基于洪水冲刷作用下的某碎石土边坡稳定性分析

郭 超

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

山区往往由于山高谷深，沟域面积大，汇水大，从而暴发山洪或泥石流灾害冲毁谷底路基或边坡坡脚形成水毁灾害。碎石土边坡由于现场调查无法获取其潜在滑动面，常规边坡分析软件基于圆弧形自动搜索确定潜在滑面位置的方法对碎石土边坡来说往往不适用。为解决山区水毁型碎石土边坡稳定性定量分析计算问题，本文以某山区碎石土边坡为例，通过计算不同暴雨频率下洪水冲刷深度，探索性地构建了基于洪水冲刷工况下的碎石土边坡稳定性计算方法。

1 边坡基本特征

工程区为侵蚀构造中低山地貌，边坡为原煤矿弃渣沿麻地河沟道右侧斜坡堆积的煤矸石弃渣堆积体，主要沿沟道右侧分布，沟道呈不对称“V”型，沟道宽约10～30 m，长约160 m，坡高约10～18 m，斜坡较陡，坡度约30°～50°，目前沟道主流主要偏右侧。坡脚沟道侵蚀作用下局部临空，坡顶为矿区办公生活区平台地形，宽约7～16 m。

边坡土层由人工堆积的块碎石、砾石夹粗砂粉土等碎石土组成，松散-稍密，其中坡表已经出现滑动的土体结构呈松散状态，其他为稍密状态。粗颗粒成分以碎石、角砾为主，含15%～30%左右的角砾，碎石夹块石含量约25%～35%，角砾粒径一般为0.3～2 cm，母岩主要成分为砂岩、石英岩，磨圆度差，砾石风化程度较弱，细颗粒粉土含量约20%～30%，层厚0.9～3.60 m。

图1 边坡整体特征

2 边坡失稳机理及变形破坏特征

2.1 失稳机理分析

该碎石土边坡稳定性一般情况下主要由受地形地貌、地层岩性、降雨等因素控制。从地形条件来看，边坡最大高差约19 m，最长纵长约30 m，坡度约30°～50°，较为高陡；从岩性来看，边坡土层主要由煤矸石弃渣块石，下部为坡积含砾粉质黏土，除部分土体结构较密实外，其余斜坡位置堆积体结构均为松散至稍密，松散碎石土土体内摩擦角较小，土体自稳能力弱，容易出现失稳变形；从降雨条件来看，主要是由于坡体孔隙水压力的增大，降低了填土层及与下覆粉质黏土层接触面的抗剪强度，从而出现失稳变形。

另外，受上游沟域大量汇水在工程区沟道集中汇集作用下形成较强的“消防水管效应”影响，洪水冲蚀下切沟道十分强烈，坡脚受沟道流水冲刷形成局部陡坎，为斜坡失稳提供较大的失稳空间。因此，该碎石土边坡稳定性主要受沟域洪水冲刷作用影响较大。

2.2 变形破坏特征

该堆积体边坡坡顶和坡体均出现一定程度裂缝变形，边坡局部出现浅表溜滑，溜滑体后缘高程约400.2 m，前缘至坡脚高程约389.6 m，高差约10.6 m。溜滑体上下坡度一般32°～45°，长13.4 m，宽15.4 m，面积约206 m2。据勘查资料分析，滑体深度一般为0.6～1.5 m不等。

边坡位于沟道凹岸段，洪水洪流线偏移至该沟段坡脚位置，侵蚀冲刷斜坡坡脚十分严重，现场勘查该斜坡在历史洪水侵蚀作用下已经出现多次溜滑，由于坡体较陡，溜滑体已全部进入沟道内被洪水冲走，坡脚洪水侵蚀形成的陡坎较明显，随着洪水的进一步冲刷，斜坡发生进一步垮塌变形的可能性较大。

图2 斜坡变形破坏和沟道冲刷变形特征

3 斜坡坡脚冲刷深度计算

3.1 洪水特征参数

3.1.1 沟道洪水断面参数

边坡段沟道为凹凸段沟道，洪水在横断面位置存在横坡率，沟道弯道侧蚀作用较明显，根据现场对17年汛期最大洪水进行调查测绘，得到断面的洪痕特征参数如表1所示。

表1 斜坡位置沟道洪水参数特征

3.1.2 流速计算

根据现场调查的洪痕断面，按照式（1）计算断面的洪水流速值为1.84 m/s。

式中：V为断面平均流速，m/s；ΔH为凹岸凸岸水位高差，m；B为水面宽度，m；g为重力加速度，m/s2；R为弯道中心线的曲率半径，m。

3.1.3 流量计算

根据平面位置图及沟床纵断面图测量得出边坡上游段流域面积F=1.597 km2，主沟沟长L=1.42 km，沟道平均纵坡降I=290.7‰。查阅中小流域暴雨洪水计算手册相关图表，得出不同暴雨频率沟段洪峰流量见表2。

