降雨入渗对路堤边坡稳定性的影响：如何体系化评估入渗深度与稳定系数？
如今高路堤边坡的稳定性分析日趋重要，之前15版路基设计规范中在条文说明中进行了说明，在3.6.7中明确表示土体完全采用饱和工况是脱离实际的，对路基稳定性有影响的降雨主要是暴雨或连续降雨。对运营期的路基，降雨影响深度通常有限。招商局重庆交通科研设计院有限公司通过在重庆和甘肃等地不同降雨强度的现场试验得出:在没有任何路基边坡防护措施的情况下，甘肃黄土填筑的路基，降雨人渗深度为1m左右，重庆页岩土石混填路基，降雨人渗深度为2~3m。当路面铺筑完成，且路基排水设施完备、路基边坡进行植被等防护后，降雨对路基的影响还会减弱。同时，通过计算分析得到:随着降雨入渗深度的增加，路基稳定性持续降低。当人渗深度小于3.5m 时，路基稳定系数降低的幅度比较小;当入渗深度达到5m时，降低36%左右;路基全饱和时，稳定系数可降低一半以上。如以路基全部受到降雨的影响来考虑降雨工况，既不符合实际，又会导致降雨工况控制路基设计的状况，因此，应当以降雨影响处于有限深度范围来考虑降雨工况。 在边坡指南中，对暴雨工况有了更为完善的要求，明确指出了：路堤坡面浅层稳定分析应考虑坡面地表水入渗导致的土体饱和及软化的影响。坡面饱和土深度宜根据土质、压实度、渗透性和雨强等利用软件分析确定或试验确定，无试验资料时可取 3m。
在本次心得分享中，我想和大家探讨下高路堤的边坡稳定性分析要点，之前有同事或同仁问过我路堤边坡的安全系数及参数如何取值，采用什么软件来计算既能满足工程需要又不用太繁琐，这也是本次分享的初衷。下面就以广东某在建高速公路项目进行说明：
一、现状高路堤情况
①当路堤高度为12m～20m时，在8m处设置折线坡，上部8m坡率1:1.5；8m以下坡率1：1.75。边坡均采用菱形框格网植草防护；
②当路堤高度大于20m时，在20m处设置2m宽平台，坡率1:2.0，平台以上采用菱形框格网植草防护，平台以下采用浆砌片石满铺防护，并设置护脚墙。
根据《陡坡路堤边坡风险排查报告》及现场调查，自高速运营至今，研究段落左侧路堤发生过轻微变形及滑塌等病害。现场已进行修补，且根据管理中心提供信息，裂缝为1年以上老裂缝且监测期间未见发展趋势。在调查过程中，坡体中部约50m宽度沿顶部可见早期产生的坡面遛塌，顶部可见范围约30m较明显的溜滑下挫迹象，竖向下挫最大50cm，下部平台处无遛滑迹象。坡脚挡墙由于运营时间久沿沉降缝有轻微开裂、局部错开现象；降雨冲刷导致墙背与后部土体存在不同程度的脱离现象。
该段现有高路堤边坡评价：
经调查，该路堤边坡经处治后未发现明显变形，定性评价该边坡呈基本稳定-稳定状态，其中最不利暴雨工况下定性判断稳定系数处于1.12-1.18左右。
二、边坡稳定性分析评价
1、边坡稳定性分析方法
边坡稳定性评价遵循“以定性分析为基础，定量计算为手段”的原则，根据边坡类型和可能的破坏形式确定边坡稳定性计算方法。根据《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）并结合高等级公路工程建设经验，公路边坡为规则坡形边坡，可看做二维平面应变问题，因此多建立二维边坡模型分析其稳定性。
路堤稳定分析应符合下列规定:
（1）高路堤、斜坡路堤、陡坡路堤应分析堤身稳定性、路堤和地基的整体稳定性、路堤坡面浅层滑动稳定性等；
（2）斜坡路堤、陡坡路堤、不良地质路堤、特殊岩土路堤尚应重点验算路堤沿基底或软弱层滑动的稳定性；
（3）沟谷中斜坡路堤、陡坡路堤应沿垂直路线方向和沟谷走向分别进行稳定性分析；
（4）设置填平区的路堤，应考虑填平区对路堤稳定的影响。
