降雨和地震对高填方边坡稳定性的影响研究

韩文喜，张日华，王 昊

(1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059；2.成都理工大学环境与土木工程学院，四川 成都 610059)

0 引 言

随着国家西部大开发战略的实施，高原山区支线机场建设成为其中一个重大需求[1]。针对目前现有的高原机场，通过分析其工程地质条件、监测情况、施工状况，总结出这些机场普遍具有以下4个特点[2]：①高填方。填方高度一般在30 m以上，最大达100 m。②场区地质条件复杂。高填方地基底部分布有一定厚度的软弱层，且其厚度和分布不均匀。③气候条件差。④高地震烈度。这些特点导致山区机场建设面对的最严重的一个问题就是如何保证高填方边坡的稳定。本文以九寨黄龙机场为例，通过现场试验和数值模拟，对九寨黄龙机场高填方边坡在天然、降雨、降雨及地震等状态进行动力分析，探讨高填方边坡的稳定性。

1 工程背景

九寨黄龙机场位于川西北高原松潘县北的漳腊盆地，机场海拔3 445 m，北端头斜坡一旦失稳，极有可能形成滑坡，威胁北端头机场跑道内外100余人的生命财产安全，也直接或间接影响九黄机场北端头高填方区正常运行。

工程区隶属松潘县，根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.20g，地震分组为第二组。场地地貌较复杂，属斜坡地段，坡体稳定性较差。该边坡为不稳定边坡，场地上部覆盖层为较厚的素填土，基底石炭系岩体完整，强度较高，场地稳定性较差。综上，拟建场地和地基稳定性较差，属抗震不利地段。

2 天然状态下高填方边坡稳定性

2.1 计算模型和参数选取

根据机场地质地形条件，选择不利于填方边坡稳定的地段作为计算研究剖面。填筑边坡坡比为1∶2，坡体底部含有1层厚约8～20 m的粉土层，底部地层为含卵砾石粉质粘土。计算模型见图1。

图1 计算模型

填筑体和粉土及含卵砾石粉质粘土均采用弹塑性模型，模型左、右侧限定水平约束，底部水平及竖向约束，坡体顶部及临空面采用自由边界。各土层物理力学参数见表1。

表1 各土层物理力学参数

2.2 边坡稳定性分析

填筑体边坡在天然状态下，应用Bishop法搜索最危险滑面，得到高填方边坡的临界滑动面(见图2)。通过Janbu法得出，填筑体稳定系数为1.139。

图2 高填方边坡临界滑面

由于填筑体底部有8～20 m厚的粉土层，坡体潜在滑裂面容易从此层中～高压缩性土中切穿划出。而在机场扩建施工时，在机场北部端头局部出现沉降裂缝，稳定性较差，边坡安全储备较低。按Janbu法搜索临界面得到，边坡安全系数为1.064，与现场实际产生的裂缝相吻合。

通过不同计算方法得到的高填方边坡安全系数见表2。从表2可知，Janbu法与Bishop法算出的稳定性系数相差0.075。Janbu法与Bishop法的区别在于，Janbu法假设土条间推力的作用点位置，以任意形状滑动面上的安全系数不变来分析土体稳定，应用于滑动面为任意形状的土坡，可计算任意形状滑动面土坡稳定性；bishop法则是假定边坡不稳定滑动面为圆弧滑动面，考虑土条之间的相互作用力，以整个滑动面上的平均抗剪强度与平均剪应力之比来定义稳定安全系数衡量边坡稳定性[3]。

表2 高填方边坡安全系数

3 降雨和地震条件下高填方边坡稳定性

3.1 降雨条件下

机场工程区气候为青藏高寒季风气候区，年均降水量757 mm，降雨相对强度不大，设定降雨强度为50 mm/d，考虑降雨时长，设定降雨持续时间分别为12、24、48 h和72 h。

机场填筑体边坡设定边界条件：顶面为自由渗透边界；边坡底部及两侧竖直位置设定为0流量边界；边坡临空面及坡脚平面设定为自由渗透面；坡体中的地下水位线下方设定为水头边界；水位线以上设定为0流量边界。由于位于台地后坡，区域地下水位埋藏深度大，缺乏补给来源，地下水贫乏，其初始地下水位线及水头较低。

降雨为50 mm/d时，边坡处于受大雨影响状态，由于底部粘土层相对厚度较大，渗透系数相对较小，雨水入渗时，易在填筑体底部与粉土层上部的接触带区形成渗流面，这时粉土层受水浸泡而饱和形成相对隔水层；雨水在入渗至填筑体底部后，顺粘土层向坡脚流动，软化粉土，使接触带土的粘聚力和内摩擦角减小，接触面区抗剪强度减低，降低坡体稳定性[4]。不同降雨持续时间高填方边坡孔隙水压力分布见图3。从图3可知：(1)降雨12 h后，边坡表层土体饱和，雨水沿土体饱和区向非饱和区渗入，而随着降雨的持续进行，雨水边向边坡土体中入渗边在地表区形成地表径流，沿坡体向坡脚处汇集，在坡脚处形成水头区域，迫使坡脚雨水汇集区的水流向坡体内部入渗。

图3 不同降雨持续时间高填方边坡孔隙水压力分布(单位：kPa)

