公路邊坡穩(wěn)定性分析范文
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摘要:在人為擾動(dòng)、地震、降雨等因素中，降雨是滑坡主要的誘發(fā)因素。以玉溪新平大戛高速公路邊坡為研究工點(diǎn)，結(jié)合地質(zhì)勘測、鉆探、物探、現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)、資料收集等數(shù)據(jù)，采用無限斜坡模型、瑞典條分法及極限平衡法計(jì)算分析降雨條件下斜坡的流向流量及其穩(wěn)定系數(shù)，研究斜坡開挖前后的穩(wěn)定性及預(yù)測水流沖刷嚴(yán)重的區(qū)域。結(jié)果表明:開挖前在水位高度等于土層厚度的極限飽和工況下，斜坡處于穩(wěn)定狀態(tài);開挖后按1:1．75的坡比，斜坡亦處于穩(wěn)定狀態(tài)。所以坡體開挖施工是安全的，但需做好坡面排水及防護(hù)工作。
關(guān)鍵詞:道路工程;降雨;公路邊坡;無限斜坡;極限飽和;GIS
0引言
隨著全球氣候變暖，降雨耦合人為擾動(dòng)、地震、改移河道、工程地質(zhì)等因素，滑坡等自然災(zāi)害頻發(fā)［1］。如1991年9月，云南昭通市盤河鄉(xiāng)頭寨溝，因持續(xù)強(qiáng)降雨的影響，導(dǎo)致山體崩塌，死216人、傷7人、經(jīng)濟(jì)遺失近百萬元。2011年7月，受強(qiáng)降雨影響，陜西略陽縣爆發(fā)山體滑坡，致使26400人受災(zāi)，27480畝農(nóng)作物受損，18人死亡，2人失蹤，5人受傷，多個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)受災(zāi)嚴(yán)重［2］。2016年5月，福建三明市泰寧縣開善鄉(xiāng)，因暴雨誘發(fā)山體滑坡，致使35人遇難，1人失聯(lián)。2017年5月，暴雨影響，斯里蘭卡爆發(fā)了大規(guī)模的泥石流、滑坡，死亡人數(shù)達(dá)91人，另有100人失蹤，約52萬人受災(zāi)。2017年8月，受臺風(fēng)影響，暴雨頻發(fā)，致使貴州省納雍縣張家灣鎮(zhèn)發(fā)生山體滑坡，截止目前已有15人遇難，8人受傷。2017年8月，正好是印度多暴雨季節(jié)，在印度北部喜馬偕爾邦突發(fā)的山體滑坡，導(dǎo)致46人遇難，多人受傷。從以上滑坡實(shí)例可知，降雨是誘發(fā)滑坡的主要因素。降雨入滲導(dǎo)致坡體強(qiáng)度降低，當(dāng)抗滑力不足以支撐下滑力時(shí)，斜坡發(fā)生失穩(wěn)，給人們的生命、財(cái)產(chǎn)安全帶來極大的威脅。因此筆者主要考慮降雨因素的影響，結(jié)合相應(yīng)的斜坡穩(wěn)定計(jì)算模型，對斜坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析與預(yù)測。很多學(xué)者對降雨誘發(fā)型斜坡穩(wěn)定性進(jìn)行了探索與研究，如:均勻巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析的有限元算法［3］;基于動(dòng)態(tài)和整體分析邊坡穩(wěn)定性的強(qiáng)度折減法［4］;人為劃分條塊的Bishop法［5］;假定滑動(dòng)面的瑞典條分法［6］;基于GIS及相關(guān)模型［7-14］在斜坡穩(wěn)定性分析中的運(yùn)用等。然而以上研究都是假設(shè)地下水位在滑動(dòng)面(基巖)以上，但實(shí)際情況可能是地下水位在滑動(dòng)面(基巖)以下，此時(shí)雨水下滲時(shí)主要考慮動(dòng)水壓力，隨著降雨入滲的深入，基巖透水性較弱，基巖以上土層逐漸趨于飽和，此時(shí)可能存在一定的靜水壓力，當(dāng)降雨持續(xù)進(jìn)行時(shí)，降雨轉(zhuǎn)換成地下水來不及排泄，使基巖以上土層達(dá)到飽和，若土層內(nèi)水位高度等于土層厚度，這種情況就是極限飽和工況。如果斜坡在這種極限飽和工況下能保持穩(wěn)定，則其他狀況也能保持穩(wěn)定。基于此，結(jié)合實(shí)驗(yàn)工點(diǎn)地質(zhì)勘測、鉆探、物探、現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)、資料收集等獲取試驗(yàn)工點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，研究開挖前極限飽和工況狀態(tài)下斜坡穩(wěn)定性及開挖后坡體穩(wěn)定性，為邊坡的開挖施工提供一定的理論依據(jù)。
