夏怡, 柳治国, 邹飞, 罗红明, 罗世鑫

(1.贵州宏信创达工程检测咨询有限公司, 贵州 贵阳 550014; 2.贵州省交通运输厅， 贵州 贵阳 550001; 3.贵州大学 资源与环境工程学院， 贵州 贵阳 550025; 4.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室， 湖北 武汉 430071)

1 引言

山区高速公路建设受地形和地质及生态环境条件的限制，不可避免地产生大量弃土，必须设置弃土场来满足弃土处置的需要。弃土场是一种人工倾填形成的，具有密度小、固结性差、非饱和等特点，其稳定性比自然边坡差，在降雨尤其是特大暴雨、连续降雨等条件下易产生滑坡、泥石流等地质灾害，将会对弃土场周边的居民、重要基础设施等构成严重的威胁。因此，弃土场边坡的稳定性是涉及到弃土场长期安全的关键技术难题，尤其是降雨条件下边坡的稳定性问题[1]。

目前，中国学者对降雨条件下边坡的稳定性进行了系统的研究，取得了非常丰富的成果。李焕强等[2]采用物理模型试验研究了降雨条件下不同坡度边坡的变形失稳规律，揭示了边坡稳定性随降雨入渗的动态演化规律；谭文辉等[3]采用有限元方法研究了降雨入渗条件下边坡的渗流场、应力场和位移场，研究了降雨入渗对边坡稳定性的影响规律；唐栋等[4]采用有限元法研究了不同初始条件对不同土体边坡稳定性的影响，探讨了前期降雨对不同土体边坡稳定性的影响规律等。但弃土场边坡在降雨条件下稳定性一般选用假定渗流场来进行分析，而对不同降雨入渗条件下弃土场边坡的渗流场分析方法研究甚少[5]，这将是弃土场稳定性分析需要重点考虑的内容。

该文以贵州省六盘水至威宁高速公路YK53+750右侧40 m弃土场为例，结合现场调查，运用饱和-非饱和数值方法对不同降雨入渗条件下的弃土场边坡渗流场进行计算分析，在此基础上采用刚体极限平衡法对其安全系数进行计算，讨论不同降雨工况条件下弃土边坡渗流场的变化及其对边坡稳定性的影响，研究成果将为弃土场边坡的防护设计及后期安全管理提供技术支撑。

2 弃土场边坡降雨入渗分析方法

2.1 弃土边坡降雨入渗分析方法

降雨入渗过程实际上是水分从地表非饱和区向坡体内饱和区的流动过程。降雨入渗就是一个流量边界，但入渗流量并不是一直未变，而是在渗流模拟计算中须根据地表含水率变化而不断调整入渗流量，从而实现降雨入渗的模拟分析。因此，降雨入渗就是典型的饱和-非饱和渗流问题[6]，应采用饱和-非饱和渗流理论来进行求解，从而获得不同降雨条件下弃土场边坡渗流场的动态变化。

饱和-非饱和水流运动可用下列Richards方程表述：

(1)

式中：kx、ky分别为x、y方向的渗透系数(m/s)；H为总水头(m)；mW为土水特征曲线斜率；γW为水的重度(kN/m3)；t为时间(s)。

土水特征曲线一般通过试验确定，但在实际中常采用基于统计分析理论提出的Fredlund&Xing模型，土水特征曲线模型如下：

(2)

式中：θ为非饱和土体的体积含水量；θs为饱和体积含水量；ψ为基质吸力(kPa)；ψr为残余含水量所对应的基质吸力(kPa)；a为与进气值有关的参数(kPa)；b为与土水特征曲线斜率有关的参数；c为与残余含水率有关的试验参数。

2.2 饱和-非饱和渗流数值求解

饱和-非饱和渗流求解时，将渗流场划分为有限单元，并对这些单元进行迭代计算，从而得到降雨入渗条件下弃土边坡的渗流场，其迭代方程为：

(Δt[D]+[E]){Ht+Δt}=Δt[F]+[E]{Ht}

(3)