表2 暴雨洪峰流量计算表

根据现场调查的历史洪痕断面，结合洪水流速，计算得到17年汛期实测断面洪水流量为32.11 m3/s。对比表2洪水流量，可以看出，实际调查的2017年年度汛期最大洪水流量值与20年一遇（P=5%）暴雨洪峰流量值较为接近，因此，勘查工作期年度汛期最大暴雨为20年一遇暴雨。

3.2 沟道洪水过流能力评价

结合边坡段沟道断面特征及洪水流速计算沟道的最大过流能力如表3，可以看出其断面过流能力远不能满足各暴雨频率下的洪峰流量，因此在沟道上游洪'水下切冲刷作用明显。

表3 不同暴雨频率下洪水过流能力评价结果

3.3 沟道洪水冲刷深度计算

沟道洪水冲刷深度hs采用式（2）进行计算。

式（2）、式（3）中：Ucp为近岸垂线平均流速，m/s；U为行进流速，m/s；η为水流流速不均匀系数，根据水流流向与岸坡交角，查堤防规范D.2.2采用；H0为行进水流水深，m，各段面左右岸水深根据不同暴雨频率下洪水流量和流速反算洪水断面面积后量测断面得到；n为与防护岸坡在平面上的形状有关，取n=1/4～1/6；Uc为泥沙启动流速，m/s，砂质河床采用经验公式[1-（2]式4）进行计算。

式中：d50为河床砂质中值粒径；γs、γ为泥沙与水的容重，kN/m3。

根据现场调查的沟道特征及P=5%、P=2%暴雨频率洪水计算参数，计算各段面洪水冲刷深度如表4所示。

表4 不同暴雨频率下洪水冲刷深度计算结果

4 边坡稳定性评价

4.1 计算方法

根据前述综合分析，由于该边坡主要受洪水冲刷坡脚影响，因此，本次主要计算洪水冲刷工况下坡体稳定性，结合场地历史暴雨洪水特征，洪水冲刷工况以P=2%暴雨作用下冲刷深度形成的各斜坡坡脚临空条件进行分析。

本次计算采用基于极限平衡理论的传递系数法对该斜坡的整体稳定性进行定量分析计算[3-4]（式5）。

式中：Wi为第i条块的重量，kN/m；αi为第i条块滑面倾角，(°)；φi为第i条块内摩擦角，(°)；Ci为第i条块内聚力，kPa；Li为第i条块滑面长度，m；ψj为第i-1块段的剩余下滑力传递至第i块段时的传递系数(j=i)，ψj=cos(αi-1-αi)-sin(αi-1-αi)·tanφi；Rn=Wncosαntanφi+CnLn；Tn=Wnsinαn。

4.2 计算参数及模型的确定

边坡土体为含粉土角砾，为碎石土类，土体强度参数按照现场土体的物理性质实验及颗分组成并结合当地经验进行取值（表5）。

表5 土体计算参数值

斜坡均为碎石土类边坡，现场调查无法确定该斜坡的潜在滑面位置，计算滑面按照碎石土坡休止角滑动模式进行分析[5-6]，其中土层休止角按照土层c、φ值取综合内摩擦角确定，并按照《堤防工程设计规范（GB 50286—2013）》中提供的经验公式计算斜坡土层综合内摩擦角φD如表6所示。以斜坡土层天然休止角（φD）斜坡面简化为斜坡的潜在滑动面，根据确定的各斜坡土层天然休止角（φD）及P=2%暴雨洪水冲刷深度值（表4）综合确定各剖面斜坡滑动计算模型（图3）。

图3 边坡滑体条分示意图

表6 各计算剖面模型控制尺寸参数统计表

4.3 稳定性计算

根据上述参数及计算模型，经计算的边坡稳定性结果见表7。

表7 边坡稳定性计算结果

定量计算结果表明：边坡在天然工况下稳定系数为1.138，处于基本稳定；在洪水冲刷工况条件下稳定系数为0.862，为不稳定。可见，边坡极易在洪水冲刷作用下失稳。

5 结论

在充分分析研究该碎石土边坡失稳机理和边坡变形破坏特征的基础上，通过调查沟段洪水特征，计算不同暴雨频率下洪水冲刷深度，基于冲刷深度得到边坡失稳潜在滑动面位置，依据边坡失稳模型计算得到该边坡的稳定性状态。该计算方法较常规边坡计算方法更具有实践操作性，更能反应出洪水冲刷作用下的碎石土边坡失稳机理，可为类似碎石土边坡失稳分析提供技术支持。