強降雨入滲對既有隧道及邊坡穩定性的影響分析

付 強，袁 泉

（四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

強降雨是導致邊坡失穩，隧道襯砌垮塌的最大誘因之一[1-2]。強降雨對邊坡的影響主要表現在會極大削弱巖土體的物理力學性質，短時間內增大巖土體孔隙水壓力，改變原有邊坡的應力分布。同時，在雨水的滲流作用下，邊坡圍巖發生應力重分布，作用在隧道襯砌上的滲透水壓力和圍巖壓力不斷增加，導致襯砌發生大變形，甚至失穩垮塌，這將對地下結構和人員財產造成極大損失[3-4]。

目前，諸多學者采用室內模型試驗及數值模擬對邊坡及隧道在強降雨作用下的力學行為進行了研究分析。鄭俊杰等[5]發現膨脹土隧道在降雨入滲過程中，圍巖水平應力增大明顯，而垂直應力變化不大，巖土體滲透系數、膨脹系數對襯砌的應力水平影響較大。蔣中明等[6]通過編制fish語言，運用FLAC3D有限差分軟件研究得出了非飽和滲流作用下邊坡滲流規律。林國財等[7]通過室內模型試驗得出降雨入滲對邊坡穩定性的影響不僅僅發生在降雨過程中，降雨停止后，水分入滲過程延續，邊坡穩定性持續降低，水分入滲在一定的延后時間內繼續威脅邊坡安全。劉楊等[8]對含緩傾軟弱夾層礦山高邊坡降雨滲流特性進行研究，發現軟弱夾層改變了雨水的滲流路徑，在強降雨過程中對邊坡穩定性的影響加大。

關于強降雨入滲對邊坡及隧道的穩定性研究，已取得較多成果。但鮮有學者對復雜地質環境下，既有隧道邊坡在不同雨型作用下的穩定性進行研究。本文結合某工程實例，建立三維有限元計算網格，基于非飽和滲流理論，對含軟弱夾層既有隧道邊坡及隧道襯砌進行不同雨型作用下的滲流、穩定分析，進一步揭示強降雨雨型對邊坡及隧道穩定性的影響規律，為類似工程提供參考。

1 計算原理

1.1 非飽和滲流計算理論

滲流應力計算可以分為兩個部分，降雨期間，雨水不斷滲入邊坡巖體，巖體開始進入非飽和狀態，隨著降雨量的增加，巖土體孔隙逐漸被雨水填滿，巖體最終達到飽和狀態[9-10]。降雨結束后，在水頭差作用下，巖體內的水分逐漸向邊坡外滲流，巖體逐漸回到原來的非飽和狀態。因此，計算降雨對邊坡的穩定性影響應該考慮巖體的非飽和特性。

根據文獻[11]，非飽和滲流微分方程如式（1）、式（2）：

式中：kx、ky為滲透系數；H 為總水頭；Q 為降雨量；γw為水的容重；mw為單位基質吸力變化引起的體積含水量的變化量。

方程的初始邊界條件，即t=0時，水頭分布為：

壓力水頭邊界條件為常數，可以表示為：

若已知單位面積流入的水流量q，則流量邊界條件可以表示為：

式中：n為邊界的外法線方向。

1.2 計算模型及參數

圖1為邊坡計算網格模型，設定邊坡高度100 m，坡頂寬度60 m，邊坡分為3級，平臺寬2 m，邊坡坡率為1∶1.7，沿隧道軸線取計算長度為100 m，邊坡中的軟弱夾層厚度為6 m，巖層傾角為55°。隧道最淺埋深為7.65 m，類型屬于山嶺隧道，半徑為6 m，襯砌采用鋼筋混凝土材料，厚度為0.5 m。軟弱夾層上部為風化較為嚴重的裂隙巖體，下部為微風化砂巖。隧道襯砌采用二維板單元進行模擬，采用彈性本構模型，其余材料均采用三維實體單元、摩爾庫倫本構模型，整個計算模型共劃分為31 158個網格單元。材料物理力學參數如表1所示。

圖1 模型計算網格

表1 物理力學計算參數

巖體水土特征函數采用Van Genuchten模型[12]，各材料參數見表2。其中，θs為飽和體積含水率，θr為殘余體積含水率，a和n為模型經驗參數。

表2 材料土水特征擬合參數

本文對邊坡和隧道襯砌的計算分析共設置3種工況，分別對應降雨類型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，降雨持續時間和雨量分布如表3所示。

表3 計算工況

1.3 邊界條件設置

模型邊界條件有兩類：第一類邊界條件是初始邊界條件，模型底部和4個側面均設置固定鉸支座，在模型x軸坐標為零處的坡頂設置初始水位為60 m，在x軸坐標為100處的坡腳設置初始水位20 m，模擬初始滲流場，將初始滲流場和重力場疊加，得出初始應力場；第二類邊界條件是降雨邊界條件，降雨邊界條件是通過在坡面施加面流量模擬降雨過程，雨量隨時間的變化由降雨函數進行控制，水流入滲方向垂直于坡面。

2 強降雨對邊坡的影響分析

2.1 邊坡孔隙水壓力分析

圖2為降雨前邊坡初始滲流場孔隙水壓力分布云圖。由圖可知，在初始水頭作用下，邊坡內部產生穩定滲流，坡底最大孔隙水壓力值為490 kPa，此時坡頂及坡面的各處孔隙水壓力均為負值，處于未飽和狀態。

