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摘要:在人為擾動、地震、降雨等因素中，降雨是滑坡主要的誘發因素。以玉溪新平大戛高速公路邊坡為研究工點，結合地質勘測、鉆探、物探、現場調查、室內試驗、資料收集等數據，采用無限斜坡模型、瑞典條分法及極限平衡法計算分析降雨條件下斜坡的流向流量及其穩定系數，研究斜坡開挖前后的穩定性及預測水流沖刷嚴重的區域。結果表明:開挖前在水位高度等于土層厚度的極限飽和工況下，斜坡處于穩定狀態;開挖后按1:1．75的坡比，斜坡亦處于穩定狀態。所以坡體開挖施工是安全的，但需做好坡面排水及防護工作。

關鍵詞: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、地震、改移河道、工程地質等因素，滑坡等自然災害頻發［1］。如1991年9月，云南昭通市盤河鄉頭寨溝，因持續強降雨的影響，導致山體崩塌，死216人、傷7人、經濟遺失近百萬元。2011年7月，受強降雨影響，陜西略陽縣爆發山體滑坡，致使26400人受災，27480畝農作物受損，18人死亡，2人失蹤，5人受傷，多個鄉鎮受災嚴重［2］。2016年5月，福建三明市泰寧縣開善鄉，因暴雨誘發山體滑坡，致使35人遇難，1人失聯。2017年5月，暴雨影響，斯里蘭卡爆發了大規模的泥石流、滑坡，死亡人數達91人，另有100人失蹤，約52萬人受災。2017年8月，受臺風影響，暴雨頻發，致使貴州省納雍縣張家灣鎮發生山體滑坡，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，在印度北部喜馬偕爾邦突發的山體滑坡，導致46人遇難，多人受傷。從以上滑坡實例可知，降雨是誘發滑坡的主要因素。降雨入滲導致坡體強度降低，當抗滑力不足以支撐下滑力時，斜坡發生失穩，給人們的生命、財產安全帶來極大的威脅。因此筆者主要考慮降雨因素的影響，結合相應的斜坡穩定計算模型，對斜坡的穩定性進行分析與預測。很多學者對降雨誘發型斜坡穩定性進行了探索與研究，如:均勻巖質邊坡穩定性分析的有限元算法［3］;基于動態和整體分析邊坡穩定性的強度折減法［4］;人為劃分條塊的Bishop法［5］;假定滑動面的瑞典條分法［6］;基于GIS及相關模型［7-14］在斜坡穩定性分析中的運用等。然而以上研究都是假設地下水位在滑動面(基巖)以上，但實際情況可能是地下水位在滑動面(基巖)以下，此時雨水下滲時主要考慮動水壓力，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，此時可能存在一定的靜水壓力，當降雨持續進行時，降雨轉換成地下水來不及排泄，使基巖以上土層達到飽和，若土層內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定，則其他狀況也能保持穩定。基于此，結合實驗工點地質勘測、鉆探、物探、現場調查、室內試驗、資料收集等獲取試驗工點的相關數據，研究開挖前極限飽和工況狀態下斜坡穩定性及開挖后坡體穩定性，為邊坡的開挖施工提供一定的理論依據。

1工點概況

本工點邊坡里程為K65+640～K65+940，全長300m，位于戛灑鎮達哈村附近。坡腳處為達哈河，該河流為常年流水，河床一般寬約6～8m，最大寬度可達12m，水深0．8～1．5m。區域上屬元江水系，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造體系，川滇經向構造體系及南嶺緯向構造體系的交接地帶，應力集中，區域構造現象極為復雜。據有關資料表明:實驗工點位于新平-新化褶皺區及水塘斷裂附近，受褶皺及斷裂帶影響巖體較破碎，地層為三疊系上統干海子組(T3g)礫巖、砂巖。上覆發育第四系沖洪積層(Q4dl+el)，層厚2～4m，主要含粉質黏土。地下水位較深，遠低于基巖底部。其地下水位受季節性影響較大，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。根據該地區水文氣象數據，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計算模型

