极端降雨条件下红黏土边坡灾变机理及处治对策

杨 煜, 常 森， 金宇轩， 何忠明

(1.湖南省交通科学研究院有限公司， 湖南 长沙 410015； 2.交通建设工程湖南省重点实验室， 湖南 长沙 410015；3.长沙理工大学 交通运输工程学院, 湖南 长沙 410114)

0 引言

2021年雨季，河南省中部、山西省南部及湖南省南部先后遭受特大暴雨袭击，较多地区降雨量突破历史极值，且部分区域30 h降雨量超过了500 mm，导致稳定多年的边坡发生了大量滑塌、坍塌及滑坡等病害，产生不同程度的地质灾害，形成的水毁灾害严重威胁着人民的生命财产安全，造成了难以估量的损失。而红黏土边坡作为南方地区较为常见的特殊土边坡，具有高液限、上硬下软、干裂湿涨等特点，在极端降雨工况下更容易诱发边坡的失稳[1]。

杨煜等[2]通过数值模拟分析，认为坡度和含水率是边坡稳定的重要因素。何忠明[3]等通过控制降雨强度和历时，分析降雨入渗过程中含软弱夹层红黏土边坡内部体积含水率变化特征，王磊等[4]通过数值模拟软件，模拟不同工况下边坡的稳定情况，认为放坡能够改善土体结构内部受力特征，增强整体边坡的稳定性。刘子振等[5]通过试验、参量变换等确定相关参量，得出降雨时渗流力极大影响着边坡的安全系数。红黏土边坡虽已获得众多学者的关注，但以往研究中红黏土边坡的结构较为单一，对结合既有边坡工程实际情况分析降雨条件下边坡失稳机理的研究较少，对滑塌后的红黏土边坡治理缺乏经验。因此，本文先通过室内模型试验，初步分析红黏土路堤边坡内部基质吸力和体积含水率的变化规律，然后经数值模拟，分析了红黏土路堑边坡在极端降雨条件下，边坡内部孔隙水压的变化规律及水流矢量的变化情况，并分析了极端降雨条件下边坡的稳定性变化规律，同时提出红黏土边坡失稳后处治对策，为既有红黏土边坡防护提供指导。

1 红黏土边坡参数

降雨对边坡的影响主要有3个方面，分别是土体容重、滑面参数和孔隙水压力[6]。其中容重为主要影响因素，边坡土体的容重可以按以下3部分区分:①水位线上升造成原来水位线以上的土体重度演变为饱和重度；②由于降雨导致雨水入渗局部边坡表土，地表范围内的土体出现局部饱和;③边坡土体中部没有受到水位线及降雨入渗影响的原状土体。因此，在进行数值模拟时应确定体积含水率与基质吸力的变化关系。

本项目K58+200～K58+300右侧为深路堑边坡，为土石边坡，上部为红黏土，下部为灰岩体。根据施工图设计工程地质勘察说明，结合室内土工试验规范，确定此红黏土边坡基本物理力学参数(见表1)。

表1 K58+200～K58+300右侧红黏土边坡岩土材料参数岩性重度γ/(kN·m-3)凝聚力τ/kPa摩擦角φ/(°)渗透系数k/(m·s-1)饱和含水率液限ωL/%塑限ωP/%红黏土18.64613.51.02×10-40.4365.0027.06强风化泥灰岩25—554.7×10-90.1——中风化泥灰岩25—555.2×10-90.046——

红黏土可根据液限比与界限液塑比之间关系，以及复浸水特性进行分类，公式如下：

(1)

I′r=1.4+0.006 6ωL

(2)