1工點(diǎn)概況
本工點(diǎn)邊坡里程為K65+640～K65+940，全長300m，位于戛灑鎮(zhèn)達(dá)哈村附近。坡腳處為達(dá)哈河，該河流為常年流水，河床一般寬約6～8m，最大寬度可達(dá)12m，水深0．8～1．5m。區(qū)域上屬元江水系，河床縱坡平緩，流速慢，勘察期間流速約1．5m/s，流量受大氣降雨影響較大。河流對研究坡體的地下水位影響較小。擬建的路線里程地形起伏稍大，斜坡海拔722～802m，相對高差約80m。地處青藏川滇歹字型構(gòu)造體系，川滇經(jīng)向構(gòu)造體系及南嶺緯向構(gòu)造體系的交接地帶，應(yīng)力集中，區(qū)域構(gòu)造現(xiàn)象極為復(fù)雜。據(jù)有關(guān)資料表明:實(shí)驗(yàn)工點(diǎn)位于新平-新化褶皺區(qū)及水塘斷裂附近，受褶皺及斷裂帶影響巖體較破碎，地層為三疊系上統(tǒng)干海子組(T3g)礫巖、砂巖。上覆發(fā)育第四系沖洪積層(Q4dl+el)，層厚2～4m，主要含粉質(zhì)黏土。地下水位較深，遠(yuǎn)低于基巖底部。其地下水位受季節(jié)性影響較大，地下水為第四系孔隙水類型及基巖裂隙水類型。孔隙水多賦存于松散土體中，孔隙潛水的形式較多，水位受季節(jié)影響大;基巖裂隙水賦存于基巖裂隙中，基巖富水性較差，水量不大。該段邊坡位于果林中，果林常年滴管，地表水常年沖刷。根據(jù)該地區(qū)水文氣象數(shù)據(jù)，年平均氣溫為17．3～18．6℃，最熱月平均氣溫21．3～23．1℃，最冷月平均氣溫10．6～11．7℃;年平均降雨量為970．7～1301．7mm。
2計(jì)算模型
該工點(diǎn)斜坡的地下水位遠(yuǎn)低于粉質(zhì)黏土層，筆者采用無限斜坡模型［8，13-14］結(jié)合GIS計(jì)算開挖前坡體的穩(wěn)定系數(shù);使用極限平衡法［6］、瑞典條分法［6］計(jì)算開挖后，斜坡按1∶1．75坡比設(shè)計(jì)的穩(wěn)定系數(shù)。然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)工點(diǎn)的TIN數(shù)據(jù)，通過GIS的3D表面分析工具、數(shù)據(jù)管理工具等，得出坡體表面徑流的流向流量，預(yù)測因雨水匯集而導(dǎo)致沖刷嚴(yán)重的區(qū)域。
2．1無限斜坡模型的選用SHALSTAB模型、TRIGRS模型、降雨入滲模型［8］、基于GIS的無限斜坡耦合模型［13-14］，這4種模型都是降雨型無限斜坡穩(wěn)定性的計(jì)算模型，如圖2。對比分析4種模型，選取比較符合假設(shè)的計(jì)算模型。
2．1．1SHALSTAB模型SHALSTAB模型主要考慮土體為飽和狀態(tài)時(shí)，坡體的穩(wěn)定性。
2．1．2TRIGRS模型TRIGRS模型主要考慮降雨入滲引起孔隙水壓力發(fā)生改變這一現(xiàn)象，計(jì)算坡體的穩(wěn)定系數(shù)。
2．1．3降雨入滲模型顯然上述的SHALSTAB、TRIGRS模型不能很好的描述降雨條件下，無限斜坡的穩(wěn)定性。
2．1．4基于GIS的無限斜坡耦合模型降雨入滲模型沒有考慮靜水壓力，因此筆者在計(jì)算時(shí)作如下假設(shè):粉質(zhì)黏土基巖透水性較差，滲透能力可以忽略不計(jì)。
2．2相關(guān)參數(shù)以及飽和度計(jì)算公路邊坡相關(guān)參數(shù)，而斜坡坡度θ由GIS的spatialanalysisttools提取;假定極限飽和狀態(tài)時(shí)水位深度Zw與土層厚度一致。
3討論
3．1降雨入滲-水位變化分析斜坡穩(wěn)定性的問題，考慮降雨入滲引起的動(dòng)水壓力、靜水壓力變化。降雨條件下，雨水一部分被植被截留，當(dāng)?shù)乇斫Y(jié)皮或者下滲土層飽和后，一部分雨水通過地表徑流流走，最后一部分通過植被根系、生命體通道、坡體裂縫下滲，下滲的水流中，一部分滲入土體內(nèi)成包氣帶內(nèi)，一部分轉(zhuǎn)換成地下水，引起地下水位變化，地下水位不同，對土體的作用效果也就不同。地下水位位于基巖以上，降雨時(shí)，不僅受到動(dòng)水壓力的作用，而且還會(huì)受到靜水壓力的作用［15］。如果地下水位位于基巖以下，靜水壓力可以忽略，但隨著降雨入滲的不斷增加，土體飽和程度發(fā)生了明顯的變化。考慮基巖滲透性弱，土體內(nèi)水位上升，可能還存在一定的靜水壓力。