圖2 邊坡初始孔隙水壓力云圖

圖3為降雨72 h后邊坡孔隙水壓力分布云圖。由圖可知，降雨過程對邊坡孔隙水壓力分布影響較大，坡頂及坡面監測點孔隙水壓力較降雨前明顯增加。特別是工況3中，邊坡各監測點孔隙水壓力增幅尤為明顯。由于砂巖滲透系數較小，降雨入滲相對困難，坡面砂巖巖體孔隙水壓力為正值，表明坡面將形成地表徑流，而砂巖內部孔隙水壓力受降雨影響較小，在坡面埋深12 m以下仍然存在大部分非飽和區；裂隙巖體由于滲透系數較大，降雨加快入滲，降雨對裂隙巖體內部孔隙水壓力影響較大，在坡面難以形成徑流。

圖3 降雨72 h邊坡孔隙水壓力云圖

圖4為降雨結束48 h后邊坡孔隙水壓力云圖。從圖中可知，工況1邊坡孔隙水壓力消散速度最快，工況2次之，工況3孔隙水壓力消散速度最慢。不同巖體，內部孔隙水壓力消散速度也不同，裂隙巖體孔隙水壓力的消散速度要明顯大于砂巖。

圖4 雨后48 h邊坡孔隙水壓力云圖

2.2 邊坡位移分析

圖5為邊坡位移隨時間的變化曲線。從圖中可知，隨著降雨時間的持續，邊坡橫向位移和豎向位移均不斷增大，降雨結束后，邊坡位移逐漸趨于平緩。其中，由于孔隙水的滲透作用，降雨對邊坡橫向位移影響最大。而邊坡的豎向位移在降雨作用下短時增長幅度較大，后期隨著降雨的持續增長放緩，降雨結束后逐漸穩定。降雨持續72 h后，工況1、工況2、工況3邊坡的橫向位移分別達到了 26.4 mm、32.3 mm、48.1 mm，工況所對應的的豎向位移分別為33.2 mm、34.9 mm、39.7 mm。

圖5 降雨引起的邊坡位移

2.3 邊坡安全系數分析

圖6為邊坡塑性區分布云圖。從圖中可知，邊坡塑性區集中分布在軟弱夾層區域，表明邊坡易沿著軟弱夾層發生滑移。

圖6 工況3邊坡塑性區分布云圖

邊坡安全系數隨時間的變化規律如圖7所示。由圖可知，邊坡安全系數的變化與降雨類型和降雨時間密切相關。降雨前邊坡安全系數為1.6，降雨后，工況3邊坡安全系數削弱最為明顯，在降雨持續72 h后減小至1.11，工況1和工況2邊坡安全系數分別在36 h和60 h達到最低值1.22和1.26。隨著雨強的減弱，邊坡安全系數逐漸增加。工況1和工況2邊坡安全系數在降雨停止后能基本恢復至降雨前的水平，而工況3邊坡安全系數在降雨后發生小幅度上升，雨后48 h邊坡安全系數僅為1.3。

圖7 邊坡安全系數隨時間的變化

3 強降雨對隧洞的影響分析

3.1 隧洞襯砌最大拉應力分析

圖8為降雨72 h后隧道襯砌最大拉應力云圖。由圖可知，降雨72 h后隧道襯砌將產生較明顯的拉應力，拉應力區均位于軟弱夾層帶附近，分別發生在相應襯砌區域的頂拱位置以及邊墻與仰拱連接處。

圖8 降雨72 h后隧道襯砌最大拉應力云圖

圖9為不同雨型作用下隧道襯砌最大拉應力隨時間的變化規律。從圖中可知，隨著降雨時間的持續，隧道襯砌拉應力不斷增加，待降雨結束后逐漸趨于穩定。工況3隧道襯砌最大拉應力增幅最為明顯，降雨結束后，襯砌最大拉應力仍略有增大，降雨結束48 h后最大拉應力值為5.74 MPa；其他兩類工況中，隧道襯砌最大拉應力值較為接近，均在5.1 MPa左右。

圖9 隧道襯砌最大拉應力隨時間的變化

3.2 隧道襯砌位移分析

圖10為降雨前后工況3隧道襯砌橫向位移云圖。從圖中可知，降雨將導致隧道襯砌裂隙巖體段發生較大橫向位移，最大橫向位移分布在襯砌的邊墻與仰拱交接處及頂拱位置。最大位移差值達到了31.10 mm。

圖10 降雨72 h后工況3隧道襯砌橫向位移云圖

圖11為不同雨型作用下隧道襯砌位移變化規律。從圖中可知，強降雨將導致隧道襯砌產生不同程度的橫向及豎向位移。在孔隙水滲流壓力作用下，隧道襯砌橫向位移同樣大于同種工況下襯砌的豎向位移。工況3隧道襯砌的橫向、豎向位移最為顯著，分別達到30.10 mm及12.70 mm；工況1和工況2隧道襯砌的橫向、豎向位移值相近，分別約19.90 mm、9.60 mm左右。

圖11 不同雨型作用下隧道襯砌位移

4 結語

本文通過對不同降雨類型下邊坡的滲流穩定及隧道襯砌的位移、應力進行計算分析，得出以下結論：

a）強降雨對邊坡巖體孔隙水壓力的影響與降雨類型、降雨時間及巖體自身的滲透性有很大關系，降雨強度越大、歷時越長，一定深度范圍內邊坡巖體孔隙水壓力增長速度越快；降雨影響的范圍越淺，邊坡滲透系數越小，巖體孔隙水壓力消散越慢。

b）降雨類型對邊坡穩定性的影響較大，在最高雨強一定時，短時降雨量越多，邊坡位移量越大，穩定性越差，邊坡安全系數大小排序為工況1＞工況2＞工況3。

c）降雨將導致巖體孔隙水壓力向坡面外發生滲流，從而引起裂隙巖體沿軟弱夾層發生滑移，隧道襯砌在軟弱夾層區域將發生較為明顯的橫向位移，在襯砌區域的頂拱位置以及邊墻與仰拱連接處產生較大的拉應力，對隧道結構極為不利。