降雨作用下第四系堆积体路堤稳定性

廖 军，邓 涛，周越良，龚洪苇，冯文凯，2

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

改革开放以来，中国山区公路得到了快速发展，在工程建设中斜坡上填筑形成路堤是一种常见的路基模式[1-3]，且第四系堆积层的土质斜坡普遍存在[4-5]。因此，在此类斜坡上进行建设时，要考虑土质不匀、厚度较薄、非饱和性等特点。当雨季来临之际，往往会引发路基失稳破坏，给国民生命财产安全造成巨大的损失[6-7]。工程建设中需要充分重视并及时采取相应措施。

在实际工程中斜坡上路堤填筑形式各不相同，据国家行业标准《公路路基设计规范》(JTG D30—2015)规定[8]路基填土边坡高度大于20 m为高路堤，小于1～1.5 m为矮路堤，基于两者之间的为一般路堤。

近年来，中国学者开展了一系列对斜坡地基上填筑路堤的稳定性研究，其中刘涌江等[9]通过数值分析方法与离心模型试验验证，结果表明塑性区发源于路堤与地基交界处，随路堤的填筑向上扩展则塑性区逐渐增大；冯文凯等[10]结合底摩擦试验方法对斜坡上路堤变形破坏进行研究，得到了路堤失稳趋势与斜坡坡度呈正相关；蒋鑫等[11]基于极限平衡理论对斜坡路基填筑全过程稳定性分析，得到了地层厚度、填土高度变化对稳定性的影响。

以上研究大部分针对斜坡上路堤填筑过程中或运营期间的稳定性。目前广泛认为降雨可作为引发边坡失稳的主要诱因[12-13]，喻进辉[14]运用Seep模块对降雨作用下的高路堤边坡渗流特征及其稳定性研究；王瑞钢等[15]基于饱和—非饱和渗流数学模型对降雨作用下高填土质路堤边坡的渗流稳定分析；刘丽[16]对强暴雨入渗时不同压实度的强风化软岩路堤边坡填土强度变化及渗透性规律进行分析；何忠明等[17]、段旭龙等[18]开展了降雨作用下渗透力对粗粒土高路堤边坡稳定性的影响研究；赵建军等[19]、付宏渊等[20]、何忠明等[21]基于室内模型试验，探究了降雨入渗对路堤渗流特征与稳定性的影响。

可见对高路堤稳定性研究较多，但对于一般路堤的填筑层和第四系堆积层非饱和性的稳定性分析研究较少。在山区公路建设过程中,在稳定的第四系堆积体上填筑低路堤虽然满足路基设计规范对一般路基的要求，不需要进行单独验算,但在长期降雨作用下其稳定性持续降低，出现了变形失稳破坏，值得探讨。

因此，以四川省阆中市沟溪乡某段第四系堆积层斜坡路堤(属一般路堤)失稳为依托工程，开展降雨入渗对路堤稳定性研究。根据现场资料与调查，得到现场相关参数，构建边坡模型，导入SEEP/W进行降雨入渗模拟计算可得到填筑前后原始斜坡、斜坡路堤两种渗流场分布情况，结合SLOPE得到稳定性计算结果。对降雨作用下第四系堆积斜坡上路堤的稳定性评价，为该类边坡设计与加固提供工程借鉴。

1 工程概况

1.1 工程地质环境

研究区位于四川省阆中市沟溪乡某油井进场道路的某段第四系堆积斜坡上填筑路堤工程，其填筑高度为1.5～4.2 m，属于一般路堤，其发生滑坡破坏地理位置如图1所示。由图2所示剖面可知，由碎石填土(人工填土层)和第四系残、崩堆积斜坡(粉质黏土层)及下卧白垩系下统苍溪组的泥岩组成。

图1 某油井进场道路1号滑坡地理位置图

图2 第四系堆积斜坡填筑路堤典型工程地质剖面图

据现场调查岩土体结构特征见图3，人工填土层填筑高度为1.5～4.2 m，主要含有泥沙和碎块石，其中泥沙结构松散，为雨水入渗提供优势通道；碎块石的岩性主要为砂岩和泥岩，呈棱角状。粉质黏土层厚度为2～6 m，整体土质不均匀，上部松散、下部稍密。其中泥岩主要成分为黏土矿物，呈层状构造，节理、裂隙发育，微-强风化，遇水易软化，可作隔水层，产状为330°∠ 3°。经资料查阅，研究区域雨量较充沛，平均年降水量为1 045.5 mm，历史最大降雨强度为71.2 mm/h，全年雨季期在6—8月，各地平均降水量在600 mm以上，占全年降水量的60%～70%。地下水位较浅，主要为第四系覆盖层上层滞水和基岩裂隙水。

