擋土墻在降雨條件下的安全防護措施研究

陳似華

廣東博意建筑設計院有限公司 廣東 佛山 528312

近年來，因降雨引發邊坡、擋土墻失穩的情況越來越多，目前，國內對降雨入滲邊坡做了大量的研究。孫永帥等[1]、蔡欣育等[2]、李龍起等[13]研究發現降雨強度越大，邊坡穩定性系數下降越快；韓同春等[4]研究了雙層結構邊坡降雨入滲與坡面徑流；李寧等[5]研究了降雨條件下抗滑樁在邊坡支護中樁間距樁位布置；師晨翔等[6]研究了降雨條件下擋土墻的抗傾覆穩定性，認為降雨顯著降低了擋土墻抗傾覆穩定性。

降雨對邊坡、擋土墻的影響非常顯著，如何從設計和施工措施上消除擋土墻在降雨工況下受到的影響，顯得非常有意義。

本文通過有限元法，根據飽和-非飽和滲流理論，研究了降雨作用下，擋土墻在墻后地面上覆反滲層、墻底及巖土交界面設置排水體的情況下，擋土墻墻后滲流、孔隙水水壓力的變化，分析了降雨作用下采取不同防護措施的擋土墻的整體穩定性。

1 工程概況

廣東某項目建于山邊丘陵地帶，紅線邊處存在大量1∶0.5～1∶1.0現狀強風化巖坡體，高差6～12 m。為了有效利用場地用地，在紅線邊設置了5～10 m高擋土墻，原狀地層基本為土狀強風化花崗巖。擋土墻采取1.0 m×1.2 m方樁，水平間距2.2 m，設置3道錨索，擋墻與現狀坡體之間壓實回填土。地下水主要賦存于強風化花崗巖，穩定水位埋深在坡腳3～5 m位置。截至2018年，收集了該地區近30年的氣象資料：多年平均降雨量為1 706 mm，最大降雨量為2 580.6 mm，最小降雨量為1 066.8 mm，日最大降雨量為319.2 mm；多年平均蒸發量為1 522.3 mm，年蒸發量最多為1 874.2 mm，年蒸發量最少為1 285.1 mm。

2 數值模擬及分析

依據SEEP/2D軟件，按歷史最大日降雨量319.2 mm降雨強度，持續3 d降雨，為了精確計算，該降雨量的降雨強度為13.3 mm/h。擋土墻高10 m，擋土墻后回填土范圍為10 m，原狀土范圍為5 m。建立了無任何措施、墻后地面設置黏性土反滲層、巖土交界面及墻底設置砂卵石排水體、墻后地面設置反滲層及巖土交界面設置排水體等4種不同措施情況下的有限元模型，如圖1所示。

圖1 擋土墻滲流有限元模型

2.1 不同措施下擋土墻墻后滲流分析

在無任何措施的情況下，降雨72 h后，在強風化巖體及回填土區交界面形成飽和帶，該交界面形成了擋土墻墻后薄弱帶。通過在巖土交界面設置排水體，同無措施情況相比，回填區土層降雨下滲至交界面排水體，水體迅速下滲至墻底，排水體范圍迅速失水成為非飽和土。而在擋土墻后地面設置反滲層后，墻后降雨下滲緩慢，72 h降雨僅影響土層深度1～2 m。同時在墻后地面設置反滲層及巖土交界面設置排水體后，土層負孔隙水壓力增大，降雨僅對墻后土體1～2 m產生影響，土層內部幾乎未變化。

2.2 不同措施擋土墻墻后孔隙水壓力分析

從圖2可看出：在無任何措施情況下，降雨初期至55 h，負孔隙水水壓力從－30 kPa緩慢升至－20 kPa，至61 h后負孔隙水壓力迅速變為正孔隙水壓力，孔隙水壓力從－20 kPa快速增至80 kPa。導致該情況的主要原因是本擋土墻墻后為陡傾面，擋土墻與原狀巖面之間空間較小，在降雨作用下，若泄水孔未能有效發揮作用，回填區孔隙水壓力將快速抬高，并將快速加大墻后水土壓力合力。