3．2坡體穩(wěn)定性分析無限斜坡模型的計(jì)算結(jié)果是基于鉆探、室內(nèi)試驗(yàn)等土體參數(shù);開挖后的邊坡穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算是基于設(shè)計(jì)值;流向流量的預(yù)測結(jié)果是基于坡體表面的TIN數(shù)據(jù)。參照王學(xué)鵬［16］對降雨入滲模型穩(wěn)定系數(shù)值的劃分:1～1．25(基本穩(wěn)定);1．25～1．5(穩(wěn)定);1．5以上(極穩(wěn)定);基于GIS的無限斜坡耦合模型穩(wěn)定系數(shù)值都在1．5以上(極穩(wěn)定)。說明開挖前坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)，這與實(shí)際情況相符合。開挖后，瑞典條分法及極限平衡法按1∶1．75的坡比計(jì)算，穩(wěn)定系數(shù)為1．492、1．179，則邊坡亦處于穩(wěn)定。根據(jù)計(jì)算結(jié)果及水流流向從微觀和宏觀兩方面對斜坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，微觀方面:隨著降雨持續(xù)，達(dá)到了誘發(fā)滲流的水頭梯度，滲流發(fā)生，導(dǎo)致土層內(nèi)基質(zhì)吸力降低，含水率升高，土體由非飽和趨向于飽和［17］發(fā)展，內(nèi)摩擦角、黏聚力發(fā)生變化，土體抗剪強(qiáng)度降低，坡體下滑力逐步增大;宏觀方面:隨著坡面雨水匯集，其流向流量如圖7，水流對坡體的沖刷作用凸顯，在坡體表面易形成溝壑。隨著沖刷次數(shù)的累積，坡體表面的原狀土漸漸流失，逐漸形成溝壑。若溝壑未進(jìn)一步發(fā)展，或降雨量減小直至停止以及坡體自身應(yīng)力調(diào)節(jié)作用，坡體又再次達(dá)到平衡狀態(tài)。但如果降雨持續(xù)進(jìn)行，雨水入滲將加劇，引起坡體內(nèi)部土體抗剪強(qiáng)度降低，再加上外部水流的沖刷，帶走坡體表面的原狀土，應(yīng)力平衡終遭到破壞，最終將導(dǎo)致斜坡穩(wěn)定性降低，直至發(fā)生失穩(wěn)。
3．3坡面防護(hù)分析結(jié)合以上分析及開挖后的邊坡穩(wěn)定系數(shù)，需要注意坡面開挖后的穩(wěn)定系數(shù)值。
4結(jié)論
通過降雨入滲模型、基于GIS的無限斜坡耦合模型、瑞典條分法及極限平衡法計(jì)算出玉溪新平大戛高速開挖前后邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，得出以下結(jié)論:1)在水位高度等于土層厚度的極限飽和工況下，降雨入滲模型及基于GIS的無限斜坡耦合模型，預(yù)測結(jié)果為斜坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，符合現(xiàn)場的實(shí)際情況。2)根據(jù)1∶1．75的設(shè)計(jì)坡比，按照瑞典條分法及極限平衡法計(jì)算的穩(wěn)定系數(shù)值為:1．429、1．179，則開挖后坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)。3)根據(jù)流向流量圖，可以預(yù)測坡面的嚴(yán)重沖刷區(qū)域。在坡面防護(hù)時(shí)，水流沖刷嚴(yán)重區(qū)域，應(yīng)注重坡面排水。4)施工中可以采取框格梁、錨桿、擋土墻、抗滑樁等，確保施工安全。5)結(jié)合坡體開挖前后穩(wěn)定系數(shù)分析，對公路邊坡的穩(wěn)定性分析與預(yù)測提供了新思路。
作者：何玉瓊1；李春明1；楊興華2；黃犀1 單位：1．昆明理工大學(xué)，交通工程學(xué)院，2．云南建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施投資股份有限公司