图3 岩土体结构特征图

1.2 失稳破坏概况

2014年5月修建某油井进场道路，在该段第四系堆积斜坡上填筑路堤工程。于8月下旬阆中地区出现持续性降雨，据监测资料显示该时段1 h最大降雨量35.6 mm，24 h最大降雨量142 mm。此时坡体下缘处于渗水状态，8月30日坡体出现明显变形现象。经现场详勘得到整个滑体后缘高程428 m，前缘高程420 m，相对高差8 m，平面呈“扇形状”(图4)。其中路堤上部出现拉裂缝并有沉降变形现象；第四系堆积斜坡坡脚处出现剪切裂缝并导致附近水泥地板被剪胀(图2、图4)，剪出口距附近的房屋仅有数米。这些变形破坏有逐渐加剧的趋势极有可能出现整体滑移，必将严重威胁到坡体住户生命和财产安全以及道路安全运行。

图4 第四系堆积斜坡填筑路堤失稳灾害范围图

2 分析方法

2.1 降雨条件下稳定性分析理论基础

2.1.1 非饱和土水渗流控制方程

非饱和渗流与饱和渗流一样，也符合达西定律

(1)

式(1)中:vi为达西流速，m2/s；kij为饱和渗流，m/s；H为总水头，m；θ为体积含水量；kr(θ)为相对导水系数。

根据质量守恒原理和非饱和达西定律，饱和-非饱和渗流控制微分方程[15]为

(2)

式(2)中:h为压力水头，m；Ss为单位贮水系数;t为时间，s；S为源汇项；kr(h)为相对透水系数，在饱和区，kr(h)=1，在非饱和区，kr(h)∈[0,1]；C(h)为容水度，%，正压区，C(h)=0，负压区，C(h)=∂θ/∂h；β为判定饱和、非饱和状态的参数，在非饱和区，β=0，在饱和区，β=1。

2.1.2 非饱和土水渗流材料参数

非饱和参数采用Van Genuchten(VG)模型拟合水力渗透系数，即

Se=[1+(αPc)n]-m

(3)

(4)

式中:Se为饱和度；Pc为负压，kPa；n为孔隙率，%；α、m均为模型拟合参数，且m=1-β-1。

2.1.3 非饱和土抗剪强度方程

计算时基于简化Bishop法并采用非饱和土抗剪强度公式，即

τ=c′+(σn-μa)tanφ′+(σa-μw)tanφb

(5)

式(5)中:τ为非饱和土抗剪强度，kPa；c′为有效黏聚力C，kPa；φ′为有效内摩擦角，(°)；φb为基质吸力对抗剪强度的贡献所对应的摩擦角，(°)；σn-μa为净法向应力，kPa；σa-μw为基质吸力，kPa。

2.2 计算参数

通过现场勘察资料及试验，得到模型相关参数(表1)。在SEEP/W中使用VG模型计算出人工填土层和粉质黏土层的水土特性曲线(图5、图6)。在模型构建中，由于泥岩的渗透系数极小，此次研究作为饱和土体计算；水泥地板长度不足两米，对整个斜坡体稳定性影响较小，故计算模型未作考虑。

表1 计算参数表

图5 人工填土层水土特性曲线

图6 粉质黏土层水土特性曲线

2.3 计算模型

根据边坡的地质剖面图(图2)，建立降雨作用下填筑前后两种稳定性计算模型(图7)。模型横向长66.7 m，原始斜坡左侧高27.6 m、斜坡路堤左侧高29.1 m，右侧高19.2 m。采用四边形和三角形单元分隔划分计算域，斜坡路堤模型全局共计1 930个节点、1 859个单元；原始斜坡模型全局共计1 614个节点、1 546个单元。

