃方堆积体边坡坡脚桥墩（距离坡底11.0 m）安全和南侧弃方堆积体坡脚农田生态.

5 建议与结论

5.1 建议

结合本工程特点，给出以下2个综合治理建议方案.治理工程实施前，尚应作好以下两个方面的工作：

1）在弃方体适当位置设置一道南北向过洪通道，通道过洪能力应满足北头村大桥水文计算要求；

2）弃方堆积体位于自然冲沟上游的迎水坡面应进行防水处理，防止上游洪水进入弃方堆积体.

治理方案：（1）坡率法结合疏排水.坡率法是指控制边坡高度和坡度，即将可能产生滑动的部分坡体移除，从而无需对边坡整体进行加固而自身稳定的一种人工边坡设计方法.坡率法是一种经济有效、施工方便的方法，对有条件的场地宜优先考虑选用，但同时应做好坡体防排水和坡面防护工作.（2）支挡结构（加筋土挡土墙）结合疏排水.加筋土挡土墙指的是由填土、拉带和镶面混凝土组成的加筋土承受土体侧压力的挡土墙.它是在土中加入拉筋，利用拉筋与土之间的摩擦作用，改善土体的变形条件和提高土体的工程特性，从而达到稳定土体的目的.加筋土挡土墙由填料、在填料中布置的拉筋以及墙面板三部分组成.是目前平坦开阔地带高填方边坡支挡结构中最经济有效的方式之一.

5.2 结论

（1）弃方过程中的排土方式、堆积体所处的小区域地貌以及边坡土体决定了弃方边坡的状态.排土时采用自卸车弃方于堆积体坡边，然后采用装载机推平，未经有组织压实，加之堆放时间不长，堆积体固结程度低，因此，弃方堆积体边坡处于自然休止状态.

（2）弃方堆积体边坡弃土成分较杂乱，结构松散，渗透性强，坡体汇水条件较好，遇暴雨或连阴雨天气，降水容易汇集和下渗从而劣化边坡稳定性，造成边坡失稳.

（3）该弃方堆积体边坡在天然状态下处于临界稳定状态，在暴雨或连阴雨状态下处于不稳定状态，将会发生滑塌.北侧弃方堆积体最大滑程分别为15.0 m，这将会威胁北侧弃方堆积体边坡坡脚桥墩安全.