雨水對邊坡的影響及治理措施研究

魏志遠(yuǎn)

(新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第九師交通運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展中心，新疆 塔城 834601)

0 引 言

在邊坡穩(wěn)定性影響因素分析中在多數(shù)情況下是和地質(zhì)構(gòu)造情況、地下水位情況、夾層滑動面土體夾層等不良地質(zhì)情況有關(guān)[1]。實(shí)際工程中滑坡發(fā)生具有隨機(jī)性，在地震或在其它外力的作用下引發(fā)滑坡發(fā)生，設(shè)計(jì)中選用地震和外力常量作為滑坡安全性計(jì)算系數(shù)，以增加邊坡實(shí)際工程的安全性和穩(wěn)定性能[2]。

1 案例分析

1.1 邊坡地計(jì)算模型及工況分析

某公路邊坡高邊坡路段長度為100 m，邊坡開挖方式為自上而下進(jìn)行。邊坡共三級，每級坡高為8 m，第一級邊坡坡率為1∶ 0.75，第二級邊坡坡率為1∶ 0.75，第三級邊坡坡率為1∶ 1。坡頂3 m處為截水溝。邊坡在開挖過程中改變了地層與原地形的傾角。路基開挖時，形成了臨空面，使土體處于臨空狀態(tài)，土體會產(chǎn)生局部滑動現(xiàn)象，導(dǎo)致坡體變形，出現(xiàn)裂縫，最終出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)的現(xiàn)象。

以實(shí)際工程為基礎(chǔ)，等比例進(jìn)行模型建立，邊坡簡圖如圖1所示。通過對三級坡率進(jìn)行變化，設(shè)置不同工況。工況情況如表1所示。

表1 工況計(jì)算表

圖1 邊坡坡度示意圖

1.2 降雨型式設(shè)計(jì)

對該地氣象觀測站30年的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明：邊坡所處地段年降雨量總體較少，夏季、冬季降水量僅為全年的3%。春、秋季降水量較大且較為集中，占全年總降水量的70%[3]。通過對降雨資料分析，將降雨強(qiáng)度分為兩個等級，分別為200 mm/d和400 mm/d。將降雨的持續(xù)時間設(shè)置為4 d。不同降雨下的滑坡參數(shù)如表2所示。

表2 滑坡體參數(shù)表

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 降雨量對邊坡穩(wěn)定性影響

利用ANSYS對非飽和土邊坡的穩(wěn)定性分析，通過極限平衡原理計(jì)算邊坡的安全系數(shù)。該過程中應(yīng)考慮降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響程度。

(1)搜索危險滑動面

ANSYS軟件可對危險滑動面進(jìn)行搜索，軟件計(jì)算過程中，首先應(yīng)對邊坡上方的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，搜索每個結(jié)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)中心。在邊坡坡體內(nèi)確定控制半徑切線。以旋轉(zhuǎn)中心為圓心，進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，得到最小安全系數(shù)對應(yīng)的圓弧以及圓心[4]。

(2)邊坡應(yīng)力變化

連續(xù)降雨會導(dǎo)致邊坡土體的應(yīng)力發(fā)生改變。在雨水作用下，土體的自重增加，增加土體的下滑力[5]。減小坡體的有效應(yīng)力以及土體的抗剪強(qiáng)度。不同降雨等級下的邊坡剪應(yīng)力變化如表3所示。

表3 邊坡剪應(yīng)力變化表

通過對以上數(shù)值進(jìn)行分析可知：降雨強(qiáng)度越大，邊坡剪應(yīng)力影響范圍越大。應(yīng)力集中主要表現(xiàn)在坡頂平臺和坡腳平臺處。

(3)邊坡位移變化

通過對不同降雨強(qiáng)度下的邊坡位移變化進(jìn)行分析可知：降雨強(qiáng)度越大，邊坡產(chǎn)生位移的范圍也越大。x方向的最大位移位于坡頂處。y方向位移向坡腳外增大。

(4)邊坡塑性變形

當(dāng)邊坡發(fā)生塑性變形后，坡頂出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，此時剪應(yīng)力增大，坡頂土體易發(fā)生斷裂，最終導(dǎo)致滑坡的產(chǎn)生。

