梅大高速路面塌方令人痛心，从仿真角度浅谈降雨对边坡稳定性的影响
本文摘要：（由ai生成）
这篇文章主要介绍了降雨对高速公路路面塌陷事故的影响，以及降雨造成边坡失稳的有限元仿真。文章指出，降雨是高速公路路面塌陷事故的重要诱因之一，降雨强度是边坡失稳发生的关键因素。文章还回顾了历史上的边坡失稳事故，并探讨了路基边坡风险管控的新途径。
据广东梅州大埔县委宣传部消息，5月1日凌晨2时10分许，梅大高速往福建方向K11+900m附近发生高速公路路面塌陷事故。截至5月2日下午2时，塌方灾害已造成48人死亡，另有3人的DNA在进一步比对确认，30人受伤（无生命危险）[1]。
图 1（图片来源于“央视新闻”）
一、降雨是路基边坡失稳重要诱因
在山区，高速公路往往依山而建，在坡度较大的地方，基于因地制宜原则，半挖半填路基被广泛应用。而路基塌方是半挖半填路基的典型病害之一。高速路基塌方灾害属于岩土工程中常见的边坡失稳现象，又称滑坡灾害。在具有潜在滑坡风险的地势、地质条件下, 降雨是山体滑坡发生的主要激发条件之一，降雨引起的滑坡约占滑坡总数的70%[2]。
图 2（图片来源于“央视新闻”）
据梅州市委副书记、市长王晖在梅大高速茶阳路段塌方救援新闻发布会上透露，4月以来，梅州出现多轮强降水，全市平均累积雨量为621.7毫米，较常年同期偏多2.49倍。特别是4月1日至4月30日，塌方路段所在的大埔县降雨量628.2毫米，比常年平均228.4毫米多2.75倍，为有气象记录以来4月历史最多降水量（1980年419.5毫米）。4月30日20时，大埔县气象台发布天气预告称，4月30日08时到20时，大埔县普降大雨。根据气象资料统计，全县平均面雨量36.4毫米，最大降水量为49.8毫米（梅龙高速茶阳服务区）[3]。由此可见，此次的塌方灾害发生前，灾害发生区域也出现了显著的降雨现象。
同样是梅大高速，在一年前也发生过类似的塌方灾害。根据南方日报的报道，2023年4月1日，受持续强降雨影响，梅大高速往大埔方向K55+690处的高陡边坡也曾在暴雨状态下发生崩塌性塌方。当时，受持续强降雨影响，该路段发生边坡崩塌自然灾害，造成该路段双向交通中断，所幸无人员伤亡[4]。
那么降雨为什么会导致边坡失稳现象的发生？
降雨强度是边坡失稳发生的关键因素。当降雨强度小于边坡土体渗透速度时, 雨水很容易渗流到土体深部直接补给地下水，边坡处于稳定状态。当降雨强度大于边坡土体速度时, 一方面浅层土体迅速达到暂态饱和，坡面形成地表径流，对坡面造成冲刷；另一方面雨水渗透到内部，土体的含水量不断增大，引起边坡渗流场的变化，并产生一定的渗流力，同时作用在土体上的动水荷载和静水荷载也增大，土体抗剪强度降低，使边坡的稳定性降低，甚至导致边坡产生滑动破坏。
实际工程中，边坡一般为非饱和土体边坡。基于非饱和土土力学理论，降雨影响边坡稳定性及诱发边坡失稳的机理主要有以下四个方面[5]：
（1）雨水入渗引起基质吸力降低。非饱和土内的吸力会因外界入渗和蒸发的作用而重新分布。降雨入渗使边坡非饱和带土体的吸力降低，产生暂态饱和，土体达到塑性状态，有效凝聚力和有效内摩擦角大幅下降。降雨强度愈均匀，持续时间愈长，边坡稳定性安全系数愈低，这是造成突发性滑坡的根本原因。
图 3 降雨导致非饱和土基质吸力的变化
（2）雨水导致边坡土体软化：降雨后，地下水位升高，水力坡度增大，造成渗透压力的改变， 同时土体浸湿软化（强度软化和应变软化），导致边坡稳定性降低。
（3）地下水位的上升。一方面地下水渗流过程对土颗粒施加压力，同时可使粒间易溶的胶结物流失，使颗粒间的粘聚力和内摩擦系数降低。另一方面，坡体的动水压力和静水压力增大，在基岩风化面或隔水的各种黏土层处形成软弱滑动面，促使和加速滑坡体的滑动。而对于砂土，水位上升导致的孔隙水压力的突然增大，有可能引起土体的液化。这都会使边坡稳定性大幅降低。
（4）降雨对边坡坡面冲蚀。当降雨强度大于入渗强度时，坡面会产生下流水力冲刷。冲蚀导致边坡失稳的机理为：溅蚀—面蚀—细沟冲蚀—浅沟冲蚀—崩塌—滑坡。降雨及其形成的坡面流是冲蚀的动力来源。
图 4 人工排土边坡水力冲刷
二、降雨造成边坡失稳的有限元仿真
刚体极限平衡法是工程中应用最早，计算理论体系最为完备的分析方法。进入 21 世纪以来，计算机技术的迅猛发展推动了以有限元法为代表的边坡数值计算方法的快速发展。降雨对边坡稳定的影响研究主要可以从边坡内部渗流场分布规律和边坡整体稳定性两方面开展。以下以某边坡为例，通过基于有限元的极限平衡法，对降雨情况下的边坡稳定性进行分析。