（5）路堤坡面浅层稳定分析应考虑坡面地表水入渗导致的土体饱和及软化的影响。坡面饱和土深度宜根据土质、压实度、渗透性和雨强等利用软件分析确定或试验确定，无试验资料时可取3m。
（6）地表水入渗饱和的地层、潜水位线以下的地层、承压含水层应采用饱和抗剪强度。地层的饱和抗剪强度指标宜根据试验确定，且应考虑饱和时间对抗剪强度的影响。无试验资料时,饱和快剪黏聚力宜取天然状态快剪黏聚力的0.5~0.7倍，饱和快剪内摩擦角宜取天然状态快剪内摩擦角的0.85~0.90倍。路堤填土的天然状态为达到设计压实度和最优含水量。
（7）路堤自身稳定性、路堤与地基的整体稳定性、路堤坡面浅层稳定性可采用简化Bishop法分析，路堤沿基底或软弱层滑动的稳定性可采用不平衡推力法分析。复杂工点的路堤稳定性分析宜采用有限元、有限差分等数值分析方法。由于工程中很少测定也很难测定非饱和土的渗透系数，因此大部分采用数学模型拟合颗粒积分布函数后进行推定，常用的模型主要为Brooks-Corey模型法、Fredlund-Xing模型法与Van Genuchten模型法，其中，VG模型因拟合精度高、参数明确得到了广泛应用，同时地下水埋深也对边坡降雨入渗各方向水力梯度及内部负孔隙水压力分布有影响，因此应考虑地下水埋深的影响。
根据本项目填料及挖方土层特点，填方边坡采用隧道洞渣及粘性土组成的碎石土填筑，该类碎石土与一般的砾类土不同，其本身具有一定的黏聚力，因此其潜在滑动面为典型的圆弧形滑动面。
2、填挖方边坡稳定性分析评价流程
（1）分析工况
边坡稳定性分析工况根据项目特点及边坡基本特征，共分为3组计算工况。
I.天然工况下的稳定性，考虑天然自重+地下水位的组合，无地下水时考虑天然自重情况下的稳定性；
II.暴雨工况下的稳定性，考虑饱和容重+地下水位的组合，无地下水时考虑饱和自重情况下的稳定性；
III.地震工况下的稳定性。
路基安全系数取值遵循以下原则：
①与结构重要性及破坏后修复的难易程度相适应，主要考虑与公路等级相联系；
②与采用的稳定性分析方法相匹配；
③以正常工况控制设计，以非正常工况进行校核设计，使其在正常工况和暴雨工况下均处于稳定状态。
（2）典型断面的选取
①该典型断面与前后断面相似，并可作为最不利断面或者可以代表其他断面；
②该断面原则上为填方高度最高，原始坡度较陡的边坡。
（3）边坡安全系数判别标准
对边坡的稳定性分析评价，边坡的稳定性安全系数值参考《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）、《广东省公路路基边坡防护及排水设计指南（试行）》、《公路工程抗震规范》（JTG B02-2013）等规范的要求，结合边坡稳定性分析既有经验综合确定。具体确定过程如下：
①稳定分析的工况、内容
本次边坡稳定性计算考虑以下两种工况：
A.正常工况：边坡处于天然状态下的工况。
B.非正常工况Ⅰ：边坡处于暴雨或连续降雨下的工况。
C.非正常工况II：边坡处于地震下工况。本项目属于6度区，地震峰值加速度较小，地震工况下稳定性大于暴雨工况下稳定性，因此结合规范，对项目区高边坡不计算地震工况下稳定性。
②根据规范及指南，综合考虑且根据现场的宏观判断，路堤填方边坡按照正常工况下稳定安全系数大于1.40、非正常工况Ⅰ稳定安全系数大于1.30进行控制（指南指出，暴雨及连续降雨工况计算的路堤稳定系数宜在《公路路基设计规范》JTG D30 基础上提高 0.05。考虑潜水、承压水的影响时，路堤稳定系数不应小于《公路路基设计规范》JTG D30 中暴雨及连续降雨工况下的安全系数，本设计按照指南执行）。
（4）岩土体物理力学参数选取