式中：Ir为液塑比;I′r为界限液塑比。

通过计算得出该处红黏土为I类，收缩后复浸水膨胀，能恢复到原位。

滑面参数指标的确定:滑面应根据地下水位的变化情况，合理选择不同状态下的剪切试验指标;此外，考虑到需要处治的滑坡基本处于欠稳定状态，必要时滑面参数可依据滑坡的稳定状态结合水的作用共同考虑，进行滑面参数的选择。在工程实践中，由于很难在连续降雨和暴雨后去测得变化的水位线，在边坡稳定性计算时，往往根据合理工程经验将黏聚力和内摩擦角适当进行折算取值，如将黏聚力折减5～10 kPa，内摩擦角折减0.5～1.5°，或将摩擦角和黏聚力均折减为原来80%。本文对水位线以下或局部饱和的土体参数选取第二种方法，将饱和区域内岩土体参数进行折减进行相关计算。

2 室内模型试验

2.1 模型试验的建立

鉴于现场红黏土路堑边坡内部基质吸力和体积含水率监测困难，且室内路堑边坡模型试验中岩土材料黏结强度及密实度难以控制，本文借助红黏土路堤边坡室内模型试验，利用张力计和含水率测试仪，对红黏土边坡内部基质吸力和体积含水率进行测试。

为了实现对红黏土边坡强降雨工况下降雨入渗的演变监测，室内试验基于相似理论对边坡几何尺寸进行缩减，在符合牛顿第二定律及运动学原理的基础上，通过物理量纲确定力学参数，在室内填筑相应的路堤模型，并根据相应降雨强度和历时，开展室内边坡降雨模型试验，室内路堤模型和边坡降雨监测装置如图1、图2所示。

图1 室内边坡模型

图2 边坡降雨监测装置

2.2 模型试验结果分析

通过红黏土路堤边坡监测数据可知，在降雨入渗影响下，随着降雨持续时间增长，边坡表层孔隙水压力及含水量逐渐增大，直至土体达到饱和状态。边坡表层出现由降雨入渗引起的暂态饱和区，暂态饱和区内孔隙水压力大于0，含水量达到饱和含水量。

边坡在降雨作用下孔隙水压力、含水量率先在边坡坡脚位置增大，随着降雨持续，孔隙水压力、含水量增大区域沿着坡面上部及内部延伸。降雨停止后，由于雨水的出渗，孔隙水压力、含水量都逐渐降低。基于以上室内试验成果，进一步开展红黏土路堑边坡数值模拟分析。

3 路堑边坡数值模拟分析

3.1 降雨工况及边界条件

根据8月23日湖南古丈、保靖等的降雨强度，日降雨量193 mm，最长降雨24 h，本文模拟了边坡降雨量193 mm(暴雨级别)和降雨历时24 h及降雨停止后48 h内边坡内部各影响因素的变化规律。结合室内试验测得该边坡土体力学参数，通过Van Genuchten 模型对渗透系数、体积含水率随着基质吸力的变化情况进行拟合，拟合曲线如图3所示。

图3 渗透系数和体积含水率随基质吸力变化规律

3.2 路堑边坡模型建立

结合项目实际情况，采用GeoStudio有限元软件建立模型，模型按施工图设计1∶1建立。边坡为土石路堑边坡，坡高37 m，在考虑计算精度和计算效率的基础上，将模型划分为1627个单元、1731个节点，在边坡坡顶及每级平台处布设监测截面，坡面及坡顶为降雨边界，坡底为路面结构，设为不透水层，模型两侧及底部为不透水层。边坡模型建立和网格划分如图4所示。