首先需根据原始工程资料，建立有限元分析模型，并划分有限元网格和设置边界条件。边坡人工填土和地基土的材料参数取值如表1。边坡渗流计算边界约束条件可设置为：垂直边界面为固定水头边界，底面为不透水边界；上表面稳定计算中为自由面，降雨渗流计算中为流量边界，根据气象资料降雨入渗速率取为4.3×10-6m/s。
表1 材料参数
图 5 有限元网格
自然工况下，边坡内部呈现明显的饱和区与非饱和区，自由水面基本为地表以下，地下水沿边坡底部渗流。边坡所处地基大部分处于饱和状态；边坡内部则大部分处于非饱和状态。
图 6 稳态孔隙水压力云图
降雨条件下，首先在坡脚出现暂态饱和区，随之降雨进行暂态饱和区沿坡面线附近区域不断扩展、延伸直至形成连续贯通饱和带。降雨工况后，形成坡面暂态饱和区，降雨对坡面渗流场影响较大。
降雨5d
降雨7d
降雨10d
图 7 降雨工况排土场孔隙水压力随时间变化云图（单位：kPa）
对剖面整体稳定性进行分析，结果如图 8~图 9所示，计算得到自然工况、降雨工况边坡稳定最小安全系数分别为1.426、1.279。可以看出，降雨引起边坡的最小安全系数显著减低。
图 8 自然工况下最危险滑动面
图 9 降雨工况下最危险滑动面
三、历史边坡失稳事故回顾
总结以往事故调查，边坡失稳灾害发生的成因主要分为降雨、地震和人为不当开发三类。
强降雨是大部分路基边坡失稳的直接原因。例如2022年5月，重庆多地遭遇强降雨，暴雨致渝北辖区的319国道张关路段发生多处塌方[6]；2022年10月，因持续降雨，陕西安康多处出现山体垮塌边坡失稳，造成交通中断[7]。
地震也是引起边坡失稳的直接原因。例如，2022年9月5日12时52分在四川甘孜州泸定县（北纬29.59度，东经102.08度）发生6.8级地震。地震造成公路172处受损，主要为边坡垮塌、高位滑坡[8]。
而有些边坡失稳事故则为人为的不当开发，例如：2022年1月3日18时55分许，贵州省毕节市金海湖新区归化街道办事处香田村在建的毕节市第一人民医院分院培训综合楼边坡支护工程在施工过程中，突然发生山体滑坡，最终造成14名施工作业人员死亡、3人受伤。后调查组通过查看附近气象站和地震台网的数据信息，排除了降雨、地下水或地震导致滑坡的可能。事故调查报告显示，这起滑坡事故与降水、地下水及地震等因素均无关，事故发生的直接原因为施工方边坡开挖改变了斜坡的地表形态和应力分布，降低了山体抗滑力，导致坡体失稳，形成滑坡[9]。
图 10 2022年1月4日凌晨，搜救人员在山体滑坡现场展开搜救
四、浅谈路基边坡风险管控新途径
工程中常采用加固支护结构、改善排水系统、植被覆土复垦等技术措施降低滑坡可能性。
随着数字化技术的发展，建立以地面雷达和卫星遥感技术等现代化监测技术为触角、以数值科学计算为内核的路基边坡灾害综合预警与决策系统，是当前边坡灾害防控的主要方法。将地质灾害频发区域预警系统与应急突发事件信息发布平台、地图导航移动使用端等多层次接口打通，帮助公众对险情做出快速反应，指导应急管理部门进行科学决策和资源调配，是一种避免因高陡边坡路基突然塌方而引起重大人员伤亡的新途径，需要多方共同探索和努力。
获取该方案的详细介绍及了解尾矿库排洪系统结构仿真方案，点击下方附件。
[1] 央视网，《梅大高速塌方现场，路过的他救出6人！最小的3岁》
[2] 中国气象局官网，《雨季警惕滑坡》
[3] 公众广东应急管理，《发布会现场默哀！梅大高速塌方灾害已致48人死亡》
[4] 搜狐网，南都记者，《梅龙高速往大埔方向一路段边坡因暴雨出现险情！交通管制3天》
[5] 李峰,郭院成.降雨入渗对边坡稳定性作用机理分析[J].人民黄河,2007,(06):44-45+48.
[6] 光明网官网《重庆入汛以来最强降雨致319国道塌方 未来仍需警惕地质灾害》
[7] 环球网，《预警！降雨持续！陕西安康部分地方出现山体垮塌，交通受阻！》
[8] 北京日报，《交通部：因地震受损公路172处，主要为边坡垮塌、高位滑坡》
[9] 澎湃新闻，《贵州公布毕节14死山体滑坡事故调查报告：事故前安全员要求撤离未果》
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