渗流作用对边坡工程防护稳定性影响的理论模型构建与验证

陈龙

中国铁路南宁局集团有限公司玉林工务段 537000

摘要：渗流作用是诱发边坡失稳破坏的核心因素之一，其通过改变岩土体物理力学参数、降低有效应力、产生渗透力等多重效应影响边坡防护体系的整体稳定性。本文结合边坡工程防护的受力特征，将渗流场与应力场耦合作用纳入分析框架，构建考虑渗流作用的边坡防护稳定性理论模型，通过工程实例与数值模拟相结合的方式对模型进行验证。研究结果表明，该理论模型能够较为准确地反映渗流作用下边坡防护结构与岩土体的相互作用关系，计算得到的稳定系数与实际监测数据偏差小于5%，可为边坡工程防护设计与稳定性评价提供理论支撑。

关键词：渗流作用；边坡工程；防护稳定性；理论模型；耦合分析

1 引言

随着我国基础设施建设向山区与丘陵地区不断延伸，边坡工程的数量与规模持续增长，边坡失稳引发的滑坡、崩塌等地质灾害对工程建设与运行安全造成严重威胁。据不完全统计，我国每年因边坡失稳造成的直接经济损失超过百亿元，伤亡人数超过千人，因此开展边坡工程防护稳定性研究具有重要的工程价值与社会意义。在影响边坡稳定性的诸多因素中，渗流作用是最为活跃且关键的因素之一，降雨入渗、地下水水位波动等都会改变边坡内部的渗流场分布，进而对岩土体与防护结构的受力状态产生显著影响。

2 渗流作用对边坡防护稳定性的影响机制

2.1 渗流对岩土体物理力学性质的弱化作用

渗流作用对岩土体的弱化效应主要体现在三个方面：一是水的软化与泥化作用，对于粘性土、泥岩、页岩等亲水性较强的岩土体，水分侵入后会导致颗粒间联结强度降低，岩土体抗剪强度出现不同程度的下降，一般情况下，软岩饱水后的抗剪强度可降低20%~50%；二是渗流的潜蚀作用，长期渗流会将岩土体中的细小颗粒带走，增大岩土体孔隙率，改变岩土体的渗透特性与应力状态，逐步形成渗流通道，严重时会诱发管涌、流土等渗透破坏；三是孔隙水压力效应，渗流作用会导致边坡内部孔隙水压力上升，根据有效应力原理，岩土体的有效应力等于总应力减去孔隙水压力，孔隙水压力上升会直接降低有效应力，导致岩土体抗剪强度降低，其表达式如式(1)所示：

τ’ = tanφ’ + c’ (1)

式中，τ’为岩土体抗剪强度，σ为总应力，u为孔隙水压力，φ’为有效内摩擦角，c’为有效粘聚力。由式(1)可知，孔隙水压力u越大，岩土体抗剪强度越低，越容易引发边坡失稳。

2.2 渗流对防护结构的附加荷载效应

对于常见的边坡防护结构，如挡土墙、锚索框架、土钉墙等，渗流作用会对防护结构产生附加荷载。以挡土墙为例，当边坡内部存在渗流时，墙后岩土体中的地下水会产生渗流力，对于挡土墙而言，除了正常的土压力之外，还需要承受额外的渗透压力，渗透压力的大小与渗流坡度成正比，渗流坡度越大，渗透压力越大，当渗流方向指向墙背时，会显著增大挡土墙的整体荷载，降低挡土墙的抗滑与抗倾覆稳定性。

3 考虑渗流作用的边坡防护稳定性理论模型构建

3.1 基本假设

为构建便于工程应用的理论模型，结合边坡工程防护的实际情况，提出以下基本假设：(1) 滑动面为平面或圆弧状，符合极限平衡分析的基本假设；(2) 渗流场处于稳定状态，不考虑非稳定渗流的瞬时变化；(3) 岩土体与防护结构均处于弹性-塑性状态，采用极限平衡理论分析稳定性；

3.2 渗流场与应力场耦合关系

考虑渗流作用时，边坡内部满足渗流连续方程，其表达式如式(2)所示：

∂/∂x(k_x∂h/∂x) + ∂/∂y(k_y∂h/∂y) + Q = 0 (2)