图4 边坡模型的建立

4 计算结果分析

4.1 降雨入渗条件下孔隙水压变化规律

图5为不同降雨历时条件下各监测截面空隙水压力变化情况。由图5可知，降雨0.5 d时，截面Ⅰ、截面Ⅱ、截面Ⅲ处孔隙水压力变化与降雨前相比变化较大；降雨1 d时，截面Ⅰ、截面Ⅱ处孔隙水压力较降雨0.5 d时变化较小，截面Ⅲ处孔隙水压力变化较大(由40 kPa下降到10 kPa);降雨1 d后，坡体内的孔隙水压力仍有增大，但变化趋势减弱。出现以上原因为，截面Ⅲ处为红黏土坡脚处，在降雨开始时，坡脚处出现积水，积水导致该处水位线上升，该处附近的孔隙水压力变化最大；截面Ⅱ处孔隙水压力变化较大，原因为上部边坡的表面雨水入渗，同时下部水位线不断增长，导致该处土体内部含水率变化较快，而截面Ⅰ处仅受到降雨的入渗，除部分雨水入渗外，其余均沿坡面径流。该现象符合室内红黏土路堤降雨模型试验结果，均在边坡坡脚处率先达到饱和状态，降雨入渗不断向边坡上部和边坡内部延伸，且下边坡体积含水率大于上边坡。

图5 孔隙水压力随降雨历时的变化

4.2 降雨入渗条件下水流矢量变化规律

图6为降雨过程中水流矢量变化图，由图6可知，随着降雨历时增加，坡体内水位线一直变化，且在红黏土边坡坡脚处水位线变化最大，这与室内试验红黏土边坡坡脚出现积水现象相吻合。在整个降雨过程中，水流矢量均指向红黏土边坡与岩体边坡交界面处，呈现出倒V型现象，随着历时增加，

(a)降雨历时0 d

(b)降雨历时0.5 d

(c)降雨历时1.0 d

(d)降雨历时1.5 d

(e)降雨历时2.0 d

(f)降雨历时3.0 d

这种V型现象越明显，直至出现贯通等现象，这也表明随着水流矢量增加，存在水流沿交界面处溢出的可能。

4.3 降雨入渗条件下边坡安全系数变化规律

边坡安全系数表示基于边坡临界失稳条件下边坡整体结构稳定性能[7]。根据边坡稳定性要求，通常以边坡安全性系数将边坡划分为3种类型，分别是失稳状态、欠稳定状态、稳定状态。图7为边坡降雨过程中安全系数变化过程。分析图7可知，降雨初期(0～0.3 d)，边坡安全系数出现短暂上升，由1.37上升到1.39。随着降雨历时增加，安全系数急速下降，安全系数由1.39下降到1.12，此时边坡由欠稳定状态进入失稳状态，边坡安全系数逐渐降低。出现以上现象的主要原因为：降雨初期，坡面雨水下渗导致表面土体重度增加，同时存在指向坡体的渗透力，致使边坡安全系数短暂上升，随着降雨历时增加，边坡内部水位线上升，红黏土坡脚出现积水，导致该土体饱和区域内强度参数降低，产生沿岩土交界面滑动的潜在滑动面。降雨1 d后，边坡安全系数缓慢下降的原因为：坡面降雨入渗的雨水逐渐在坡体内部形成积水，该部分积水通过潜在滑面的裂隙涌出，致使该处容易产生滑动。由此可见，降雨对边坡的影响，不仅表现在降雨过程中产生危害，在降雨后更容易引发滑塌。

图7 安全系数随降雨历时的变化情况

5 边坡失稳机理及处治对策

5.1 边坡失稳机理分析

众所周知，岩土工程的稳定性与岩土体的变形、强度、渗透3大因素密切相关，且这三者之间往往相互影响。一旦其中某一因素超过安全阈值，将可能造成其它两个因素发生不可逆的超限协调，最终导致岩土体的平衡系统被彻底打破。

极端降雨造成坡体中各种形态的水作用严重超限，导致坡体强度产生不同程度的下降和应变。当坡体强度下降和应变范围超过一定界限时，坡体平衡将以大变形的形式发生溃败，从而导致不同类型的坡体地质病害发生。极端降雨天气引起的病害主要与岩土体性质密切相关，产生病害的主要原因为：

1)红黏土边坡主要位于常年多雨的南方地区，处于降雨量和蒸发量相对较大的环境中，导致坡体地下水位高低不定，地表和一定深度范围内的红黏土含水量相对较大，土体中的基质吸力是维持坡体稳定的关键因素。

