水文环境对高速公路边坡滑坡的影响

■ 中国公路工程咨询集团有限公司 方鑫

边坡问题是工程建设过程中面临的主要问题之一。导致边坡出现失稳的因素有多种，包括其所处区域的地质构造等内部因素以及气候降水等外部因素。基于对边坡失稳原因的分析，发现其多与水因素有关。本文以某高速公路边坡工程为背景，通过离心模型试研究了在土体密度以及边坡坡度一定的情况下，含水量对边坡稳定性的影响；以数值分析的方式对水流渗透下土体的应力场分布情况进行分析，以期为今后类似项目提供借鉴与参考。

1.离心模型试验

斜坡的自身结构及物质组成对其稳定性有较大影响，而导致其出现滑坡现象的因素主要与降雨有关。土质边坡容易因雨水的渗透而导致其渗流场出现变化，从而增大土体荷载并降低其抗剪参数。此次试验采用的是土工离心模型试验，对坡角以及坡高一定的边坡进行模拟，分析其应力场在降雨影响下的分布情况，研究应力场与含水量之间的关系，从而取得土质边坡与含水量之间的关系。此次试验共设置了三个试验组，具体情况如表1所示。

2.试验结果及分析

2.1 试验结果

（1）试验组1

此次试验的加载加速度在七分钟前上涨到60个，在之后的时间里以10g的上涨幅度每隔半小时上涨一次。所得结果如图1所示。

边坡坡顶处有竖直向下的滑裂面，有拉破坏出现在坡顶土层，当其破坏深度达到某一数值时将会出现剪切破坏，大致表现为圆弧型的滑裂面。此次试验表现为几何破坏，该种破坏类型主要表现为有蠕变剪切变形出现在边坡坡脚位置处，在该位置有较快的鼓出土体，且早期容易有拉裂缝出现在坡顶位置；边坡破坏容易因不断鼓出的坡脚土体而表现出较快的破坏发展速率。对于边坡的整体稳定而言，边坡坡脚是其主要的影响因素，保持该边坡保持稳定的最大高度为15m。

表1 试验分组

图1 试验组1位移矢量图

（2）试验组2

从图2分析可知，边坡坡脚处有鼓出现象发生，且有拉裂缝出现在坡顶位置，导致其出现下沉，而边坡整体未有显著的变形出现。在边坡坡顶处有滑裂面出现，该位置处整体表现为拉破坏，其破坏深度满足一定限制之后有偏转出现，表现有剪切破坏，滑裂面整体形式表现出圆弧型。该边坡保持在稳定状态的最大高度为10m。

（3）试验组3

该组试验以分层设置的方式模拟边坡模型，模型尺寸如图3所示。

该边坡的坡脚位置未有鼓出现象发生，试验开始时仅有少量的拉裂缝出现在坡顶位置，但随着加载时间的不断推移，有较为显著的局部裂缝出现在坡脚位置，并且原有的坡顶裂缝表现为深度及宽度不断加深，但边坡整体保持在稳定状态。

2.2 试验结果分析

从试验1和试验2的模拟结果可知，在仅改变含水量的情况下，随着加载的不断进行，边坡的位移及破坏形式均不同。对于边坡的稳定性而言，含水量的影响较大，并且其与边坡保持稳定的最大高度表现有非线性的关系，即随着不断增加的含水量，边坡保持稳定的最大高度降低程度不断增加。

对比试验2和试验3可知，两个试验具有基本一致的几何形状和基本一致的平均密度及含水量。但因试验3的配置属于分层的形式，虽然试验3的上层含水率是最高的一组，但其相比于下层土而言密度较小、含水量较高，导致在试验2破坏程度较高时，试验3的模型仍然保持完整，表明对于边坡而言，下部土体的稳定性对其有较大影响。因此，在实际施工时应确保地下水具有较好的排泄能力，并且在开挖边坡之后应马上对其进行防护，避免边坡的稳定性受到地下水渗透的影响，在修建完成高边坡之后，应将排水天沟设置在坡顶位置。

综上所述，对于边坡的稳定性而言，在密度及坡度不变的情况下，含水量对其有较大的影响，因此，边坡开挖应尽量避免在雨季进行，并在开挖之后应及时开展支护措施，避免边坡的稳定性受到地表水渗透的影响；从边坡稳定性的角度出发可知，下部土体对其影响较大，在实际施工时应确保地下水排出质量。

3.降雨渗流场数值模拟

基于上述试验结果，为研究边坡与含水量之间的关系，本文采用GEO-SLOPE软件对降雨进行模拟。

图2 试验2位移矢量图

图3 试验3模型尺寸图

图4 应力等值线图

设置降雨渗流边界在坡顶位置，使其具备降雨瞬态模型。此次试验的降雨模拟采用等强度的降雨。地表土体随着降雨的进行不断趋于饱和，导致其水分不断移动到边坡内部，从实验模拟所取得的等值线控制来看，坡顶土体在前期降雨时具有较大的含水量变化，并且表现有较快的下渗深度。随着时间的不断推移，坡顶体积含水量趋于稳定，且表面水的下渗深度也趋于平缓，而边坡下部土体含水量则不断上升。

对于边坡的稳定性而言，降雨的下渗主要影响的是其土体的应力场，导致其体积含水量出现变化，从而影响到土体的强度参数。因此，本文将以数值分析的方式对边坡应力与地表水下渗之间的关系进行分析。

表2 数值计算结果

在1x10-5m/s的降雨强度下，随着雨水的不断增加，边坡土体的应力场不断受到影响，部分应力等值线如图4所示。

从土体的应力分布可知，有较大的拉应力出现在坡顶的后侧，并有局部分布在下坡面位置。从离心实验结果可知，在边坡坡顶位置存在有竖直向下的滑裂面，即有拉破坏出现在边坡坡顶位置，此外，当该拉破坏达到某一数值时，将会有剪切破坏出现，可见其表现与应力的数值分析结果一致。

为了便于对数值进行分析计算，此次试验以平均含水量下土体强度作为分析对象，研究渗透深度以及降雨强度不同的边坡稳定系数，所得结果如表2所示。

当降雨强度一定时，边坡的安全系数在不断增加的降雨下渗深度下表现出不断降低的趋势。此外，随着水下渗深度的不断上升，边坡安全系数的下降速率也不断变快；当降雨强度不同时，边坡的最小安全深度随着水下渗深度的不断增加而表现出不断增加的趋势；当下渗深度相同时，边坡的最小稳定系数随着含水量的增加而有所降低，即随着时间的不断推移，降雨的下渗强度也在不断增加，不利于边坡稳定。因此，在开挖边坡后应立刻采取相应的支护措施，降低降雨下渗的影响程度。

4.结语

基于离心试验以及数值分析可知，边坡的稳定安全系数在土体密度、渗透深度以及边坡坡度一定的条件下，其随着不断增加的含水量表现出不断变小的趋势。从边坡稳定性的角度研究发现，含水量对其具有较大的影响，即对于边坡稳定而言，降雨入渗对其有较不利的影响。因此，在边坡开挖时应尽可能避免在雨季施工，并在开挖之后及时采取相应的支护措施，避免边坡稳定性受到地表水下渗的影响；当降雨强度保持一定时，边坡的安全系数随着不断增加的降雨下渗深度表现出不断降低的趋势，且随着不断增加的降雨下渗深度，该种规格降低速率不断增大。因此，对于边坡稳定性而言，下部土体的稳定性具有较大的影响，故在边坡施工时应确保地下水排泄质量。