3 邊坡治理及穩(wěn)定性評價

3.1 加固防護(hù)措施

針對該邊坡進(jìn)行了加固防護(hù)，采用了刷方處理，同時在坡腳位置設(shè)置擋土墻。

(1)清理刷方

黃土邊坡加固過程中，刷方為最基礎(chǔ)的工作，通過減少土體的重量來降低邊坡的下滑力。刷方主要是對邊坡上的虛土進(jìn)行清理。

(2)在坡腳設(shè)置擋墻

黃土地區(qū)的雨水會對邊坡坡腳產(chǎn)生沖刷作用，為保證土體穩(wěn)定性以及邊坡的形狀、大小，在邊坡坡腳位置設(shè)置擋土墻。擋墻墻高為4 m，墻寬0.9 m，基礎(chǔ)埋深1.5 m，背坡坡率為1∶ 0.25，面坡坡率為1∶ 0.35。

3.2 防護(hù)及排水措施

(1)防護(hù)措施

對邊坡已破壞的坡面進(jìn)行植草防護(hù)。

(2)排水設(shè)施

為了便于坡體之外的地表水順利從坡體外部排出，在邊坡設(shè)置排水溝來實(shí)現(xiàn)，分兩類排水溝，邊坡坡頂設(shè)置Ⅱ型排水溝，邊坡坡腳設(shè)置Ⅰ型排水溝，其中Ⅱ型排水溝界面尺寸為0.4 m×0.4 m，Ⅰ型排水溝截面尺寸0.5 m×0.5 m。

3.3 穩(wěn)定性驗(yàn)算

通過對邊坡治理后進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，同時考慮暴雨工況的影響。通過計(jì)算結(jié)果可知安全系數(shù)Kz均大于1.05。當(dāng)降雨強(qiáng)度為200 mm/d，降雨持續(xù)時間為96 h時，邊坡的安全系數(shù)小于1.05。結(jié)合工程實(shí)際對該工況進(jìn)行分析：實(shí)際工程中該情況發(fā)生的概率極小。因此該工況不做為施工考慮的控制雨型。

當(dāng)降雨強(qiáng)度為200 mm/d時，危險滑移面位置與自然狀態(tài)下的滑面位置大致相同，此時邊坡穩(wěn)定性較好。隨著降雨時間的不斷增長，危險滑動面開始向淺層移動，安全系數(shù)也開始降低。

通過對該現(xiàn)象的原因進(jìn)行分析可知:入滲強(qiáng)度與滲透能力達(dá)到平衡狀態(tài)。隨著降雨時間的增長，土壤的孔隙水壓力開始增大，滲透能力增強(qiáng)，從而導(dǎo)致淺層土體的含水量過大，土體的容重增加。通過極限平衡原理可知，土條所受剪力增大，邊坡的安全系數(shù)減小，危險滑動面向淺層移動。

當(dāng)降雨強(qiáng)度為400 mm/d時，依據(jù)相同的方法進(jìn)行分析，最終得出：隨著降雨時間的持續(xù)增加，邊坡的安全系數(shù)降低，最危險滑動面的位置向淺層邊坡移動。

4 邊坡剝落治理分析

4.1 邊坡的優(yōu)化設(shè)計(jì)

高速公路邊坡設(shè)計(jì)對坡型坡比、坡高等進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(1)坡型

公路的坡型確定前應(yīng)對自然邊坡的穩(wěn)定形態(tài)進(jìn)行分析，邊坡形式有以下幾種：臺階式、滑動型、直立式、天然式斜坡等。高邊坡坡型對坡面是否產(chǎn)生剝落有直接影響。通過調(diào)查分析可知黃土邊坡設(shè)計(jì)時，常采用階梯狀。

(2)坡比

當(dāng)邊坡的穩(wěn)定性不足時，坡比不宜過大，防止坡面發(fā)生剝落病害。合理的坡比能夠滿足邊坡的可靠性以及穩(wěn)定性要求。公路邊坡的坡比設(shè)計(jì)時，應(yīng)先選取綜合坡比，然后對單級坡比和坡高進(jìn)行選擇，通常通過對相鄰兩級邊坡平臺的寬度進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)行不同方案組合。方案應(yīng)滿足以下要求。

①減少邊坡中部和上部的荷載，間接提高坡腳土體剛度。

②邊坡確實(shí)時，應(yīng)通過支擋和防護(hù)進(jìn)行配合，同時做好各級邊坡的排水。

③邊坡養(yǎng)護(hù)時，應(yīng)做到邊坡與環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

