S315省道K92边坡变形破坏机理分析

赵 荐，郑文俊，江 浩，雷 怡，帅飞翔

（1.浙江省衢州市公路管理局，浙江衢州324000；2.浙江大学海洋学院，浙江舟山316000）

1 概述

降雨是引起边坡环境条件变化的周期性因素，在各种边坡变形破坏的影响因素中，降雨引起地下水渗流作用变化，往往是大量滑坡发生的直接原因，也是最复杂和变化最频繁的影响因素。雨水下渗到坡体中可以造成两方面效应：渗透水进入岩土体的孔隙和裂缝中，使岩土的抗剪强度降低；地下水位抬升，减小滑动面的有效法向应力，而且渗透压力会增大坡体的下滑力。目前研究地下水对滑坡稳定性的影响，常见的方式是根据水头作用力分布，通过沿滑面施加于土体或土条渗透压或倾覆力，计算滑坡的整体安全性[1-3]。研究发现，滑坡的渗透系数是影响地下水位的内在因素[4]，低渗透率的土体会导致局部压力水头蓄积过高。地下水的高水头、高渗透压力是影响滑坡稳定性的主要环境因素[5]。

边坡稳定性分析方法有极限平衡法、塑性极限分析法、强度折减法等[6-9]，到目前为止，极限平衡法仍是边坡稳定分析的最常用方法。本文采用GeoStudio内置的极限平衡法对边坡进行稳定性分析，研究了地下水位变化对边坡安全系数的影响，为S315省道K92边坡变形破坏机理分析与工程治理决策提供了依据。

2 边坡工程概况与工程地质条件

2.1 边坡概况

S315的K92边坡位于浙江省江山段与衢江段交界处附近，涉及边坡桩号为K92+070～K92+290，长度约为220m，边坡最大开挖高度约32m。边坡建设项目于2014年完工，因2015年3月遇强降水，边坡发生多处滑塌。如图1所示，现状坡面设两级边坡，一级坡坡率1∶1.5，设4m宽平台及水平排水沟，二级坡坡率1∶1.75。平台水平排水沟没有发生淤堵等不良情况。坡面采用香根草种植，平台位置种植灌木丛。开挖边坡以上自然斜坡的地形坡度一般为10°～20°，有较大的汇水面积和良好的入渗条件。

2.2 工程与水文地质条件

开挖边坡岩性为残坡积土，黄褐色、褐红色，结构致密，岩性为粉质粘土夹碎石，碎石含量约10%～20%，碎石粒径一般小于5cm，个别碎石粒径为10～20cm。边坡岩土的力学强度较好，自然边坡的稳定性好，干旱季节开挖的直立边坡高度大于2m仍然具有自稳性。

由于边坡后缘有广阔的降雨入渗补给区域，且表层坡积土渗透性好，降雨入渗条件好，边坡有良好的降雨入渗补给地下水的条件。残坡积土层厚度大，但渗透性较差，边坡地下水排泄梳干过程缓慢。因此，边坡既具有良好的降雨入渗条件也具有良好的储水条件及较差的排泄条件，雨季边坡地下水丰富。

图1 边坡设计开挖坡面

边坡区域为亚热带季风气候区，温暖湿润，雨量充沛。年内降雨分布不均匀，有明显的旱季和雨季。降雨最多季节常在3～6月份的梅雨期和7～9月份的台风期，年均降雨量1648mm，水面年均蒸发量约1000mm。而边坡岩土粘粒含量高，渗透性低，边坡地下水位变化幅度大。高地下水位时，坡面地下水渗出点的最大高度处于二级边坡坡脚附近；而低地下水位时，坡面没有地下水渗出。从坡面地下水渗出情况看，边坡岩土体处于季节性干湿变化过程。

3 滑坡特征与稳定性分析

3.1 滑坡特征与稳定性计算

因2015年3月左右雨季强降水，在长度约为220m的边坡上发生了方量大于100m3的滑坡2处，小于100m3的滑坡5处。典型滑坡如图2所示，滑坡的基本特征表现为：滑动面呈圆弧形，属于均质土坡的典型滑动形态；滑坡的前缘剪出口多位于坡脚挡墙的顶部；滑坡体厚度较小，一般厚度不超过5m，局部最大厚度不超过8m；滑坡仅限于1级边坡，滑坡后缘没有跨过一级边坡和二级边坡间的平台。

滑坡形成的滑坡后壁多有大量地下水渗出，流出的地下水在滑坡体表面形成径流，冲刷坡面形成泥浆水。从滑坡后壁的地下水渗出位置看，滑坡发生的后缘一般与地下水渗出的最大高度接近，表明地下水渗流作用对滑坡的形成具有直接作用。