分析边坡稳定性时主要岩土体物理力学参数有密度、粘聚力、内摩擦角，本项目路堤填料由于通过隧道洞渣、挖方边坡土石方或取土场取料后混合填筑，同时不同填筑区域的压实度也不同，导致其物理力学参数难以通过试验确定，因此根据室内试验资料、监测成果反分析、极限平衡反算值、工程地质类比和当地经验综合确定分析。基本原则如下：
I.隧道洞渣、挖方边坡土石方主要为强中风化砂岩及灰岩，针对风化程度相对全风化来说较低的强风化岩体，基于点荷载试验及野外观察到的岩石特性，采用国际上广泛采用的确定裂隙岩体强度的方法，其中剪切强度表示为弯曲的莫尔包络线，同时引入边坡扰动情况的概念，通过胡克布朗模型反推摩尔库伦模型得到的抗剪强度用于边坡稳定性计算。
II.由于相比于高路堤本身，路面结构厚度、路床96区厚度、路堤94区和93区厚度较小，分区建模意义不大，且路面结构一般在建模中按照线弹性体幅值，但由于厚度较小，实际变形仍会从其相应位置剪入，因此建议从实际安全性出发，统一按照93区进行考虑优化。
III.路堤填料由于通过隧道洞渣、挖方边坡土石方或取土场取料后与粘性土混合填筑，粗粒土高路堤填料为各向同性材料，根据《指南》附录B.0.6，考虑项目区既有填方路堤为粗粒土，渗水性相对较好，同时考虑粘性土填充情况，参考砂土和砂质黏土的VG模型参数取值。
IV.由于降雨入渗时应考虑负孔隙水压力对土体抗剪强度的贡献变化，进行计算时应将Fredlund等提出的双应力变量抗剪强度公式联系起来，所推导的最终安全系数计算公式见公式。
根据现有研究规律，粗粒土路堤边坡最大基质吸力不超过100kPa，但软件会自动在水位线以上无限增长，比如20m高的规则边坡，最大负孔隙水压力达-200kPa，有效强度参数应用如上公式强度过大，不符合实际，需提前指定最大基质吸力，为方便工程验算，并减少未知参数数量（与基质吸力有关的摩擦角经验值为14°，但各个地区的情况不同），将分析得到的浸润线导入到边坡稳定性分析软件中，基于摩尔库伦强度模型采用极限平衡法进行计算。
本次分析采用Geostudio软件进行分析，该软件计算公式可选择为考虑双应力变量抗剪强度的毕肖普法公式，首先通过SEEP模块建立边坡稳态模型，即初始条件模型，求解天然状态不同地下水位条件下的负孔隙水压力分布，其次建立边坡瞬态模型，输入降雨时程数据曲线，分析降雨入渗对边坡负孔隙水压力的影响，最后通过SLOPE模块分析边坡在不同降雨方案下的稳定性。
根据附近勘察结果，原土基主要为浅层素填土和下覆卵石层，卵石层厚约12m。
（5）边坡模型的建立
模型坡脚到模型右边界距离为一个边坡高度H，坡顶到模型左边界距离为0.5H，坡顶到模型底边界距离为H，未见地下水位，为保准计算精度及收敛效果，网格采用1m*1m尺寸的三角形四变形联合网格，共生成4392个网格以及4554个节点。
边坡边界条件根据路堤边坡实际情况设定，坡顶路面设置为不透水层，模型底部设置设定为压力水头为0m。当土体饱和渗透系数大于降雨入渗量时，坡面可按照降雨历时流量在坡面设置为降雨单位流量入渗边界，但当降雨入渗量大于土体饱和渗透系数时，若仍采用流量边界，最终孔隙水压力分布云图会出现坡脚孔隙水压力为几十Kpa甚至上百Kpa，换算为水头高度为十多米，这显然不符合实际情况，因此针对此情况应在坡面设置0.01m压力水头模拟坡面饱和径流情况。
（6）关于降雨模拟方案
根据韶关地区2019年5.18暴雨及历史降雨量较大的几次的暴雨的降水量变化，韶关地区暴雨具有突发性强、历时短、降雨强度大、强降雨范围集中等特点，2019年5月18日00时至早上(北京时，下同)，广东韶关出现了突发性极端强降水过程，造成韶关曲江和翁源出现严重的泥石流、山体滑坡、山洪等灾害，导致多处公路边坡塌方，造成高速、国道与省道多处主要交通干道交通中断，车辆滞留，直接经济损失2 000多万。本次降水过程主要有以下几个特点。