(2)降雨24 h时，雨水在坡脚处在填筑体与粉土接触区形成入渗雨水饱和区，并进一步向坡体内部扩大。

(3)降雨持续到36、48 h时，降雨入渗在坡脚处的饱和区沿粘土层表层区域及接触带向坡体内部扩展，由于粉土的饱和入渗系数低，雨水入渗对坡体底部的地下水影响不大。

(4)降雨持续到72 h时，坡体在坡脚处的饱和区除进一步扩大以外，在坡体表面其他区域，由于降雨入渗的进一步发展，土体浅层饱和区逐渐向坡体内部扩展，内部的非饱和区逐渐由入渗而饱和，土体边坡由坡脚处先期浸泡形成易破坏带。随着顶部土体饱和深度的逐渐增大，在坡体表面易形成裂隙，坡脚处破坏软化。随雨水入渗冲蚀，在坡脚处土体形成浸泡软化带，在边坡重力作用下，坡体向坡脚发生位移，进一步使坡体顶部形成张拉裂隙，最终导致坡体破坏。

3.2 地震条件下

机场处于川西北高原区，工程场区位于扬子准地台大地构造区，小区域构造为川西北高原岷江断裂、虎牙断裂、雪山断裂环绕的三角断块区，这些断裂和塔藏断裂共同影响控制着工程区域的构造稳定性，最主要的岷江断裂在第四纪以来仍有新活动迹象，控制着盆地的发展和演化。

由四川省地震局编制的《九寨黄龙民用机场地震安全性评价报告》及采用国家地震局地震危险性分析程序，计算得出机场工程地震危险性分析结果，见表3。

表3 工程区地震危险性分析结果

按计算模型设计并取参数，输入的地震波为原波修正后的EI-Centro地震波，输入时长持续10 s。0.2g地震作用下坡体峰值见图4。从图4可知：

图4 0.2g地震作用下边坡峰值

(1)在0.2g地震加速度荷载动力作用下，填筑体边坡的峰值动力加速度在坡顶处达到最大，在坡体临空面处由坡脚向坡顶呈总体增大趋势，而在坡体中间处有加速度小值区域；而对于粉土层，其地震加速度响应不明显，不论地震加速度还是速度响应，在粉土层均有减弱趋势[5]。

(2)对于剪应力，在粉土层中剪应力形成折角剪应区，特别是在粉土层顶部与填筑体接触带区，形成沿顺坡向的剪应力延伸带；在地震动力作用下，坡体震动剪应变在粉土层中最大，并主要集中在粉土层中。在动力作用下，在粉土层形成动力剪切破坏，导致坡体很容易在震动作用下沿粉土层破裂滑动。

(3)峰值动力位移最大区位于坡顶区，向坡体内部的渗出逐渐减小，而在粉土层形成动力位移折减区，使粉土层下部的土层地震效应减弱，而粉土层上部的填筑体则形成增大趋势，而且使应力应变在填筑体下部与软弱土层接触区形成集中带，在外应力作用下易形成易破坏带。

根据地震动力作用下边坡安全系数计算的选取[6]，按低于边坡静力稳定性值的所有瞬时地震边坡安全系数平均值评价边坡的地震稳定性，结果见图5。从图5可知，边坡瞬时最小动力安全系数为0.856，按平均值取此时边坡安全系数为1.052，小于1.1，达不到国内许多机场的设计动力安全系数大于1.1的要求。。按设计加速度0.2g计算坡体永久变形，结果见图6。从图6可知，坡体永久变形为53.9 mm。

图5 0.2g地震作用下边坡安全系数

图6 0.2g地震作用下边坡位移

分别考虑机场高填方边坡在不同强度地震峰值加速度影响下的边坡安全系数，对边坡分别输入0.1g、0.2g、0.3g、0.4g地震峰值加速度，得到边坡动力安全系数(见图7)。对应地震条件下边坡安全临界系数为1.1时，边坡能承受的临界地震加速度峰值为0.085g，地震安全性不良，安全储备太低。在0.3g与0.4g地震加速度条件下，填筑体边坡永久位移见图8。从图8可知，填筑体边坡永久位移分别为179.53 mm和289.04 mm。

图7 不同地震加速度下边坡安全系数

图8 不同地震加速度下边坡永久位移

3.3 地震及降雨条件下

机场北端头边坡底部有较厚的粉土层，地震时往往伴随着大气降雨等其他不利条件，降雨与地震的耦合作用，更加不利于高填方边坡的稳定。在降雨及地震条件下分别对边坡进行稳定性分析的基础上，模拟在降大雨时发生不同强度地震情况下的边坡的稳定性。设定在50 mm/d的降雨条件下，降雨持续24 h、72 h后，发生0.1g、0.2g、0.3g、0.4g地震，边坡稳定性分析结果见图9、10。从图9可知，随地震加速度的增加、降雨时间的增长，边坡安全系数有明显的下降。降雨24 h与72 h的边坡安全系数有明显的差别，可能是由于边坡在降雨72 h后土体强度发生明显的下降，导致安全系数急速下降；从图10可知，相同降雨时间随地震加速度增大，边坡变形量急速增大[7]。

图9 不同降雨时长、不同地震加速度下边坡安全系数

4 结 论

本文以九寨黄龙机场为例，采用数值模拟手段，对高填方边坡稳定性进行研究，得出以下结论：

(1)机场北端头边坡底部有较厚的粉土层，在天然状态下，采用Bishop法搜索不稳定面安全系数为1.139；而用Janbu法搜索只有1.064，安全储备较低。

图10 不同降雨时长、不同重力加速度的边坡永久位移

(2)降雨条件下，雨水对坡体地下水影响程度较小，入渗主要沿着粉土上部与填筑体下部位置向坡体内部延伸，软化坡脚，降雨持续72 h，整体边坡处于欠稳定状态；而在0.2g地震作用下，坡体安全系数不满足1.1，安全储备较低。

(3)在降雨同时地震条件下，特别是降雨持续72 h后，即使在0.1g地震作用时，坡体都处于不稳定状态，安全储备较低。