图2 滑坡特征

针对滑坡特征，根据图1所示的滑坡剖面建立计算模型如图3所示，通过改变边坡后缘的水位，计算地下水位变化对边坡稳定性的影响，并根据地下水位变化分析边坡稳定性变化特征。根据开挖坡面岩土分布特征调查分析和土工试验，确定计算分析模型的物理力学参数如表1所示。

图3 边坡渗流场和稳定性计算剖面

3.2 边坡渗流场

表1 土体材料参数

采用有限元软件对边坡进行渗流和稳定性分析，对计算模型约束底部的水平和竖直位移，约束两侧的水平位移，斜坡表面设定为排水边界。在进行渗流计算时，坡体的地下水渗流服从达西定律：

（5）加强质量监督信息化管理。监管方式要与时俱进，对工程项目采取信息化手段开展监控式管理，实行远程监督。逐步推动流域内水利工程建设实时监控系统、卫星遥感遥测监控系统[5]、水利工程质量监督信息系统等信息化工程建设，实现与水利部、各省水利工程质量信息平台的互联互通和信息共享，按政务公开相关规定发布质量信息。同时与已建成的“全国水利建设市场信用信息平台”联网，将检查出的质量问题纳入各生产经营单位信用信息系统，由质量监督机构参与信用体系评价和管理，为长江流域质量监督提供信息化科技保障。

式中：x、y——单元的渗透主方向；

vx、vy——渗流沿x、y方向上的渗流速度；

Kx、Ky——土体的x、y方向上的渗流系数；

H——渗透水头。

通过改变边坡后缘的地下水位进行稳态渗流计算，结果如图4所示。随着边坡后缘坡体地下水位上升，地下水会在开挖边坡坡面出露，这与雨季边坡地下水在坡面渗出的实际情况相一致。

3.3 稳定性分析

图4 边坡渗流场随坡体后缘水位的变化

根据边坡渗流场计算结果，考虑不同降雨入渗条件引起的渗流场条件，采用滑坡稳定系数计算公式（2），计算分析地下水渗流场变化条件对边坡稳定性的影响特征。

αi——第i条块滑面倾角，（°）；

φi——第i条块内摩擦角，（°）；

Ci——第i条块内聚力，kPa；

Li——第i条块滑面长度，m；

ψj——第i-1块段的剩余下滑力传递至第i块段时的传递系数，即ψj=cos（αi-1-αi）-sin（αi-1-αi）·tanφi；Rn=Wncosαntanφi+CnLn；Tn=Wnsinαn。

依据不同后缘地下水位引起的边坡渗流场变化，计算边坡安全系数与边坡后缘水位的关系如图5所示。由图5可知，随着边坡后缘地下水位的抬升，边坡稳定系数逐渐减小。当边坡后缘水位上升到30m高程时，1级边坡安全系数小于1.0。因此，地下水位的上升引起渗流力的增加是导致边坡失稳破坏的主要原因。

图5 边坡后缘水位与安全系数关系图

4 结语

315省道K92边坡岩性为残坡积土，岩土的力学强度较好，干旱季节边坡的稳定性好。但由于边坡后缘有广阔的降雨入渗补给区，其表层坡积土渗透性强，降雨入渗条件好，前缘开挖边坡残坡积土层厚度大，渗透性较差，造成边坡地下水排泄梳干过程缓慢。因此，边坡具有良好的降雨入渗条件和良好的储水条件及较差的排泄条件，雨季边坡地下水丰富。滑坡的基本特征表现为：滑动面呈圆弧形，属于均质土坡的典型滑动形态；滑坡的前缘剪出口多位于坡脚挡墙的顶部；滑坡体厚度较小，一般厚度不超过5m，局部最大厚度不超过8m；滑坡形成的滑坡后壁多有大量地下水渗出，流出的地下水在滑坡体表面形成径流。说明滑坡的成因受地下水位变化影响显著，通过改变边坡后缘的水位，计算地下水位变化对边坡稳定性的影响，并根据地下水位变化分析边坡稳定性变化特征，表明随着边坡后缘地下水位的抬升，边坡稳定系数逐渐减小。当边坡后缘水位上升到30m高程时，1级边坡安全系数小于1.0。由此可见，地下水位的上升引起渗透力增加是导致315省道K92边坡失稳破坏的主要原因，进行边坡深部排水，有效降低坡面附近地下水位，可作为该边坡灾害治理的主要手段。