式中：Δt为时间增量；D为单元渗透系数矩阵；E为单元储水矩阵；Ht+Δt为t+Δt时刻水头；Ht、F为t时刻水头、边界流量。

在饱和-非饱和求解中，降雨入渗边界条件处理方法如下：① 当降雨强度小于地表土体的入渗能力时，此时降雨全部入渗土体内，入渗量等于降雨强度，按流量边界处理，随着降雨持续，土体表层含水率将逐渐增加，直到达到某一稳定值；② 当降雨强度超过地表土体的入渗能力时，此时降雨一部分转化为地表径流，另一部分渗入坡体，地表入渗边界点达到饱和状态，按压力水头边界处理。

2.3 非饱和土抗剪强度

降雨时边坡由非饱和状态逐渐向饱和状态转变，降雨结束后又向非饱和状态转变，边坡土体抗剪强度受基质吸力影响先减小后增大，对边坡的稳定性有影响。因此，需应用非饱和抗剪强度理论来进行边坡稳定性分析，非饱和抗剪强度计算公式如下：

τf=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb

(4)

式中：c′为有效内摩擦角(°)；φ′为有效黏聚力(kPa)；(σ-ua)为净法向应力(kPa)；(ua-uw)为基质吸力(kPa)；φb为随基质吸力变化的内摩擦角(°)。一般来说，φb随着基质吸力的增大而减小，在边坡稳定性分析中将其假定为一常数。

3 弃土场降雨入渗数值分析

3.1 工程概况

贵州省六盘水至威宁高速公路YK53+750右侧40 m弃土场位于路线左侧冲沟，沟底相对平缓，原地表覆盖角砾土，下伏基岩。弃土场边坡高度为16.5 m，弃方量为6.0万m3，弃土场下游为冲沟，无其他危害对象，根据有关规范，该弃土场级别属于5级[7]。弃土场典型地质剖面见图1。

图1 弃土场典型地质剖面

3.2 计算模型与参数

选取弃土场现状边坡的典型剖面，建立有限元模型，采用四边形和三角形混合单元进行有限元网格剖分，共剖分为4 768个单元，4 886个节点，见图2。

图2 弃土场边坡渗流分析有限元计算模型(单位：m)

弃土边坡岩土体渗流、力学参数根据资料类比选取，具体见表1。

表1 弃土场边坡岩土体参数取值

3.3 计算工况与边界条件

根据现场调查与地质勘探资料，在勘察范围内未见地下水位，渗流计算不考虑地下水，只考虑降雨入渗。降雨入渗渗流计算则选取短时暴雨和连续降雨等类型进行渗流计算[8]。因此，弃土场边坡的稳定性计算考虑4种工况，其中降雨工况考虑3种工况(表2)。

表2 渗流计算工况

(1) 正常工况：不考虑降雨的影响，同时为后续降雨条件下渗流计算分析提供初始渗流场。

(2) 降雨工况分3种情况：第1种是只考虑经历降雨后岩土体饱和，计算参数采用饱和状态参数即采用总应力抗剪强度参数，不形成暂态饱和地下水位；第2种是在正常工况的基础上进行短时暴雨条件下边坡渗流场计算，计算参数采用有效抗剪强度参数，并考虑基质吸力影响；第3种是在正常工况的基础上进行连续降雨对边坡渗流场的影响，计算参数选用与第2种情况一样。

弃土边坡表面为降雨流量边界，模型底面为零流量边界，两侧地下水位以上为零流量边界，地下水位以下为定水头边界。

3.4 边坡降雨入渗数值模拟计算结果

采用GeoStudio软件Seep模块对弃土场边坡在不同降雨条件下的饱和-非饱和渗流场进行计算，得到不同降雨条件下弃土场边坡的渗流场，见图3、4，典型节点的孔隙水压力随时间的关系曲线见图5、6。

图3 短时暴雨条件下弃土场边坡孔隙水压力等值线图(单位：kPa)

图4 连续降雨条件下弃土场边坡孔隙水压力等值线图(单位：kPa)

