强降雨与地下水作用下公路施工期滑坡分析与治理

孙云龙，王艳坤，刘 杰，段彦福

(1.新疆维吾尔自治区交通规划设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830006；2.石河子大学 水利建筑工程学院，新疆 石河子 832003)

0 引 言

中国山区面积约占总地域面积的70%。在山岭地区修筑公路时经常会遇到滑坡地质灾害，造成巨大的经济损失。水是很多滑坡甚至大型滑坡的直接诱发因素，尤其是强降雨引发的滑坡，频度最高[1]。这种情况在工程建设过程中相当普遍，例如：2010年，受连续暴雨天气影响，贵州北部多处在建公路发生山体滑坡，造成了重大经济损失；2011年，福建省双永高速在施工过程中，强降雨诱发滑坡，造成7人遇难；2013～2014年，凯羊高速公路在施工过程中，因开挖和降雨等因素先后诱发多次连续大变形，引起二级大型牵引式顺层滑坡。

由于公路施工使地形、地貌产生一定的改变，削方减载与填土反压工程导致岩土体受力状态发生变化，暴雨入渗和地下水位变化，伴生岩土体强度劣化，引起地质状况的急速恶化，导致施工过程中滑坡的发生。因此，施工过程中公路降雨型滑坡成因复杂多样，滑坡防治方案比选、优化及实施难度大，如何对施工过程中降雨型滑坡进行防治，一直是滑坡研究中的热点问题。

不少学者对施工过程中降雨诱发边坡滑坡问题做了许多研究。王浩等[2]基于沈海复线高速公路漳州段K65滑坡在路堑开挖后被触发的治理工程，解释了路堑高边坡施工过程中的降雨触滑机制。王镇辉[3]以松建高速A6合同段左侧边坡降雨诱发的较大滑坡为背景，对现场地质调绘、钻孔资料和已有的监测位移进行研究，分析了滑坡的变形破坏特征、成因，提出了治理方案和建议。赵建军[4]以汤屯高速公路大量边坡为例，通过对边坡工程地质条件、岩体结构特征、变形破坏模式等的研究，建立了一套较为完善的山区公路边坡稳定性快速评价方法体系。在研究手段方面，张文华[5]、年廷凯[6-7]等借助有限元分析软件研究边坡稳定性，安玉科[8]、邓小鹏[9]、刘英朴[10]、王志明[11]、罗伟[12]、韦秀东[13]结合实际工程分析了边坡滑坡抗滑机理，这些研究成果为解释降雨诱发滑坡机理奠定了理论基础，但对于在施工过程中的持续降雨与地下水变化的相互作用下，边坡变形破坏的复杂机制及防治措施却缺乏研究，将相关理论应用于实践，并综合降雨、地下水位变化、地形地貌特征、岩土体力学性质研究滑坡的失稳过程和防治措施尚不多见。随着计算机应用技术的发展，数值模拟成为分析降雨型滑坡失稳机理和稳定性最有前景的方法之一。

以赤水河谷旅游公路K93+203～K93+496段在施工过程中发生的降雨诱发型滑坡为研究对象，在现行规范的基础上，将有限元分析法和极限平衡法相结合，考虑地下水位的变化，力图解释持续降雨与地下水变化的相互作用下边坡的触滑机制和治理措施，为类似工程灾害的防控提供参考和依据。

1 工程概况

K93滑坡位于赤水河谷旅游公路K93+260～K93+460路线右侧，最大开挖高度约17 m，分为二级边坡，于2015年5月开挖至设计标高。滑坡区处于低山河谷地貌，微地貌为赤水河右岸斜坡，边坡上部为粉质黏土和人工填土，下伏基岩为强风化～中风化泥岩、强风化～中风化砂岩，为典型的二元结构边坡。滑坡区地震动峰值加速度为0.05g，反应谱特征周期为0.35 s，地震基本烈度为Ⅵ度。滑坡区位于象鼻场向斜南翼，地层稳定，无断层及次级褶皱，岩体呈单斜产出，岩层产状98°∠9°，边坡坡向274°，岩层倾向于边坡坡向176°，为逆向边坡。滑坡区距离赤水河水平距离约70 m，高于赤水河约70 m，滑坡区所在的斜坡上方为一宽缓台地，台地宽150～240 m。自然坡度约15°～20°，坡面为耕植地、灌木林及少量民房。滑坡典型工程断面如图1所示，滑坡体坡脚位置实地情况如图2所示。

图1 滑坡典型工程断面

图2 滑坡体坡脚位置

因施工期遭遇多次强降雨，覆盖层土体沿岩层面在开挖边坡面上剪出、垮塌，坡面出现不同程度开裂，危及滑坡体周边房屋和滑坡体上部国道安全。通过地质勘察，发现滑坡地表形态清晰，滑壁等保存完整，壁面新鲜，滑体物质较松散，裂缝发育，所以可以判断该滑坡体为新滑坡体。上部由黏土、粉质黏土构成，整体工程性质较差；下部为强风化砂岩(J3p)和泥岩(J3p)，晶质结构，中厚层状，节理裂隙极发育，岩质极软，岩体极破，是该地段斜坡的相对隔水层。当有植被时，雨水无法直接渗进土层，无法增加土体的重量，所以植被可以减少滑坡的可能性。

