降雨作用下路基邊坡滲流與失穩(wěn)機理分析

2016-07-08 04:49:32項環(huán)珠南平市公路局南平353000

福建交通科技 2016年2期

■　項環(huán)珠（南平市公路局，南平　353000）

■項環(huán)珠
（南平市公路局，南平353000）

摘要針對南平地區(qū)典型非飽和殘積土及南平區(qū)域的降雨特點，采用有限元GeoStutio模擬降雨入滲的過程，分析降雨作用（降雨強度、降雨持時、前期降雨量、降雨雨型）對滲流場和路基邊坡穩(wěn)定性的影響。

關鍵詞降雨作用路基邊坡滲流失穩(wěn)機理分析

1　引言

南平境內屬中亞熱帶季風性濕潤氣候，冬溫夏熱，降水豐沛，年均降雨量達1602.2～1889.6mm，其中3～9月雨季占全年降水量的81％，同時南平地廣山多，境內河流眾多，具有源短流急、暴漲暴落、季節(jié)性變化大等特點。沿線路基多以典型殘積土邊坡為主，降雨對于路基邊坡穩(wěn)定性影響很大。

近幾十年來，工程界許多學者多采用飽和-非飽和滲流方法對降雨入滲下邊坡穩(wěn)定性進行深入的研究，并取得成果，但這些成果主要還是圍繞膨脹土等特殊非飽和土進行研究，對類似南平地區(qū)典型殘積土邊坡研究較少。因此，以典型殘積土邊坡為研究對象，進行降雨作用下雨水入滲的邊坡失穩(wěn)的研究對于進一步認識殘積土邊坡的失穩(wěn)機理具有重要的理論意義。本文針對南平地區(qū)典型非飽和殘積土和降雨特點，采用有限元GeoStutio模擬降雨入滲的過程，分析降雨作用下對滲流場和路基邊坡穩(wěn)定性的影響。

2　數(shù)值分析模型

2.1計算模型與數(shù)值模擬工況

取典型南平公路為例，道路橫斷面：路面寬為8m，路肩寬為1.5m，由于對稱性，取1/2寬度進行分析，天然坡率為1∶1.5，路基填土為均質土體，其數(shù)值模擬的基本模型如圖1所示。對于非飽和滲流問題，非飽和區(qū)的孔隙水壓力、體積含水量、滲透系數(shù)及容水度都是時間的函數(shù)。在有限元分析計算中，土質的物理力學參數(shù)見表1，土-水特征曲線采用試驗數(shù)據（濾紙法）擬合的V-G曲線，滲透曲線的飽和滲透系數(shù)取試驗數(shù)據，如圖2所示。

表1　基本模型的土質參數(shù)

圖1　數(shù)值計算的基本型（單位：m）

2.2降雨邊界的處理

考慮到路面雨水滲透很小，可忽略不計其影響，因此本文入滲面僅為路肩和坡面，溢出面則為坡面。

降雨入滲條件下，雨水的入滲率與土體的滲透性有關。當降雨強度小于土體表面的入滲能力時，計算入滲速率取為降雨強度，邊界條件為Neumann邊界。即：

當降雨強度大于土體表面的入滲能力時，入滲的強度就等于土體的入滲能力，邊界條件轉換為Dirichlet邊界。即：

圖2　土-水特征曲線和滲透系數(shù)曲線

2.3數(shù)值模擬工況

本文設計的數(shù)值模擬工況如表2所示。

表2　數(shù)值模擬工況

3　降雨條件下公路路基滲流場分布特征

為研究降雨作用下公路路基滲流場的變化情況，本文對圖1中斷面Ⅰ-Ⅰ上孔隙水壓力的變化情況進行分析。

3.1降雨強度的影響

圖3為不同降雨強度下1d時孔隙壓水壓力的分布圖。當降雨強度小于土體的入滲能力時，雨水全部入滲，當降雨強度大于土體的入滲能力時，雨水主要以兩種方式作用于路基，一是以土體的入滲能力的大小入滲；二是以地表徑流的形式對路基產生沖刷。由圖3可見，當降雨強度小于土體的入滲能力時，降雨對坡體內孔隙水壓力分布的影響深度隨降雨強度的增大而增大，如50mm/d作用下，影響深度達到坡表以下2m，100mm/d時影響深度達到3m以下，200mm/d時影響深度達到5m以下。當降雨強度大于土體的入滲能力時，由于均是以入滲能力（290mm/d）入滲，所以對路基體內孔隙水壓力的分布影響幾乎不隨降雨強度的變化，即圖中300mm/d、350mm/d、400mm/d條件下孔隙水壓力隨深度的分布情況基本一致。

