降雨條件下炭質泥巖-土分層路堤滲流特性分析

白偉 李光裕

摘要：為分析降雨條件下炭質泥巖一土分層路堤滲流特性，文章以西南某高速公路路堤填筑工程為例，采用數值計算軟件對降雨條件下炭質泥巖一土分層路堤的滲流特性進行分析。結果表明：在降雨期間，靠近坡面的土體內部易形成暫態飽和區，而在邊坡內部未形成暫態飽和區;邊坡內部粉質黏土基質吸力下降幅度比炭質泥巖下降幅度大，且距離坡面越遠，基質吸力下降的時間越晚;降雨期間坡面土體孔隙水壓力上升幅度較大，而邊坡內部土體孔隙水壓力無明顯升高。

關鍵詞：路堤工程;預崩解炭質泥巖;分層填筑;降雨入滲;滲流特性

中圖分類號：U416.26 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.08.018

文章編號：1673-4874（2019）08-0062-04

0引言

在炭質泥巖廣泛分布的西南地區，優質填料極為匱乏，從經濟和環保兩方面考慮，利用炭質泥巖進行路堤填筑是大勢所趨。現有研究表明，炭質泥巖完全崩解后可滿足路用性能，但考慮炭質泥巖受雨水入滲發生進一步崩解，往往采用崩解炭質泥巖與粉質黏土分層填筑的方式填筑路堤，目的是利用粉質黏土較低的滲透性阻隔水分的滲入，保證炭質泥巖在填筑后不受外部水體入滲的影響，從而降低路堤邊坡在復雜環境中的失穩風險。本文以某高速公路路堤填筑工程為例，采用數值計算軟件分析降雨條件下炭質泥巖一土分層路堤的滲流特性，以期為炭質泥巖廣泛分布地區的路堤填筑與施工提供參考與指導。

1工程背景

某高速位于西南接近云貴高原，公路沿線多為丘陵山區，地形和地質條件復雜，山高坡陡，高填深挖及半填半挖極其普遍。在修建過程中發現大量未崩解炭質泥巖，路堤采用預崩解炭質泥巖一土分層交錯的方法填筑，其中樁號k10+700的斷面路堤兩側對稱，故取k10+700斷面半坡面作為研究對象。

2計算模型及參數

2.1計算模型

建立的計算模型如圖1所示，路堤坡比為1：1.5，考慮計算效率與精度將模型全局單元尺寸設為0.5，將模型劃分為5412個節點和5295個單元。特征截面分布位置與降雨模型試驗所設置的一致：特征截面I-I位于距模型坡頂3m的水平面上（測點3、4、5號）;特征截面Ⅱ-Ⅱ位于距模型坡頂5m的水平面上（測點6、7、8、9號）;特征截面Ⅲ-Ⅲ位于距模型坡頂7m的水平面上（測點10、11、12、13、14號）;特征截面Ⅳ一Ⅳ位于距坡面0.75m且與坡面平行的平面上（2、5、9、14號）;特征截面V-V位于距坡面2.25mE與坡面平行的平面上（1、4、8、13號）。

2.2計算參數

根據土工試驗得到預崩解炭質泥巖滲流與物理參數，再取公路附近原狀粉質黏土與基巖，采用相同的土工試驗得到其各種參數，見表1，通過Van-Genuc hten模型擬合炭質泥巖、粉質黏土與基巖的土一水特征與滲透系數曲線，如圖2～3所示。

2.3計算方案

為分析降雨入滲對炭質泥巖一土分層路堤滲流特性的影響，設置降雨強度為3.34×10m/s（該地區連續7d平均降雨量）。水位線以下的孔隙水壓力按照靜水壓力計算，地下水位線處孔隙水壓力為O kPa，而地下水位線以上的區域采用VG模型進行非線性擬合，使與大氣接觸的坡面各處負孔隙水壓力相同，初始孔隙水壓力如圖4所示。

3結果與分析

3.1含水率的變化規律

圖5～8為沿高程分布的特征截面I-I、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ一Ⅲ含水率隨時間的變化規律，由圖可知：（1）在降雨試驗過程中，坡面土體（測點3號）含水率的變化分為：持續穩定、迅速升高和迅速下降三個階段;靠近包邊土的內部土體（測點4號）與遠離包邊土的內部土體（測點5號）含水率變化規律分為兩個階段：持續穩定和緩慢升高;（2）粉質黏土土層（特征截面Ⅱ-Ⅱ）在含水率達到24.52%（飽和含水率的90%）以上時，認為該處土體處于飽和狀態，并在該處形成暫態飽和區，如圖6所示，在降雨過程中，靠近坡面的土體（測點8）內部形成暫態飽和區，同時距離坡面越近的土體率先形成暫態飽和區;（3）炭質泥巖土層（特征截面III-III）含水率在試驗期間未超過其飽和含水率90%，因此認為在炭質泥巖土層中未出現暫態飽和區。

3.2基質吸力的變化規律

沿高程分布的特征截面I-I、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ基質吸力隨時間的變化規律如圖9～10所示。由圖9可知：（1）在試驗過程中，坡面土體（測點3號）基質吸力的變化分為：迅速下降、迅速升高和緩慢升高三個階段;靠近包邊土的內部土體（測點4號）與遠離包邊土的內部土體（測點5號）基質吸力變化規律分為三個階段：持續穩定、迅速下降和緩慢升高。（2）坡面粉質黏土基質吸力下降幅度最大，同時降雨停止后升高幅度也最大，邊坡內部粉質黏土基質吸力下降幅度比炭質泥巖下降幅度大，且距離坡面越遠，基質吸力下降的時間越晚。

3.3路堤孔隙水壓力分布

圖11為分層路堤在降雨條件下，不同時刻的孔隙水壓力分布圖，由圖可知，在降雨期間坡面土體孔隙水壓力上升幅度較大，而邊坡內部土體孔隙水壓力在降雨期間無明顯升高，這是由于降雨入滲導致坡面土體含水率升高，孔隙水壓力也隨之增加。降雨停止后由于雨水持續滲透進入邊坡內部，導致邊坡內部含水率增加，孔隙水壓力也隨之增加，而坡面由于雨水入滲，含水率持續降低，孔隙水壓力也隨之下降。在最終停止時刻（第512h），高程位于7～9m之間的炭質泥巖土層孔隙水壓力增加幅度最大。

4結語

本文以西南某高速公路工程為依托，對降雨條件下炭質泥巖一土分層路堤的滲流特征進行研究，得到以下結論：

（1）坡面土體含水率的變化可分為持續穩定、迅速升高和迅速下降三個階段;降雨期間，靠近坡面的土體內部容易形成暫態飽和區，在邊坡內部未形暫態飽和區。

（2）坡面粉質黏土基質吸力下降幅度與降雨停止后升高幅度最大，邊坡內部粉質黏土基質吸力下降幅度比炭質泥巖下降幅度大，且距離坡面越遠，基質吸力下降的時間越晚。

（3）降雨期間坡面土體孔隙水壓力上升幅度較大，而邊坡內部土體孔隙水壓力無明顯升高，降雨停止后邊坡內部含水率增加，導致孔隙水壓力隨之增加。