陈钊 姚志勇

摘要：为了分析降雨入渗条件下土质路堤边坡的稳定性，文章以坛洛至百色高速公路K768+870～K768+980段人工填筑土质路堤边坡为研究对象，采用数值分析软件建立相应的路堤边坡数值模型，对路堤边坡在降雨入渗条件下的渗流过程和稳定性进行了研究。研究结果表明：在同一埋深深度条件下，不同位置处土体体积含水率随降雨历时的增加速率不一样，位于坡脚处的土体体积含水率增加速率较快;边坡表层土体含水饱和度的增加会导致雨水渗流速度矢量方向由垂直于坡面改变为沿着坡面倾向入渗;土质路堤边坡的稳定性安全系数与降雨入渗量之间呈递减关系，随着降雨入渗量的不断累积，边坡最终会产生滑坡失稳破坏。研究成果可为土质路堤边坡的加固设计提供理论参考。

关键词：降雨入渗;土质路堤边坡;稳定性;数值分析

中图分类号：U416.1⁺4 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2020.11.023

文章编号：1673—4874（2020）11—0087—03

0引言

土质路堤边坡是指在修建道路过程中，受地形条件的影响，道路沿线路段采用土石混合料作为填筑材料，对原有路基进行填筑并压实而形成的高于原地表的构筑工程。我国地形条件较为复杂，在修建公路、铁路及高速公路时，受山地或丘陵等地形条件的限制修筑了大量的土质路堤边坡工程。这些路堤边坡工程极大地促进了我国交通行业的发展，尤其是高速公路网的建设。然而，在高速公路运营期间，人工填筑的路堤边坡时常会因承载能力不足而发生滑坡失稳破坏，严重威胁道路行车安全。人工填筑土质路堤边坡的稳定性问题已经引起了相关学者的广泛关注，如：郭立华采用Midas软件对人工填筑的土质路堤边坡进行了数值分析，揭示了该类边坡稳定性与边坡土条力学参数之间的关系;杨起等认为土质路堤边坡的稳定性和土体的浸水状态有关;张定山等认为土体强度参数对土质路堤边坡的整体稳定性有一定的影响;彭刚等认为坡比是影响边坡稳定性的关键因素。从上述研究成果中可以看出：关于土质路堤边坡的稳定性研究成果中，较少有关于降雨因素的研究。

鉴于此，本文将以坛洛至百色高速公路K768+870～K768+980段土质路堤边坡为研究对象，采用数值模拟的研究方法，着重分析降雨入渗条件下渗流水在路堤边坡内的渗流路径及稳定性变化规律，为土质路堤边坡加固方案的合理设计提供理论支持。

1工程概况

坛洛至百色高速公路K768+870～K768+980段属于微丘一谷地地貌，地形条件较为复杂，为保证高速公路的平整性，对该处路基进行了填方，形成了填筑高度为10m，坡比为1：1.75的土质路堤边坡。在长时间的雨水渗流作用下，该段路堤边坡发生了变形，导致路面开裂，影响了交通行车安全。为了对病害进行及时的处治，在发现路堤变形后，建设单位综合考虑了各种因素，采用重力式挡墙的设计方案对变形边坡进行了施工，但随着雨水的持续入渗，该处路基部分路段仍发生了快速变形，产生了滑塌现象，错台高度达1.8m（如图1所示），给高速公路的安全运行带来了严重威胁。

路堤边坡岩土物理力学参数：对坛洛至百色高速公路K768+870～K768+980段路基进行钻芯取样进行室内相关土工试验，并结合相关设计施工资料可知，原路堤边坡填筑材料成份主要为粉质黏土混卵石及圆砾，整体呈黄褐、褐灰色。其物理力学参数详见表1。

水文条件：该路堤边坡处于北回归线北部边缘地段，属于亚热带季风气候，常年雨量充沛，累计年平均降雨日可达163d，年平均降雨量达1470mm，地下水位在88.81～993.58之间上下浮动，埋深3～4m，与发生变形后的地形线近似平行。

2数值分析方案

2.1建立数值分析模型

根据依托工程坛洛至百色高速公路K768+870～K768+980段土质路堤边坡的结构尺寸，采用数值软件建立了如图2所示的路堤边坡数值分析模型。模型边坡高度为10m，坡比为1：1.75，地下水位线埋深在3～4m之间，与原路堤边坡实际结构尺寸相符，采用2682个节点将模型划分为2570个单元。在数值分析模型中设定了3个监测点，分别位于坡顶、坡面中点和坡脚处，埋深1m，以便监測模型在雨水渗流过程中的体积含水率变化规律。此外，在模型边坡表面和右侧表面施加了降雨边界条件。