圖3　不同降雨強度下1d時的孔隙壓力水頭隨深度的分布

3.2降雨持時的影響

圖4為50mm/d降雨強度條件下不同時刻地下水位線的變化及孔隙壓力水頭隨深度的分布。圖中顯示，隨著降雨持時的延長，地下水位線的抬升速度隨降雨持時的增長而減慢。此外，坡體內的雨水為向坡體內和溢出面流動，道路中間的地下水位線也逐步抬升。

由Ⅰ-Ⅰ斷面孔隙壓力水頭分布可知，在降雨條件下，路基上部孔隙水壓力增大，但隨降雨持時延長變化不大，路基下部，主要由于地下水位抬升，孔隙水壓力分布隨降雨持時的延長增大顯著。

3.3前期降雨量的影響

圖5為不同前期降雨量下，50mm/d降雨強度持續(xù)1d時初始孔隙壓力水頭與體積含水量的分布圖。前期降雨量主要是通過影響路基初始地下水位線的高度和坡體初始含水量。從圖中可以看出，前期降雨量越大，地下水位線越高，整個路基土體含水量也越大，坡體內飽和區(qū)域范圍越大。因此，在降雨條件下，坡體只需較短的時間就能飽和，在此情況下，前期降雨量可能成為影響路基穩(wěn)定性的主要因素。

圖4　50mm/d降雨強度不同時刻地下水位線變化及孔隙壓力水頭隨深度的分布

3.4降雨雨型的影響

通常情況下，降雨強度隨時間不斷變化，因此，為初步了解降雨雨型對滲流場的影響，本文假定降雨總量和降雨持時一致，在此前提下研究經過簡化的7種雨型（見圖6）對滲流場的影響。其中2～4種雨型的峰值降雨強度為250mm/d，小于土體入滲能力；5～7種雨型的峰值降雨強度為350mm/d，大于土體的入滲能力。峰間降雨則根據同等強型降雨總量相同情況下計算的稍低強度的等強型降雨，且2～4種雨型經歷峰值降雨的總持時是一致的，均為3h；5～7種雨型則各峰值持續(xù)時間一致，均為1h。不同雨型對應的參數(shù)見表3。

表3　不同降雨雨型的峰間雨強

圖5　不同前期降雨量時孔隙壓力水頭及體積含水量分布

圖6　假設的簡化雨型

圖7為不同雨型降雨1d時，孔隙水壓力的分布圖。由2～4型對比可見，對于總入滲量一致的情況，峰值降雨連續(xù)的持續(xù)時間越長，對孔隙水壓力分布影響深度越大。對于峰值降雨強度大于土體入滲能力的雨型5～7，峰值降雨總時間越長的，對路基孔隙水壓力影響深度越大。

圖7　不同雨型對應的孔隙水水壓力分布

4　降雨作用對土質邊坡的影響

降雨條件對路基邊坡穩(wěn)定性的影響主要體現(xiàn)在降雨強度、降雨持時、前期降雨量及降雨雨型諸方面。因此本文根據南平的降雨特點考慮8種不同降雨強度模擬路基邊坡在上述條件下穩(wěn)定性的變化情況。其中土體的入滲能力為290mm/d。

4.1降雨強度的影響

圖8為8種不同降雨強度持續(xù)1d時的邊坡安全系數(shù)與降雨強度的關系曲線。由圖可見，當降雨強度小于土體的入滲能力時，邊坡的穩(wěn)定性隨降雨強度的增大而降低；當降雨強度大于土體的入滲能力時，邊坡的穩(wěn)定性不隨降雨強度的增大而變化。雨水入滲改變坡體內的瞬態(tài)滲流場，坡體內含水量增大；另外，雨水流動產生的滲透力，使得作用在土體的凈水壓力和動水壓力增大，邊坡穩(wěn)定性降低，由天然狀態(tài)到50mm/d降雨強度持續(xù)1d，邊坡的安全系數(shù)從1.695下降到1.604。當強度小于入滲能力時，坡體內的含水量隨強度的增大而增大，坡體自重加大，基質吸力減小，抗剪強度降低。降雨強度由50mm/d變化到250mm/d時，安全系數(shù)下降到1.487。當降雨強度大于入滲能力時，邊坡穩(wěn)定性迅速下降，但均以土體的入滲能力入滲，所以其穩(wěn)定性不隨降雨強度的變化而變化。

