降雨条件下山塘边坡稳定性评价及锚杆加固措施研究

万海龙，齐一帆，张 萍，吕从聪，熊勃勃

（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江 杭州 311122；2.三峡大学水利与环境学院,湖北 宜昌443002）

1 引言

降雨入渗是诱发边坡失稳的主要原因之一,是一种典型的非饱和流固耦合现象,且研究表明绝大多数的滑坡均发生在雨季［1-3］。究其原因在于,降雨入渗造成坡体内含水量增加,导致非饱和区域的基质吸力减小,土颗粒间的有效应力降低［4］。由于降雨入渗对边坡稳定性的影响与降雨强度、历时、雨量、雨型以及边坡的地形地貌等诸多因素有关［5］,因而难以全面考虑降雨对边坡稳定的影响因素［2］。

目前,分析降雨条件下边坡稳定的方法主要包括：简化计算渗流的极限平衡法、有限元方法和极限分析法［6］。国内外学者［7-9］已对降雨入渗条件下边坡的非饱和渗流过程及其对边坡稳定性的影响进行了较多研究,然而这些研究多是针对加固前边坡,对锚杆加固后降雨边坡的稳定性研究涉及较少。年延凯等［10］利用考虑桩-土-边坡相互作用的强度折减有限元程序,探讨了抗滑桩-边坡体系的计算模型尺度,并探讨了抗滑桩参数对边坡稳定安全系数及临界滑动面的影响；唐晓松等［11］结合有限元强度折减法分析了抗滑桩间距对边坡加固效果的影响；他们虽然研究了抗滑桩加固对边坡稳定性的影响,但却未考虑降雨因素。CAI等［12］利用有限元强度折减法,研究了降雨条件下水平排水对抗滑桩加固边坡稳定性的影响。李宁等［13］提出了降雨作用下抗滑桩边坡稳定性分析的有限元强度折减法,并应用该方法研究了降雨前后抗滑桩对边坡稳定性的影响；郭震山等［14］研究了降雨入渗对边坡孔隙水压力分布及边坡稳定性的影响,并对降雨强度、基质吸力及桩顶约束形式对边坡稳定性的影响进行了参数分析；次仁拉姆［15］基于有限元分析,对不同降雨工况下的孔隙水压分布、锚索轴力及采用强度折减法计算的边坡安全系数变化规律进行了研究。虽然这些学者对降雨条件下的抗滑桩边坡开展了相应研究,但未涉及锚杆形式、布置方式及其数量对加固后边坡稳定性影响的研究。

本文以会东县松坪山塘边坡为例,基于ABAQUS有限元软件进行降雨条件下渗流-应力耦合分析,并采取有限元强度折减法求解其安全系数,分析降雨入渗对山塘边坡稳定性的影响,并在此基础上进一步探讨砂浆锚杆的长度、位置、数量和纵向间距等因素对降雨边坡稳定性的影响。

2 研究理论基础

2.1 岩土的非饱和渗流理论

实现非饱和渗流计算的关键在于确定非饱和区渗透系数和饱和度随基质吸力的变化关系,文中采用Cho和Lee经验公式［7］,即非饱和区渗透系数随基质吸力的变化关系为：

式中：Kw为非饱和区材料的渗透系数；Kws为土体饱和时的渗透系数；ua为孔隙气压力；uw为孔隙水压力；aw、bw和cw为材料常数。

饱和度随基质吸力的变化关系为：

式中：Sr为饱和度；Si为残余饱和度；Sn为最大饱和度；as、bs、cs均为材料常数。

由于没有上述参数的试验数据,所以在后续数值分析过程中,上述参数均参考文献［2］和［7］进行取值。

2.2 非饱和土边坡的强度折减法

由于极限平衡法和传统强度折减法均不能考虑孔隙水压力和基质吸力的影响,因此难以直接用来求解考虑降雨和地下水位作用下的边坡稳定性问题。Fredlund在饱和土的Mohr-Coulomb强度公式基础上考虑基质吸力对土体强度的影响,并提出了经典的非饱和土抗剪强度计算公式：