圖2 不同措施擋土墻墻后土體孔隙水壓力-時間曲線示意

墻底及巖土交界面設置排水情況下，降雨初期至49 h，墻后底部孔隙水壓力逐漸增大，但比無措施情況下孔隙水壓力增長緩慢，孔隙水壓力一直保持在－35～－33 kPa，在49 h后，孔隙水壓力迅速抬高至0 kPa，并且孔隙水壓力一直保持在0 kPa。很顯然，在交界面及墻底部設置排水體能有效控制墻后孔隙水壓力值，極大地阻止了墻后孔隙水壓力不斷升高，將墻后水土壓力合力控制在可控范圍內。

墻后地面設置反滲層情況下，在降雨作用下，孔隙水壓力上升緩慢，孔隙水壓力一直保持很緩的速度抬高，至降雨97 h，孔隙水壓力仍保持在負孔隙水壓力值－20 kPa以內，很大程度上減小了降雨對擋土墻墻后土體的影響，墻后土體始終處于非飽和狀態，墻后土體基質吸力一直在發揮作用，擋土墻墻后土壓力與無降雨狀態差別不大。

在墻后地面設置反滲層，且墻底及巖土交界面設置排水體后，在降雨作用下，較僅在墻后地面設置反滲層，孔隙水壓力隨時間的變化更緩。孔隙水壓力-時間曲線的斜率與在墻底及巖土交界面設置排水體的斜率一致，不同之處在于隨著降雨持續，其斜率一直保持不變，孔隙水壓力保持在－35～－30 kPa。可以看出該措施為2種措施的結合，也具備2種措施的優點，通過在墻后地面反滲層阻隔大部分降水，又能通過排水體將部分下滲水體有效地排出墻后，進一步減緩孔隙水壓力的抬升，使墻后土體一直保持在非飽和土狀態，墻后土體基質吸力也較僅在墻后地面設置反滲層更大，該措施墻后水土壓力最小。

2.3 不同措施下擋土墻穩定性分析

從圖3可看出：無措施擋土墻整體穩定系數最低，且在降雨工況下，擋土墻安全系數下降最快。墻底及巖土交界面設置排水體后，擋土墻整體穩定系數較無措施情況下大，隨著降雨持續，擋土墻整體穩定系數雖逐漸減小，但較無措施情況下下降緩慢。墻后地面設置反滲層措施下，其降雨前雖然與無措施情況下擋土墻整體穩定系數一致，但其整體穩定系數在降雨過程中下降非常緩慢。在墻后地面設置反滲層和墻底及巖土交界面設置排水體后，擋土墻整體穩定系數最高，且擋土墻在降雨條件下幾乎無變化。

圖3 不同措施擋土墻整體穩定系數-時間曲線示意

由此可得出，擋土墻最佳的防護措施為墻后地面設置反滲層，且墻底及巖土交界面設置排水體，擋土墻后地面設置反滲層有效阻擋降雨下滲，在強降雨作用下，墻后雨水大部分發生徑流，部分下滲雨水在排水體的排水作用下，擋土墻后幾乎不形成積水，擋土墻后基本為非飽和土，基質吸力基本與未降雨情況一致，故擋土墻整體穩定性一直可保持較高值而不下降。

3 結語

本文通過對降雨作用下，不同防護措施擋土墻墻后滲流、墻后孔隙水壓力分布及變化、整體穩定性系數的分析比較，得出以下結論：

1）無措施情況下，降雨期間擋土墻墻后巖土交界面易形成薄弱帶，隨著降雨持續，孔隙水壓力將快速抬高，迅速增加墻后水土壓力，擋土墻整體穩定系數急速下降，擋土墻安全性急劇降低。

2）墻底及巖土交界面設置排水體后，在降雨期間，能有效控制墻后孔隙水壓力，阻止孔隙水壓力快速增大，并消除了巖土交界面的薄弱帶，將擋土墻水土壓力控制在可控范圍內，使擋土墻在降雨情況下的安全性得到保障。

3）墻后地面設置反滲層后，在降雨期間，很大程度減小了降雨對墻后土體的影響，使墻后土體始終處在非飽和狀態，墻后土體基質吸力一直在發揮作用，墻后土壓力與無降雨狀態差別不大。

4）同時在墻后地面設置反滲層、墻底及巖土交界面設置排水體后，具備2種措施的優點，通過墻后地面反滲層阻隔大部分降水，對于部分下滲水體，又能將其快速排出墻后，使擋土墻墻后土體一直保持在非飽和狀態，其擋土墻安全性也最高。在擋土墻設計過程中建議按此措施進行施工，以提高擋土墻在降雨工況下的安全性。