2 地下水和强降雨的影响

2.1 地下水

滑坡处地下水位埋深为13.4～21.6 m，均赋存于第四系松散堆积物中，地下水类型为残坡积层孔隙水、裂隙水，以及强、中风化基岩层裂隙水。滑坡区所在的沟谷底部为赤水河，常年流水，滑坡区远高于赤水河河面，无稳定地下水。K93+340、K93+440处坡面有2条间歇性溪流。降雨期间，滑坡区上方的平台及平台之上斜坡接收的降水，主要汇集于这两条溪流，因此滑坡区地下水主要由间歇性溪流及大气降水产生的地表水垂直渗入，遇阻水层产生横向流动，沿斜坡下方排入赤水河，坡体内的孔隙水以大气降水和裂隙水补给为主。由于毛细作用，丰富的地下水会沿着土的孔隙向上迁移，迁移的这部分毛细水有可能进入潜滑裂面，增加土的容重，进而增加下滑力。

2.2 强降雨

图3 降水渗透深度-潜在滑裂面关系示意

集中的雨水下渗至下部相对隔水的岩层后形成相对的软弱层，为滑坡形成提供有利条件。另外，滑坡区有2条间歇性溪流，增加了该地段斜坡的不稳定性，上述特殊的坡体地质结构、三面临空的地形条件、溪流的冲刷及集中降雨等有利条件共同导致了该滑坡的形成。根据降水滑坡的影响可知，降水越均匀、持续时间越长，安全稳定性越低[14]。图4为降水持续时间与安全系数的关系。

图4 降水持续时间与安全系数的关系曲线

3 滑坡分布形态及滑面和滑带土特征

3.1 滑坡分布形态

3.1.1 地面裂缝分布规律及滑坡特征

K93+415～K93+460段裂缝分布于边坡开挖线上方斜坡60 m范围内，主要为张拉裂缝，近似沿顺坡面等高线分布。裂缝长度为13～80 m，开裂宽度为5～50 cm，错落0～50 cm。边坡开挖面有剪出、坍塌。K93+260～K93+355段裂缝主要分布于开挖线上方斜坡9 m范围内，主要为张拉裂缝，近似沿顺坡面等高线分布，裂缝长10～15 m，开裂宽度为2～5 cm，错落0～50 cm，边坡开挖面有剪出，最大剪出约15 cm。K93+355～K93+415段开挖边坡无剪出、坍塌，但在开挖线35 m外裂缝发育。因该段边坡及边坡开挖线上斜坡稳定，因此该裂缝的产生由K93+415～K93+460段引起。

3.1.2 基岩面分布规律

滑坡区基岩面外倾，倾向赤水河，其中K93+260～K93+340段外倾角度为16°～17°，K93+260～K93+340段外倾角度为3°～4°。

3.1.3 基岩面上土体分布规律

K93+340～K93+460段滑坡边坡开挖线外斜坡上覆盖层土体厚度为6.1～8.7 m，50 m外由于为填方路基，回填土加原状土厚度达13 m。K93+260～K93+340段滑坡边坡开挖面覆盖层土体厚度为5～7 m，开挖线外斜坡土体逐渐增厚，至斜坡与平台转折处厚度为11～12.4 m。K93+336冲沟处边坡开挖面土体厚度为12～13 m。

2.1 虾稻鳜综合种养投入情况 虾稻鳜综合种养模式中，水产苗种及饲料投入较大，其中水产苗种(虾、鳜鱼)成本占总投入的28.9%，水产饲料(虾饲料+饵料鱼+饵料鱼饲料)成本占总投入的33.1%，共占总投入的62.0%(表2)。

3.2 滑面和滑带土特征

根据钻孔和现场踏勘，此滑坡的滑动面有上陡下缓和次级滑面的特点 。滑带是由厚度约6 m左右含水量较高的粉质黏土组成。滑动体长期处于蠕滑状态，该段路基开挖后，加剧了滑动体的滑移，在大气降雨和水流冲刷的作用下，滑体坡脚处土质稳定性变差，从而失稳形成了滑体前部的牵引式破坏和滑体后部的落水洞及张拉裂缝。另外，滑坡左侧界受冲沟影响，在局部沟帮位置发生蠕变，形成多条纵向张拉裂縫。

4 边坡稳定性分析

4.1 折线法边坡稳定性分析

根据该工程滑坡滑裂面形态，查阅岩土相关规范，得到滑坡稳定性系数计算公式，见式(1)，其中传递系数ψj由式(2)表示，滑动力Ri由式(3)表示。

式中：Fs为稳定系数；θi为第i块段滑动面与水平面的夹角(°)；Ri为作用于第i块段的滑动力(kN·m-1)；θi为第i块段土的内摩擦角(°)；ci为第i块段土的黏聚力(kPa)；Li为第i块段滑动面的长度(m)；Ti为作用于第i块段滑动面上的滑动分力(kN·m-1)，出现与滑动方向相反的滑动分力时Ti取负值；ψj为第j块段的剩余下滑动力传递至第j+1块段时的传递系数。