图7 填筑前后计算模型

根据已有关于边界条件设置的研究成果，本次模型边界设定:BC段为降雨入渗边界，CD段为逸出边界；两侧AB、DE段为定水头边界，底面AE段为不透水边界，初始水位线由稳态分析得到。根据2014年8月下旬阆中市降雨实际情况，数值模拟采用等强型、平均降雨强度30 mm/h、持续时间12 h作为降雨条件，据此可对边坡可进行各个时刻的渗流分布分析及稳定性评价。

3 堆积斜坡路堤稳定性分析

3.1 降雨入渗分析

进行渗流分析时，当降雨强度小于入渗土层饱和渗透系数时按流量边界处理，当降雨强度大于饱和渗透系数时根据坡面高程按水头边界处理。运用GEO-STUDIO的SEEP/W模块可以得到降雨过程中坡体内渗流场变化。填筑前后持续降雨4 h的渗流场分布(图8)；填筑前后持续降雨12 h的渗流场分布(图9)。

图8 填筑前后降雨4 h暂态渗流场

图9 填筑前后降雨12 h暂态渗流场

如图8所示，随着降雨入渗进行4 h，填筑前后坡体内的浸水面均逐渐下降，入渗至坡体内部的雨水已到达地下水位线，导致坡脚下缘地下水位有小幅度抬升，整个粉质黏土层正在由不饱和状态逐步转变为饱和状态。而填筑后斜坡路堤的孔隙水压力上升更为明显，两土层交界处渗流场呈圆形分布，其人工填土层正逐渐形成局部暂态饱和区，此时填筑前的斜坡渗流场分布却依旧平缓(呈流线型分布)，亦未见有形成局部暂态饱和区的趋势。

3.2 稳定性分析

在SEEP/W模块中得到的孔隙水压力计算结果导入SLOPE/W模块进行稳定性计算，运用简化Bishop法，由程序计算得到最危险滑动面。对以上两种类型进行稳定系数计算(表2)，并绘制稳定系数随降雨持续时间的关系曲线(图10)。

图10 填筑前后稳定系数随降雨持续时间变化关系

表2 降雨条件下填筑前后稳定系数计算结果

当未降雨时，路堤填筑前后坡体稳定系数从1.478降至1.204；经历12 h降雨入渗后，原始斜坡稳定系数由初始状态的1.478降至1.020，其变化趋势呈线性降低，且坡体稳定性由稳定到欠稳定状态；填筑后斜坡路堤的稳定系数由初始状态的1.204降至0.860，坡体稳定性由稳定到不稳定状态，其变化趋势在0～8 h内呈线性降低，在8～12 h内出现骤降至安全系数以下。因此，填筑路堤削弱了第四系堆积斜坡初始稳定性，在降雨作用下，更容易诱发路堤失稳。

选取填筑路堤后降雨12 h的最危险滑移面结果(图11)，最危险滑移面的剪入口、剪出口与实际路堤张拉裂缝和水泥地板剪胀出位置基本一致(图2、图4)。与实际工程情况相吻合，运用数值分析模拟整个坡体失稳过程，较好地分析失稳原因，为后期工程防护提供理论支撑。

图11 降雨12 h最危险滑面计算结果

在整个工程中，因填筑层和第四系堆积层的非饱和性，受降雨入渗作用对整个斜坡渗流场造成不利影响，导致整体抗剪强度大大降低，随着降雨入渗持续进行，最危险潜在滑移面并不局限于路堤内，还对第四系堆积斜坡，最终发生整体性剪切破坏。

4 结论

以四川阆中沟溪村某道路工程一段第四系堆积体路堤为例，建立路堤填筑前后计算模型，对长期降雨作用下路堤填筑前后的稳定性进行分析，得出以下结论。

(1)路线通过处第四系堆积体地质条件简单，原始斜坡在最不利的降雨工况下也保持了稳定,路堤填筑高度仅4 m,符合一般路基的要求。

(2)堆积体路堤在最不利降雨工况下随着降雨过程稳定性系数不断降低,当降雨达到11 h,稳定性系数小于1.0，此时路堤发生破坏,与路基失稳破坏的现象一致。

(3)在山区公路建设过程中,稳定的第四系堆积体上填筑低路堤虽然满足路基设计规范对一般路基的要求，不需要进行单独验算,但在长期降雨作用下其稳定性会持续降低，极可能出现失稳破坏。因此,在工程设计与施工中应当验算其长期降雨作用下的稳定性,以保证工程的安全。