式中：c＇为有效粘聚力；σ为正应力；ua为孔隙气压力；uw为孔隙水压力；ua-uw为基质吸力；φ＇为有效内摩擦角；tanφb为抗剪强度随基质吸力增加的速率。

从式（3）中可看出,基质吸力对非饱和土抗剪强度有一定影响,通常将基质吸力视为黏聚力的一部分,则粘聚力变为：

因此,基于Fredlund理论的非饱和土强度折减法中粘聚力和内摩擦角的折减公式分别变为：

计算中假设不同的强度折减系数,根据折减后的强度参数进行有限元分析,并以坡顶点位移拐点作为边坡失稳的判据［16］。

3 降雨条件下松坪山塘边坡稳定性分析

3.1 工程概况

松坪山塘位于四川省凉山彝族自治州南端会东县松坪乡集镇内,该地地理环境复杂多样,垂直差异明显。境内地形呈中间低、四周高的山间盆地状,海拔高度在640 m~3331.8 m之间。场地原始地面高程为1840 m~1880 m,开挖后山塘底部高程为1947.8 m。经地质勘测知边坡内地层岩性不一,由上往下分别是含砾质黏土、粉土和千枚岩,地质情况较为复杂,且气候变化大,降雨频发,在自然降雨条件下可能会引起坡内土体的轻微滑动。

选取典型剖面建立二维有限元模型,见图1。模型的底部采用固定约束,两侧采用铰支座约束,边坡的顶面和坡面（水位以上）设置为降雨入渗边界。有限元模型共划分单元2503个,节点7722个。各层材料采用的物理力学参数见表1［17-18］。

图1 典型剖面二维有限元模型

表1 材料的物理力学指标

3.2 考虑降雨对山塘边坡内渗流场的影响

得到不考虑降雨及降雨72 h之后两种工况下边坡内孔压等值线云图,见图2。

图2 不同工况下边坡内渗流场分布

对比分析可以发现,在降雨72 h之后,山塘边坡的孔隙水压力分布仍呈层状分布,但边坡表面的孔隙水压力有所提高。究其原因在于,在边坡的降雨入渗过程中,边坡表层逐渐变湿,基质吸力随着降低,边坡表层的孔隙水压力在不断增加并且形成一个暂态饱和区,由初始的负孔隙水压力逐渐上升为正孔隙水压力。

3.3 考虑降雨对山塘边坡稳定的影响

降雨72 h之后边坡的水平位移分布及折减系数随山塘边坡水平位移U1的变化关系见图3~图4。

图3 边坡失稳时的水平位移分布

图4 边坡的安全系数

通过强度折减法的评价标准及特征部位（坡顶）的位移拐点可以判断出,不考虑降雨时边坡的安全系数为1.348,大于《建筑边坡工程技术规范》规定安全系数允许值1.30,说明降雨前边坡处于稳定状态；而降雨72 h之后边坡的安全系数降为1.194,小于规范建议的允许值。综上可知,研究坡段受降雨影响剧烈,在降雨72 h之后不稳定,并产生较大滑动,最大水平位移达11.03 cm。

4 边坡加固措施及锚杆参数对降雨边坡稳定性的影响分析

4.1 边坡加固措施

由边坡加固前稳定性分析结果可知,研究坡段在降雨工况下处于不稳定状态,需要进行边坡加固。结合项目区地质灾害发育特点、相似工程的治理经验,主要采用砂浆锚杆加固的方式,并辅以框格梁并码放植生袋进行坡面绿化,同时在边坡周边设置排水沟以减少降雨对边坡的不利影响。沿坡面布置砂浆锚杆,锚孔直径取为110 mm,角度下倾34°。