根据滑坡体坡面特征，给滑坡体土条编号①～⑤，如图5所示。分别进行分析计算，得到每个滑块的安全系和抗滑力，如表1所示。从表1可以看出，①～④号安全系数Fs小于最低安全系数1，该边坡为不稳定坡，需要采取措施进行加固处理。

图5 滑体示意

根据岩土相关规范，滑坡推力采用折线形滑面传递系数法计算，见式(4)。通过表1中土的物理参数计算抗滑桩抵抗的最大推力，为5.87×103kN·m-1。

表1 抗滑力分析计算

Ti=FsWisinαi+ψiTi-1-Wicosαitanθi-ciLi

(4)

式中：Ti，Ti-1为第i和第i-1滑块剩余下滑力(kN·m-1)；Fs为稳定安全系数；Wi为第i滑块的自重力(kN·m-1)；αi，αi-1为第i和第i-1滑块对应滑面的倾角(°)；θi为第i滑块滑面的内摩擦角(°)；ci为第i滑块滑面的黏聚力(kN·m-1)；Li为第i滑块的滑面长度(m)；ψi为传递系数。

边坡开挖造成覆盖层土体沿外倾基岩面滑动，根据计算拟于下列几处设置桩板墙：K93+400～450段右侧50 m处，即G546填方路基边坡脚外侧1.5～2 m处；K93+420～450段边坡开挖线外10 m处；K93+260～325段边坡开挖线外10 m处。K93+325～340段在一级边坡上设置抗滑桩。

4.2 滑坡稳定性有限元数值分析

4.2.1 模型建立

室内、室外试验得到黏聚力c、摩擦角θ、法向刚度和切向刚度等参数，它们是模型属性参数的重要依据，从室内试验和地勘报告获取，如表2所示。有限元分析模型如图6所示。

表2 岩土层物理力学参数

根据图1，选取最不利断面建立有限元数值分析模型，如图6所示。模型由两部分组成：第一部分为边坡土体，厚度为20～30 m；第二部分为混凝土抗滑桩，网格尺寸约为2 m，网格类型为混合网格。

图6 有限元数值分析模型

4.2.2 无抗滑桩时的稳定性数值分析

无抗滑桩的二维模型安全性模拟结果如图7所示，模拟的安全系数为0.823，可以得到滑坡滑裂面的大致位置。可以看出，不设置抗滑桩的情况下，一旦滑坡雨水渗透边坡，就会发生二次连续滑坡，因此需要选择合理的加固措施对边坡进行加固处理。通过有限元数值分析可以看出，滑动面位置与钻孔结果一致，说明有限元数值模型参数合理，计算结果可靠，可以较为准确地确定边坡滑动面的位置。

图7 数值分析滑裂面位置

4.2.3 有抗滑桩时的受力分析

图8为抗滑桩外侧被动推力产生的应力云图，抗滑桩外侧的被动推力主要是由内侧主动推力产生的。图9为抗滑桩内侧推力产生的应力云图。从受力面积来看，内侧的应力较集中，外侧应力比较分散。这是由于，内侧抗滑桩的某个位置恰好在滑裂带上，滑裂带以上土体要相对抗滑桩移动，抗滑桩抵抗移动使桩产生抗滑力。

图8 抗滑桩外侧被动推力

图9 抗滑桩内侧主动推力

图10为抗滑桩轴力云图，从图中看出，桩底左侧比右侧所受的轴力大，这是由于滑坡体的推力作用导致桩自身重力与桩体不平行所致，在这种状态下桩有向右倾到的趋势。当这种情况发生时，说明滑坡体的推力比抗滑桩的抗滑力要大。从桩身整体受力来看，桩身左侧比右侧应力分布均匀，桩整体受力部分在桩长度的2/3处，如图11所示。

图10 抗滑桩轴力受力云图

图11 整体应力云图

5 结 语

以赤水河谷旅游公路K93+203～K93+496段降雨诱发滑坡为研究对象，综合分析了滑坡的变形破坏机制，揭示滑坡机理，为工程防治提供依据，主要结论如下。

(1)从滑体的形态特征成因看，边坡稳定性与土体类型、降雨强度以及坡面倾角等因素有关，该滑坡目前的稳定性差，强降雨和地下水相互作用为滑坡形成的主要诱因，间歇性溪流水下渗使稳定性恶化，进而导致滑体整体失稳。

(2)滑动面位置与边坡土体的透水性相关，边坡稳定性系数与强降雨时间有一定相关性，边坡深层失稳发生在不透水边界上，不透水边界位置与岩土体透水性、降雨强度、地下水位变化有关，与有限元数值分析结果一致。

(3)从抗滑桩桩身整体受力来看，桩身左侧比右侧应力分布均匀，桩整体受力部分在桩长度的2/3处，桩底左侧轴力比右侧大，从受力面积上来看内侧的应力较集中，外侧应力比较分散。