圖8　安全系數(shù)與降雨強度關系曲線

4.2降雨持時的影響

圖9為8種降雨強度條件下土質邊坡安全系數(shù)隨降雨持時的變化曲線。在降雨期間，邊坡的安全系數(shù)隨降雨持時的延長而減小。降雨持時延長，入滲到坡體內的總雨量增大，坡體的總重量增大，邊坡的穩(wěn)定性降低。同時，當降雨強度小于土體的入滲能力時，入滲量隨降雨強度的增大而增大，穩(wěn)定性在減小。在50mm/d降雨強度持續(xù)8d后，路基安全系數(shù)從1.604下降到1.475；100mm/d降雨強度持續(xù)8d后，路基的安全系數(shù)就從1.567降低到1.371；當降雨強度大于土體的入滲能力時，即在300mm/d降雨強度持續(xù)8d時，安全系數(shù)從1.418下降到1.284，且此時對坡面的沖刷比較嚴重。圖中還顯示，邊坡穩(wěn)定性并非隨降雨持時的延長變化幅度減小。

圖9　安全系數(shù)-降雨持時關系曲線

圖10為不同時刻邊坡滑裂面的位置。可見，最危險的滑裂面的位置隨降雨持時的延長呈深層—淺層—深層的發(fā)展趨勢。在降雨初期，滑裂面出現(xiàn)在較深處。隨著雨水從路肩和坡面入滲，近坡面的土體含水量增大，強度指標降低，成為較薄弱的部分，且其滑裂面的開口位置在路肩和路面的交接處附近。之后，雨水逐漸向路基中部入滲，深處的土體含水量增大，最危險的滑裂面又向該處發(fā)展。

根據《公路路基設計規(guī)范》（JTG D30－2004）規(guī)定，在降雨條件下二級公路公路邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)不得小于1.35。從圖9中仍可看出，不同降雨強度在降雨持續(xù)一定時間后，邊坡就會從穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)榉欠€(wěn)定狀態(tài)，這個時間通常稱為“臨界持續(xù)時間”。如300mm/d強度持續(xù)2d時路基安全系數(shù)為1.314，接近臨界狀態(tài)。因此，我們應該重點注意降雨期間和雨停數(shù)小時內的邊坡的穩(wěn)定狀況。不同降雨強度下的臨界持續(xù)時間如表4所示。

圖10　不同降雨持時時的滑裂面位置

表4　不同降雨強度下的臨界持續(xù)時間

在相同降雨量的情況下，不同降雨強度和降雨持時條件下對應的安全系數(shù)如表5所示。表中的數(shù)據顯示，在降雨總量相同的前提下，高強度的短期降雨對邊坡的穩(wěn)定性不利。

表5　相同降雨量不同降雨強度下邊坡的安全系數(shù)

4.3前期降雨量的影響

在不同前期降雨量下，50mm/d降雨強度持續(xù)1d時安全系數(shù)計算結果如表6所示。

圖11為邊坡安全系數(shù)與前期降雨量的關系曲線。圖中顯示，邊坡穩(wěn)定性隨前期降雨量的增大而降低。由前面滲流分析可知，前期降雨量主要是通過影響土體的含水量和初始地下水位高度。地下水位線的抬升對邊坡的穩(wěn)定性不利，而土質含水量的增大使土坡的自重增加，同時也會減低土體的抗剪強度，邊坡穩(wěn)定性下降。

表6　相同降雨量不同降雨強度下邊坡的安全系數(shù)

圖11　安全系數(shù)-前期降雨量關系曲線

4.4降雨雨型的影響

圖12為7種雨型持續(xù)1d時安全系數(shù)與降雨期間雨型的關系曲線。圖中顯示，當峰值小于土體入滲能力時，由于雨水全部都入滲，邊坡穩(wěn)定性不隨峰值個數(shù)的變化而變化。當峰值強度大于土體的入滲能力時，由上述降雨強度對邊坡穩(wěn)定性影響分析可知，高強度降雨下，穩(wěn)定性迅速降低，5～7種雨型作用下，雖然入滲到邊坡內部的雨量較小，但受高強降雨影響，穩(wěn)定性下降。因此，高強降雨峰值個數(shù)越多，邊坡穩(wěn)定性下降越大。由此，也可以看出，降雨強度對邊坡穩(wěn)定性影響很大。