图5 短暂暴雨条件下坡顶不同位置基质吸力随时间变化曲线

图6 连续降雨条件下坡顶不同位置基质吸力随时间变化曲线

从图3、5可以看出：短时暴雨时，弃土饱和渗透系数略小于降雨强度，降雨入渗使边坡地表的基质吸力先减小至0，并在表层形成暂态饱和区，坡体内一定深度范围内的基质吸力减小；在降雨结束后，边坡地表的暂态饱和区消失，基质吸力逐渐增大，而在覆盖层顶面位置(坡顶以下15.6 m)一定范围内的基质吸力减小，覆盖层底面位置(坡顶以下20.4 m)的基质吸力几乎不变。

从图4、6可以看出：连续降雨时，弃土饱和渗透系数大于降雨强度，降雨能全部渗入坡体，坡体内的基质吸力减小，未能在地表形成暂态饱和区，覆盖层顶面位置(坡顶以下15.6 m)一定范围内的基质吸力减小到-5 kPa，土体接近于饱和状态；降雨结束3 d后，边坡表层基质吸力逐渐增大，覆盖层顶面位置的基质吸力几乎不变，而覆盖层底面位置(坡顶以下20.4 m)基质吸力缓慢增大。

4 降雨入渗对弃土场边坡稳定性影响

4.1 弃土边坡稳定性计算结果

以弃土场边坡降雨后的渗流场计算结果作为边坡稳定性计算的初始条件，利用GeoStudio软件Slope模块采用Bishop法对弃土场边坡的稳定性进行计算，搜索到弃土场边坡最小安全系数的滑动面，得到弃土边坡安全系数，计算结果见表3。

表3 不同降雨工况条件下边坡安全系数计算结果

4.2 降雨入渗对弃土场边坡稳定性的影响

从表3可以看出：在正常工况条件下弃土边坡的安全系数为1.806，明显高于边坡在降雨工况条件下的安全系数；若不考虑降雨过程，假定降雨后弃土完全饱和，此时边坡的安全系数为1.281，低于短时暴雨和连续降雨条件下边坡的安全系数。

若在短时暴雨条件下边坡的安全系数为1.573；待降雨停止18 h后边坡的安全系数为1.530，比降雨结束时边坡安全系数略有减小。

若在连续降雨条件下边坡的安全系数为1.448；待降雨停止3 d后边坡的安全系数为1.519，相比降雨结束时边坡的安全系数略有增大。

综上可知：降雨对弃土场边坡稳定性的影响是显著的，并且连续降雨条件下边坡的安全系数要低于短时暴雨条件时的边坡安全系数。采用假定岩土体饱和的方法来计算降雨工况条件下边坡的安全系数相对考虑降雨入渗影响的结果是偏小的，对工程而言偏于安全，对于弃土场稳定性评价可以采用这种假定方法来计算降雨条件下弃土场边坡稳定性。

5 结论

以贵州省YK53+750右侧40 m弃土场为例，采用非饱和渗流分析方法对不同降雨条件下弃土场边坡的渗流场进行了分析，并探讨了降雨入渗对弃土边坡稳定性的影响，得到以下结论：

(1) 在短时暴雨条件下，弃土边坡表层的基质吸力减小，随着降雨的持续，边坡表面部分区域会形成暂态饱和区；但降雨停止后，弃土边坡表面的暂态饱和区逐渐消散，基质吸力逐渐增大，而坡体内基质吸力先减小后缓慢增大，雨停后边坡的安全系数略有减小。

(2) 在连续降雨条件下，降雨能全部渗入坡体，在降雨期间边坡表面无暂态饱和区，入渗使得坡体内的基质吸力减小；但降雨结束3 d后，边坡浅表层基质吸力逐渐增大，坡体内的基质吸力也缓慢增大，边坡的安全系数略有增加，但低于短时暴雨条件下边坡的安全系数。

(3) 降雨入渗引起弃土边坡的基质吸力减小、弃土的抗剪强度参数降低，从而导致弃土边坡的安全系数逐渐减小和边坡稳定性下降。由此可见，降雨对边坡稳定性的影响显著。

(4) 相对于采用渗流稳定计算，采用假定岩土体全部饱和的方法来进行降雨条件下弃土边坡安全系数计算，得到的边坡安全系数小于短时暴雨和连续降雨条件下的边坡安全系数，结果相对偏于保守，相对工程而言偏于安全，可以采用这种假定方法来评价降雨条件下弃土场边坡的稳定性。