极端降雨对红黏土边坡的影响如下：①红黏土具有复浸水特性，收缩后复浸水膨胀，且能恢复到原位，容易产生变形；②坡体的基质吸力大幅下降或丧失，导致坡体整体强度下降；③红黏土含水量急剧增加，导致地下水位快速上升，坡体中的水压力急剧增加，从而使坡体渗透指标超限严重。以上3种因素作用下坡体的稳定平衡被打破，坡体需通过应变尽力去维持系统的平衡，但应变过大时，最终平衡系统被破坏而发生变形病害。

2)基于红黏土的大孔隙特征，极端降雨造成地表一定厚度范围内的土体出现不同程度的含水量急剧升高，甚至饱和，从而导致土体容重增加，强度大幅下降，坡体休止角严重降低，造成坡体依附于大气影响层界面而发生溜滑、坍塌或滑塌。这种病害深度较小，但也是区内最为发育的边坡病害。

3)红黏土的裂隙发育特征造成地表水沿裂隙方向可能深入坡体，并在不同时期的红黏土界面、下伏基岩顶面、卵石层面等聚焦而不断软化接触界面，从而导致坡体依附于这些界面形成的滑面或滑带而发生滑坡。且基于红黏土裂隙发育的特征，此类滑坡多表现为后缘陡立的错落式滑坡，俗称“崩岗”。

5.2 边坡失稳对策分析

针对极端降雨条件下边坡失稳前的预防和失稳后的应对措施提出：治坡先治水。边坡的预防可采取加强完善地表排水系统的措施，如修建截排水沟和恢复坡面防护工程；加强地下水的截、疏、排措施,以有效提高坡体的自身强度，如设置截水盲沟、仰斜排水孔等工程。同时应修建提高坡体稳定性的支撑渗沟，从而有效疏排大气影响层和一定深度范围内的坡体含水量，减小渗透对坡体稳定性的影响，辅助提高坡体的强度指标和减小坡体的变形协调作用，从而维持边坡与坡体的稳定性平衡。另结合边坡特点，适当设置支挡工程，辅助提高坡体的稳定性，以有效提高工程处治方案的安全性和针对性[8]。

失稳状态的边坡，应在滑塌坡脚部位向坡内推进刷方，继而以6 m间距在坡面上设置1处边坡渗沟对边坡浅层一定深度范围内的地下水进行疏排，在利用渗沟底部圬工有效防止潜在滑面破坏的基础上，利用渗沟的渗透排水提高边坡的稳定性。为避免再次降雨的袭击，根据滑塌范围和严重性，可在边坡渗沟之间设置骨架护坡对坡面进行分割，并采用根系发达灌木种子和草籽进行坡面绿化。滑塌严重时可清除滑坡体和护面墙防护，结合现场情况对坡脚破损挡墙进行修复，从而有效确保刷方平台部位坡体稳定。

上述方案以治坡先治水的理念，在适当刷坡的基础上，利用区内丰富的灰岩材料制作边坡渗沟，结合仰斜排水孔，对影响坡体稳定性的浅、深层地下水进行有效疏排，是一个符合现场实际情况、工程施工便捷、工程造价较低的处治方案。

6 结论

1)极端降雨条件下，边坡坡顶、坡中和坡脚处基质吸力依次增大，且坡脚处孔隙水压力变化最大，表现为基质吸力对受力平衡的影响。

2)降雨条件下，坡体内部水力矢量呈现出倒V型现象，随着降雨的入渗，V型区域逐渐扩大，坡体内部水流存在沿交界面贯通的可能性。

3)红黏土的变形、强度、渗透影响是边坡滑塌的主要原因，降雨对边坡的稳定性影响具有滞后性，安全系数变化演变规律为短暂上升阶段、急速下降阶段、缓慢下降阶段。

4)红黏土作为特殊土，在边坡开挖和后期养护过程中要注重排水措施。施工前、中、后期均应避免坡面积水。仰斜排水孔和支挡可有效处治边坡的滑塌。