該工點斜坡的地下水位遠低于粉質黏土層，筆者采用無限斜坡模型［8，13-14］結合GIS計算開挖前坡體的穩定系數;使用極限平衡法［6］、瑞典條分法［6］計算開挖后，斜坡按1∶1．75坡比設計的穩定系數。然后根據實驗工點的TIN數據，通過GIS的3D表面分析工具、數據管理工具等，得出坡體表面徑流的流向流量，預測因雨水匯集而導致沖刷嚴重的區域。

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定性的計算模型，如圖2。對比分析4種模型，選取比較符合假設的計算模型。

2．1．1SHALSTAB模型SHALSTAB模型主要考慮土體為飽和狀態時，坡體的穩定性。

2．1．2TRIGRS模型TRIGRS模型主要考慮降雨入滲引起孔隙水壓力發生改變這一現象，計算坡體的穩定系數。

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，因此筆者在計算時作如下假設:粉質黏土基巖透水性較差，滲透能力可以忽略不計。

2．2相關參數以及飽和度計算公路邊坡相關參數，而斜坡坡度θ由GIS的spatialanalysisttools提取;假定極限飽和狀態時水位深度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定性的問題，考慮降雨入滲引起的動水壓力、靜水壓力變化。降雨條件下，雨水一部分被植被截留，當地表結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，一部分滲入土體內成包氣帶內，一部分轉換成地下水，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，不僅受到動水壓力的作用，而且還會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，土體飽和程度發生了明顯的變化。考慮基巖滲透性弱，土體內水位上升，可能還存在一定的靜水壓力。

3．2坡體穩定性分析無限斜坡模型的計算結果是基于鉆探、室內試驗等土體參數;開挖后的邊坡穩定系數計算是基于設計值;流向流量的預測結果是基于坡體表面的TIN數據。參照王學鵬［16］對降雨入滲模型穩定系數值的劃分:1～1．25(基本穩定);1．25～1．5(穩定);1．5以上(極穩定);基于GIS的無限斜坡耦合模型穩定系數值都在1．5以上(極穩定)。說明開挖前坡體處于穩定狀態，這與實際情況相符合。開挖后，瑞典條分法及極限平衡法按1∶1．75的坡比計算，穩定系數為1．492、1．179，則邊坡亦處于穩定。根據計算結果及水流流向從微觀和宏觀兩方面對斜坡穩定性進行分析，微觀方面:隨著降雨持續，達到了誘發滲流的水頭梯度，滲流發生，導致土層內基質吸力降低，含水率升高，土體由非飽和趨向于飽和［17］發展，內摩擦角、黏聚力發生變化，土體抗剪強度降低，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。若溝壑未進一步發展，或降雨量減小直至停止以及坡體自身應力調節作用，坡體又再次達到平衡狀態。但如果降雨持續進行，雨水入滲將加劇，引起坡體內部土體抗剪強度降低，再加上外部水流的沖刷，帶走坡體表面的原狀土，應力平衡終遭到破壞，最終將導致斜坡穩定性降低，直至發生失穩。

3．3坡面防護分析結合以上分析及開挖后的邊坡穩定系數，需要注意坡面開挖后的穩定系數值。

4結論

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算出玉溪新平大戛高速開挖前后邊坡的穩定系數，得出以下結論: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，預測結果為斜坡處于穩定狀態，符合現場的實際情況。2)根據1∶1．75的設計坡比，按照瑞典條分法及極限平衡法計算的穩定系數值為:1．429、1．179，則開挖后坡體處于穩定狀態。3)根據流向流量圖，可以預測坡面的嚴重沖刷區域。在坡面防護時，水流沖刷嚴重區域，應注重坡面排水。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)結合坡體開挖前后穩定系數分析，對公路邊坡的穩定性分析與預測提供了新思路。

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，交通工程學院，2．云南建設基礎設施投資股份有限公司