I.暴雨范围小，局地性强，暴雨以上的站点主要发生在韶关的曲江区、翁源县西北部、乳源县南部和武江区南部，并且在曲江出现了局地特大暴雨，其余地区多以小到中雨为主。
II.强降雨持续时间短。过程降雨主要集中在18日02—08时，强降雨持续时间只有6 h，个别站点只有2～3 h，降雨来势迅猛，08时之后全市降雨减弱，以分散性小雨为主(图1b)。
III.降雨强度及累计雨量刷新历史极值：02—08时，曲江区的樟市镇政府、樟市镇南约村委会、乌石镇坑口石角分别录得雨量257.6 mm、246.2 mm、242.8 mm，三个站均打破韶关市6 h降水量历史极值；曲江区乌石镇坑口石角3 h雨量206.1 mm(05—08时)和1 h雨量114.3 mm(06—07时)均刷新了韶关市3 h雨量和1 h雨量的历史极值。
图2019年5月18日韶关雷达1.5°的反射率因子及径向速度
同时受到台风“尤特”的影响，2013年8月15日-18日历时3天特大暴雨，韶关市录得最大累积雨量为690.7mm，与2019年5月18日暴雨对比，并考虑地质灾害的发育受持续强降雨影响，包含前期中小雨、中期暴雨及后期中小雨全过程历时，因此根据韶关地区降雨特点，确定降雨模拟历时为72小时，累积雨量为690.7mm，平均降雨强度为2.66e-6m/s，该降雨强度小于饱和渗透系数，因此应考虑边界条件采用正常流量入渗进行模拟。
（7）关于行车荷载
由于为填方路堤，需要考虑路面荷载，汽车荷载视为施加在路面结构顶面的均布荷载，行车荷载可换算为作用在路面结构上的岩土层的土柱。
综上，详细路堤边坡稳定性分析流程如下：
I.稳态渗流分析。分析初始应力场。
II.稳定性分析。分析天然工况下的路堤边坡稳定性。
III.瞬态渗流分析。分析72h平均降雨强度为2.66e-3m/s的降雨工况下路堤边坡的渗流场情况。
IV.稳定性分析。分析暴雨工况下的路堤边坡稳定性。
3、路堤边坡稳定性分析
I.稳态渗流分析
由于未见地下水位，因此对模型底部设置0m的压力水头，分析结果如下：
II.天然工况下稳定性分析
分析天然工况下的稳定性，计算潜在滑动面为圆弧形，稳定系数为1.302，天然工况下呈基本稳定～稳定状态，与实际情况一致。
III.瞬态暴雨工况下非饱和入渗分析
总降雨历时为72h，时间增量设置为6h，共分为12步。
重要时间节点降雨入渗浸润线变化情况如下：
图24h降雨入渗
图72h降雨入渗
最终72h坡面入渗后稳定系数为1.167，暴雨工况下呈基本稳定状态，与实际情况一致，由于入渗深度较深，可能会发生部分区域变形，同时未达到设计要求，建议进行加固处治。
4、路堤边坡加固设计
结合该路堤边坡变形历史，加固思路主要如下：
I.结合目前坡体中部沿顶部可见早期产生的坡面遛塌且至下部平台处已几无遛滑迹象，边坡失稳主要为持续降雨入渗产生的浅层滑塌，根据稳定性分析结果，主要破坏模式为局部圆弧形破坏，因此应从减少坡面降雨入渗和浅层固坡进行加固设计；
II.下部坡脚挡墙由于运营时间久沿沉降缝有轻微开裂、局部错开现象；降雨冲刷导致墙背与后部土体存在不同程度的脱离现象。因此应注意挡墙墙背填土后填实及挡墙顶平台硬化，减少降雨入渗再次导致墙背与后部土体脱离。
综上，对该路堤一级边坡采用钢花管框架梁加固，框架梁内采用浆砌片石满铺防护，二级边坡采用人字形骨架+浆砌片石满铺防护，同时对墙背土体进行回填后硬化挡墙墙顶平台。
5、加固后路堤边坡稳定性分析
加固后路堤边坡模型增设钢花管，钢花管长度12m，间距为3.0m，设计锚固力为120kN，加固后暴雨工况下稳定系数为1.304，满足设计要求。
