降雨入滲對隧道的影響數(shù)值分析

喬 俊

（山西省交通建設(shè)工程監(jiān)理總公司，山西 太原 030012）

目前，工程中的降雨入滲問題主要集中在邊坡的穩(wěn)定性研究上[1-4]，而對隧道在降雨入滲條件下的影響研究較少。巖土體在長期強降雨作用下，由于雨水的滲入深度較深，降雨影響范圍內(nèi)土中基質(zhì)吸力降低，同時土體遇水軟化，強度參數(shù)降低，這對隧道的穩(wěn)定性是不利的[5-6]。因此，研究降雨條件下降雨影響深度以及土體軟化程度顯得尤為重要，并具有實際工程意義。

本文采用有限差分軟件FLAC3D，對隧道的降雨入滲過程進行模擬，研究了降雨影響深度以及降雨對土體軟化效應(yīng)的影響，并與頂部產(chǎn)生積水坑后的工況進行比較。

1 數(shù)值計算模型建立

為減小邊界效應(yīng)的影響，模型寬度取100 m，隧道底部至模型下邊界30 m，埋深10 m，數(shù)值計算模型如圖1所示。對模型四周施加法向約束，并將底部固定，模型四周及底部均設(shè)置為不透水邊界，頂部設(shè)置為降雨邊界條件。

巖土體采用Mohr-Coulomb模型，彈性模量為10 MPa，泊松比為 0.42，天然密度 1 890 kg/m3，滲透系數(shù)為1.02×10-4cm/s。數(shù)值模擬中，假設(shè)地表在很短時間內(nèi)達到飽和，因此固定地表孔隙水壓力為零來模擬定壓力入滲邊界。考慮地下水位埋深較深，整個模型范圍內(nèi)均處于非飽和狀態(tài)，由于地表處土體較為干燥，含水率低，因此地表處孔隙水壓力最小，往地層深處含水率逐漸增大，孔隙水壓力逐漸增大；土體強度參數(shù)值自上而下逐漸減小。

圖1 數(shù)值計算模型

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 降雨影響深度分析

此處取持續(xù)降雨48 h后的計算結(jié)果進行分析。持續(xù)降雨48 h后的孔隙水壓力、土體強度參數(shù)分布如圖2所示。從圖中可以看出，降雨過程中，浸潤峰線向下推進，近地表土體由于得到降水的補給，含水率上升很快，基質(zhì)吸力減小明顯。從圖2可以看出降雨48 h后的影響深度大致為12 m。

2.2 土體強度參數(shù)變化分析

持續(xù)降雨48 h后的土體強度參數(shù)分布如圖3所示，從中可以看出，由于近地表土體含水率上升較快，土體強度參數(shù)減小明顯。隧道垂直中軸線上土體強度參數(shù)與深度的關(guān)系曲線如圖4所示，其中_i表示初始值；_n表示當前值。拱頂處摩擦角由初始的15.1°減小為13.5°，減小了10.6%；拱頂黏聚力由初始的41.6 kPa減小到37.1 kPa，減小了10.8%。說明降雨入滲較大程度地降低了土體的強度參數(shù)。

圖2 降雨48 h后孔隙水壓力分布云圖

圖3 降雨48 h后土體強度參數(shù)分布云圖

圖4 降雨48 h后隧道垂直中軸線上土體強度參數(shù)隨深度變化曲線

2.3 頂部積水坑對圍巖強度影響

在長期持續(xù)強降雨作用下，地表坡體處土體滑塌形成積水坑，由于積水坑的存在，增大了降雨入滲面積，使得大量雨水浸入隧道，易造成隧道坍塌。因此，此處考慮積水坑形成后的入滲情況以及圍巖強度的變化。圖5為考慮積水坑條件下，持續(xù)降雨48 h后的孔隙水壓力分布圖。從圖中可以看出，由于積水坑的存在，降雨浸潤峰線呈現(xiàn)出弧形，即積水坑正下方浸入深度最大，達到22 m，隧道大面積浸水。

圖5 降雨48 h后孔隙水壓力分布云圖

隧道垂直中軸線上土體強度參數(shù)與深度的關(guān)系曲線如圖6所示，其中_y表示有積水坑工況；_w表示無積水坑工況。可以看出，有積水坑較無積水坑工況下，圍巖強度參數(shù)明顯降低。有積水坑時，降雨48 h后，拱頂處摩擦角由初始的15.1°減小為10.4°，減小了24.5%；拱頂黏聚力由初始的41.6 kPa減小到27.2 kPa，減小了34.6%，可以看出積水坑的出現(xiàn)極大地降低了隧道圍巖強度，隧道穩(wěn)定性顯著降低。

圖6 有積水坑時隧道垂直中軸線上土體強度參數(shù)隨深度變化曲線

3 結(jié)論

本文運用有限差分軟件FLAC3D對隧道在降雨入滲條件下的降雨影響深度及土體遇水軟化程度進行分析。數(shù)值模擬結(jié)果及相關(guān)結(jié)論如下：

a）采用本文提出的非飽和滲流數(shù)值模擬方法，可以較好地模擬降雨條件下的非飽和滲流過程，相關(guān)計算結(jié)果可為相關(guān)工程提供參考。

b）持續(xù)強降雨對隧道安全性和穩(wěn)定性影響很大，降雨48 h后降雨影響深度達到12 m，且降雨影響范圍內(nèi)，非飽和區(qū)基質(zhì)吸力及土體強度參數(shù)明顯減小。

c）隧道頂部產(chǎn)生積水坑后，增加了降雨入滲面積，積水坑下部雨水浸入深度較無積水坑時顯著增大；同時土體軟化程度明顯變大，隧道不穩(wěn)定性增加。