⑶坡高

坡高的影響因素主要有年降水量、土質(zhì)特征、邊坡坡度等。水量較充足，土質(zhì)穩(wěn)定性較差、坡比較陡時，并對坡高進(jìn)行調(diào)整，并對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算，保證邊坡的安全系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 坡面防護(hù)

植物防護(hù)主要植被為草叢、灌木。通過種植植物使邊坡坡面的水流減緩，通過根莖的吸收減少雨水對坡面的沖刷，起到固坡護(hù)坡的作用。植物防護(hù)的優(yōu)點(diǎn)為：吸收雨水較多，護(hù)坡效果較好，對環(huán)境起到保護(hù)作用，且達(dá)到了經(jīng)濟(jì)節(jié)能的效果。植物防護(hù)類型主要有以下幾類。

①種草防護(hù)

黃土坡面進(jìn)行種草是最有效保護(hù)的一種有效方法。在合適的氣候和地質(zhì)條件下選擇適宜的草籽，能過形成有效覆蓋層。

②鋪設(shè)草皮

黃土邊坡鋪設(shè)草皮能夠起到一定的保護(hù)作用，但相比于坡面植草防護(hù)效果較差。為改善保護(hù)效果，在草皮上種植樹木，形成保護(hù)系統(tǒng)。鋪設(shè)草皮防護(hù)是采用適當(dāng)?shù)氖┕し椒▽⑸傻牟萃诘?，覆蓋于需保護(hù)的邊坡坡面上。鋪設(shè)草皮適用于土壤較為貧瘠、邊坡受侵蝕較為嚴(yán)重地區(qū)。

③骨架植草防護(hù)

骨架植草防護(hù)是通過澆筑混凝土框格，然后在框格內(nèi)進(jìn)行植草或噴播草籽來對邊坡進(jìn)行防護(hù)。提高邊坡的穩(wěn)定性，防止邊坡發(fā)生剝落病害。骨架植草防護(hù)的圬工結(jié)構(gòu)主要是漿砌片石或錨桿混凝土框架。

④三維網(wǎng)植草防護(hù)

鋪設(shè)草皮對邊坡進(jìn)行防護(hù)時，由于雨水作用或坡面徑流的影響，導(dǎo)致邊坡表層發(fā)生剝落病害，甚至出現(xiàn)邊坡坍塌。此時可通過三維網(wǎng)植草對邊坡進(jìn)行防護(hù)。三維網(wǎng)植草對土壤進(jìn)行固結(jié)的主要原理是通過幾層凸、凹不一致地塑料網(wǎng)和高強(qiáng)度地平面網(wǎng)形成復(fù)合網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，由于該結(jié)構(gòu)的表面凹凸不平，因此可通過草籽和砂礫進(jìn)行填充。通過土工試驗(yàn)表明通過三維網(wǎng)對土壤進(jìn)行固結(jié)的效果明顯優(yōu)于單一的平面網(wǎng)。三維網(wǎng)表面的渦流具有消能作用，使坡面得到更好的保護(hù)。

⑤圬工防護(hù)

對黃土邊坡進(jìn)行圬工防護(hù)時，主要分為兩種形式，一是錨桿掛網(wǎng)+混凝土噴漿；二是直接通過混凝土進(jìn)行噴漿。圬工防護(hù)的主要優(yōu)點(diǎn)為：施工簡單、工程造價低，防護(hù)效果好，邊坡穩(wěn)定性強(qiáng)。缺點(diǎn)為：與環(huán)境的協(xié)調(diào)統(tǒng)一性較差，道路景觀差。圬工防護(hù)施工時應(yīng)保證自然環(huán)境與人文景觀之間的相互結(jié)合。邊坡平臺或碎落臺可通過攀藤植物進(jìn)行綠化。

5 結(jié) 語

(1)依據(jù)實(shí)際工程，設(shè)置不同工況，說明不同降雨強(qiáng)度下邊坡的變化規(guī)律：應(yīng)力集中主要表現(xiàn)在坡頂平臺和坡腳平臺處。隨著降雨強(qiáng)度的增加，邊坡位移線向兩側(cè)擴(kuò)大。

(2)針對該邊坡，通過刷方處理及設(shè)置擋墻進(jìn)行加固，同時配合防護(hù)(植草防護(hù))和排水(截水溝)設(shè)施。通過對穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算可知，隨著降雨強(qiáng)度的增加，最危險滑動面向淺層移動，但邊坡安全系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。