为进一步探究锚杆参数对降雨边坡稳定性的影响,分别针对不同锚杆长度、布置位置、以及锚杆数量开展数值研究。

4.2 锚杆长度对结果的影响

降雨72 h之后边坡塑性区分布见图5,从图中可以看出,边坡塑性区完全贯通,边坡失稳,此时预设值锚杆处的塑性区深度为8.3 m。为探究降雨条件下锚杆长度不同对边坡安全系数的影响,在边坡中间位置分别布置杆长为6 m、9 m、12 m和15 m的锚杆,并与不设置锚杆情况进行比较。

图5 降雨边坡塑性区分布

计算得到不同锚杆长度下边坡的安全系数随位移变化分布见图6。从图中可以看出,随着锚杆长度的不断增加,降雨边坡的安全系数逐渐增大,说明在一定范围内,桩长越长,锚杆的抗滑作用越明显,边坡安全系数越高。如果设置锚杆长度小于塑性区深度8.3 m,比如设置6 m锚杆,则对提高边坡稳定性效果不理想,这是因为锚杆长度较短时,滑动面会越过锚杆底部,造成锚杆和滑动土体一起下滑。

图6 锚杆长度对安全系数的影响

4.3 锚杆位置对结果的影响

分别将15 m的锚杆布置在图7 中的边坡中点I处、中间偏上3 m的II处和中间偏上6 m的III处,并与不布置锚杆情况进行比较。计算得到锚杆位置不同对边坡安全系数的影响见图8。

图7 降雨边坡锚杆位置

图8 锚杆位置对安全系数的影响

从图中可以看出,锚杆分别设置在I、II、III处时边坡的安全系数依次为1.258、1.244和1.236,说明考虑降雨条件下,锚杆位置距离坡脚越远,锚杆加固边坡的安全系数越小,加固效果越不理想。分析其原因可能在于降雨引起坡脚处渗透力增大,进而导致坡脚处率先发生破坏,锚杆距离坡脚较远起不到稳固坡脚的作用。

4.4 锚杆数量对结果的影响

上述分析表明,无论是增加锚杆长度或合理调整锚杆的位置均有利于提高边坡的稳定,但计算得到的安全系数均小于规范建议值1.30,仍不能满足要求。为此,文中进一步探讨锚杆数量对边坡稳定性的影响,沿边坡分别布置1根、2根和3根锚杆,并与不布置锚杆情况进行比较。计算得到布置多根锚杆对降雨边坡安全系数的影响,见图9。

图9 多根锚杆对安全系数的影响

从图9（a）中可以看出,随着锚杆数量的增加,降雨边坡的安全系数逐渐增大,当布置3根锚杆时,安全系数提高至1.341,大于1.30,说明布置3根及以上锚杆后边坡处于稳定状态。从图9（b）中可以看出,考虑降雨情况下,锚杆布置的过密,不利于雨水的排放。分析原因可能在于,桩后地下水位的抬升将增加滑坡体的饱和状态,使得抗滑力减小,进而降低锚杆抗滑效果。

5 结论

以松坪山塘边坡为研究对象,基于岩土非饱和渗流理论和非饱和土的强度折减法,并借助ABAQUS软件研究了降雨对山塘边坡稳定性的影响,并在此基础上进一步对降雨条件下锚杆加固边坡进行研究,得到如下结论：

（1）与不考虑降雨情况相比,考虑降雨之后,山塘边坡的孔隙水压力分布仍呈层状分布,但边坡表面的孔隙水压力有所提高；边坡受降雨影响强烈,在降雨之后易边坡失稳。因此,需要对降雨边坡进行加固处理。

（2）在一定范围内,锚杆长度越长,降雨边坡的安全系数越大,锚杆的抗滑作用越明显。如果设置锚杆长度过短,且小于塑性区最大深度,则对提高边坡稳定性效果不理想,所以在进行锚杆加固时,应根据规范和实际情况适当加大锚杆长度。

（3）对于常降雨位置边坡,可布置多根锚杆以提高边坡的安全系数；同时,应合理布置多锚杆之间的间距,以便更好地发挥锚固效果。