2.2拟合土水特征曲线

根据室内土工试验结果可知，依托工程的路堤边坡填料饱和渗透系数为1.78×10^-5m·s^-1，饱和体积含水率为0.24，残余体积含水率为0.01。大量的实验和研究成果证明，经典的Van Genuchten模型拟合的土水特征曲线与原材料最为相符，因此，本文采用Van Genuchten模型对依托工程路堤边坡填料的土水特征曲线进行了拟合，拟合结果如图3所示。

2.3降雨方案

依托工程坛洛至百色高速公路K768+870～K768+980段土质路堤边坡所在区域属于亚热带季风气候，常年雨量充沛。本文为了研究降雨入渗对依托工程土质路堤边坡的稳定性影响规律，制定降雨等级为暴雨，降雨强度设定为1.04×10^-3mm/s，降雨时长为连续降雨48h。

3数值计算结果分析

3.1体积含水率变化规律

图4为监测点的体积含水率变化规律。从图4中可以看出：在整体变化趋势上，监测点体积含水率都随着雨水的不断入渗而逐渐增加，虽然各监测点的埋深深度一样，但不同位置处的监测点体积含水率增加速率却不一样。位于坡脚处的监测点3的体积含水率增加速率明显较快，而坡面中点监测点2的体积含水率增加速率却较慢。分析其中的原因为：监测点3位于坡脚处，距离地下水位线较近，且由于坡面径流的存在，雨水在坡脚处的入渗率较大，入渗速度较快，而坡面中点的入渗率会较小。因此，监测点3处的体积含水率增加速率最快，首先达到饱和状态。

3.2渗流速度矢量变化规律

对数值分析模型中的渗流速度矢量进行了绘制，绘制结果如图5所示。从图5中可以看出：当降雨历时3h时，雨水在边坡表面入渗，渗流速度矢量方向与边坡倾向呈垂直关系，且渗流矢量密度较为疏松;当降雨历时12h时，渗流速度矢量逐渐开始密集，且矢量方向不再与边坡倾向垂直，而是沿着坡面倾向向下;当降雨历时48h时，渗流速度矢量密集度达到最大值，在坡脚处形成了反向箭头，引起了地下水位线在坡脚处的抬升。分析其中的原因为：在前期的降雨入渗过程中，由于边坡表面土体的体积含水率较小，基质吸力较大，雨水在边坡表面能够进行快速入渗，入渗方向基本与坡面呈垂直关系。结合3.1节分析结果可知，边坡表层土体不同位置处的体积含水率增加速率不一样，这就导致了边坡深层土体对表层土体产生的基质吸力有所差异。因此，渗流速度矢量方向会发生改变，逐渐沿边坡倾向方向（坡脚方向）向边坡内部入渗。

3.3稳定性安全系数变化规律

图6为稳定性安全系数变化规律。从图6中可以看出：本文研究的土质路堤边坡的稳定性安全系数与降雨历时之间呈递减关系，不同降雨历时阶段的降低速率有所不同。分析其中的原因为：路堤边坡在人工填筑压实后整体处于稳定状态，安全系数较高，达到了3.5左右，但在雨水渗流条件下，边坡土体的体积含水率逐渐升高，导致土颗粒之间的基质吸力逐渐丧失，土体本身具有的抗剪强度逐渐降低。由于降雨前期，雨水入渗量较小，土体抗剪强度降低幅度不大，所以稳定性安全系数降低速率较小。当降雨入渗量累计达到一定程度时，边坡表层土体的下滑力会大于自身的抗滑力，使得边坡表层滑动体逐渐产生滑动趋势，最终导致滑坡失稳现象的产生。

4结语

（1）降雨入渗条件下，土质路堤边坡体积含水率会逐渐增加，但在同一埋深不同位置处的体积含水率增加速率却不一样，位于坡脚处的土体体积含水率增加速率较快。

（2）随着边坡表层土体含水饱和度的增加，雨水在路堤边坡内的渗流方向会由原来垂直于坡面改变为沿着坡面倾向入渗。

（3）土质路堤边坡的稳定性安全系数与降雨入渗量之间呈递减关系，随着降雨入渗量的不断累积，边坡最终会出现滑坡失稳破坏。