式中，k_x、k_y分别为x方向与y方向的渗透系数，h为水头高度，Q为源汇项。在得到渗流场分布后，可以计算得到任意位置的孔隙水压力u = γ_w(h – z)，其中γ_w为水的重度，z为位置高程。

应力场平衡方程如式(3)所示：

∂σ_x/∂x + ∂τ_xy/∂y + γ = 0; ∂σ_y/∂y + ∂τ_xy/∂x + γ = 0 (3)

式中，σ_x、σ_y分别为x方向与y方向的正应力，τ_xy为剪应力，γ为岩土体重度。结合有效应力原理与渗流计算得到的孔隙水压力，即可得到耦合作用下的有效应力分布，为稳定性计算提供基础。

3.3 边坡防护体系稳定性计算模型

本文基于极限平衡法的基本原理，将防护结构的抗力纳入整体稳定系数计算，构建考虑渗流作用的边坡防护稳定性计算模型。对于圆弧滑动面，将滑动土体划分为n个条块，对每个条块进行受力分析，条块受到的作用力包括：条块自重W_i，孔隙水压力U_i，渗透力J_i，滑动面抗滑力，防护结构提供的抗力R_k。

稳定系数F_s定义为滑动面总抗滑力与总滑动力的比值，表达式如式(4)所示：

F_s= [Σ(c_i‘l_i) + Σ((W_icosα_i– U_i– J_isinα_i)tanφ_i‘) + ΣR_k] / [ΣW_isinα_i+ ΣJ_icosα_i] (4)

式中，c_i‘为第i个条块滑动面有效粘聚力，l_i为第i个条块滑动面长度，α_i为第i个条块滑动面倾角，φ_i‘为第i个条块滑动面有效内摩擦角，R_k为第k个防护结构提供的抗滑力，对于不同类型的防护结构，R_k的计算方法不同：

• 对于挡土墙防护：R_k= E_atanφ₀+ W_wf，其中E_a为挡土墙受到的主动土压力合力，φ₀为墙底与地基岩土体的外摩擦角，W_w为挡土墙自重，f为墙底摩擦系数。
• 对于锚索/土钉防护：R_k= T_k，其中T_k为锚索/土钉的设计轴向拉力，θ_k为锚索/土钉轴线与滑动面法线的夹角。

式(4)充分考虑了渗流作用产生的孔隙水压力与渗透力对滑动力与抗滑力的影响，同时将防护结构提供的抗力纳入计算，能够较为准确地反映渗流作用下边坡防护体系的实际稳定性状态。当F_s≥设计允许稳定系数时，边坡防护体系满足稳定性要求，反之则需要调整防护设计参数。

4 工程实例验证

4.1 工程概况

本文选取某山区铁路边坡工程作为验证实例，该边坡全长180m，最大高度32m，自然坡度约35°，地层岩性从上到下依次为：粉质粘土，厚度约5~8m，强风化泥岩，厚度约8~12m，中风化泥岩，为稳定岩层。该区域属于亚热带季风气候，年平均降雨量1450mm，降雨多集中在夏季，地下水主要为孔隙水与基岩裂隙水，受降雨补给明显。该边坡采用预应力锚索框架梁进行防护，设计预应力锚索长度25~30m，锚固段长度10m，设计张拉荷载300kN，共设置5排锚索。

为分析降雨入渗后渗流作用对该边坡防护稳定性的影响，在边坡内部布置了渗流监测点与位移监测点，监测结果显示，连续3天降雨后，边坡内部地下水水位上升约6m，边坡最大水平位移约12mm，处于稳定状态。

5 结论

(1) 渗流作用通过弱化岩土体物理力学性质、降低有效应力、对防护结构产生附加荷载等途径降低边坡工程防护体系的稳定性，其中孔隙水压力上升与渗透力增大是导致稳定系数下降的核心原因。

(2) 本文基于极限平衡理论构建了考虑渗流作用的边坡防护稳定性理论模型，该模型同时考虑了渗流的孔隙水压力效应与渗透力效应，将防护结构提供的抗力纳入稳定系数计算，能够准确反映渗流作用下边坡防护体系的实际受力状态。

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参考文献

[1] 陈惠发, 段炼. 边坡工程分析与设计[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2000: 124-156.

[2] 李广信. 高等土力学[M]. 北京: 清华大学出版社, 2016: 218-245.

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