陕北地区公路涎流冰病害数值模拟分析

李 哲，赵刘会，李 超，张 浩，刘 江，田学军

(1.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064； 2.西北有色勘测工程公司，陕西 西安 710054；3.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064)



陕北地区公路涎流冰病害数值模拟分析

李 哲1,2，赵刘会2，李 超1，张 浩1，刘 江3，田学军3

(1.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064； 2.西北有色勘测工程公司，陕西 西安 710054；3.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064)

采用Midas/GTS数值模拟软件对实际工程几处病害严重路段边坡的渗流情况进行了数值模拟。通过数值模拟分析了水源、薄弱层对公路涎流冰病害形成及发育的影响，找出边坡开挖后边坡内部的渗流情况、坡面渗水位置、渗水大小和发展趋势。同时验证了在病害边坡坡顶处大断面开挖加渗井处理措施可以改变边坡内部渗流路径并达到坡体内部集水和坡顶表面截流的目的，为涎流冰病害防治提供了重要的设计依据。

公路建设；涎流冰病害；边坡渗流；薄弱层

铜川至黄陵高速公路地处陕北黄土高原与关中断陷盆地过渡区，属寒冷与温和气候过渡带，黄土丘陵地貌，覆盖土层厚度分布不均匀，基岩斜倾破碎，地下水分布运移规律复杂，地表水疏导防排难度大，极易形成公路边坡、路基路面及桥涵隧道涎流冰病害[1-3]。为了系统分析铜黄高速公路边坡涎流冰的形成原因、主要影响因素，有必要对该区公路病害进行数值模拟分析。通过选取依托工程几处病害严重路段进行数值模拟[4-7]，从而找出边坡开挖后边坡内部的渗流情况、坡面渗水位置、渗水大小及发展趋势。

1 铜黄高速公路K155+450～K155+520处右侧边坡数值模拟分析

K155+450～K155+520处右侧三级路基边坡，坡高31.5 m，坡长60 m，内部地质情况由上而下为：黄土、强风化岩、破碎岩、中风化岩、破碎岩、中风化岩。建模采用莫尔库仑力学模型，本文截取K155+450～K155+520处边坡涎流冰最严重断面作为数值分析研究对象[8-9]。在该路基边坡建立两次数值模拟：

(1)三级边坡开挖完成且没有防护之前(简称工前)，模拟此时路基边坡的渗流情况旨在找出边坡开挖后边坡内部的渗流情况、坡面渗水位置、渗水大小及发展趋势。

(2)根据理论分析针对该边坡的坡顶大断面开挖加渗井处理措施完工后(简称工后)，模拟此时边坡渗流情况，旨在探讨该措施能否改变边坡内部渗流路径达到坡体内部集水和坡顶表面截流的目的，以便进行现场试验。

结合勘察单位给出的勘察资料，确定坡体地质分层情况，由上而下依次为：黄土、强风化岩、破碎岩、中风化岩、破碎岩、中风化岩。根据勘察单位给出的勘察资料和有关规范确定K155+450～K155+520处边坡的地质分层土体及岩体的参数如表1所示。计算数据及结果如图1～图3所示。

表1 K155+450～K155+520处边坡的地质分层土体及岩体的参数

图1 边坡总水头等值云图

结果分析：

(1)由图1a和图1b可以看出，边坡开挖之前由于在模型右侧设置了70 m的总水头，所以整个模型内部的总水头都为70 m，边坡开挖后，由于薄弱层破坏，渗水严重，导致坡体内总水头呈下降趋势，工前总水头最小值区间为58.1～58.7 m，工后总水头最小值区间为2.0～5.2 m。从整体上看总水头等值云图从上往下顺坡向依次递减，但在薄弱层总水头呈锐减趋势，说明薄弱层破坏致使水头压力明显降低。

(2)由图3a和图3b可知，工前坡体孔隙水压力从上往下呈递增趋势、顺坡向呈递减趋势，在坡脚处达到最小值。坡体同一土层工后空隙水压力值明显小于工前空隙水压力值，说明加载的施工措施降低了孔隙水压力。

(3)图2a和图2b分别为K155+450～K155+520右侧边坡工前工后坡体渗水流速等值云图，工前最大值0.5 m/s，位置是破碎层平台处，工后最大值降至0.04 m/s，大致发生在上述同一位置处。说明加载措施对坡体内部渗流场的影响明显，直接降低了二级和三级坡体的渗流流速，间接影响了一级坡体的渗流流速，证明该防治方法是有效的。

图2 边坡水平向流速的等值云图

图3 边坡孔隙水压力等值云图

2 铜黄高速公路K130+680～K130+950处右侧边坡数值模拟分析

K130+655～K130+950处右侧边坡模型的建立与K155+450～K155+520右侧边坡大致相同，该边坡的地质分层情况，由上而下依次为：黄土、强风化岩、强风化泥岩、中风化岩、中风化泥岩、中风化岩、中风化泥岩。力学模型用莫尔库仑理论，本文截取K130+655～K130+950处边坡涎流冰最严重断面作为数值分析研究对象[9-11]。根据勘察单位给出的勘察资料和有关规范确定K130+655～K130+950处边坡地质分层土体及岩体的参数如表2所示。计算数据及结果如图4～图6所示。

表2 K130+655～K130+950处边坡地质分层土体及岩体的参数

图4 边坡总水头等值云图

图5 边坡水平向流速的等值云图

结果分析：

(1)由图4可以看出，边坡开挖之前由于在模型右侧设置了70 m的总水头，所以整个模型内部的总水头都为70 m，边坡开挖后，由于泥岩层在坡面处破坏，水源损失，从而使得破内总水头降低，其最小值介于58.4～59.3 m。从整体上看总水头等值云图从上往下顺坡向依次递减，但在薄弱层总水头呈锐减趋势，说明泥岩层破坏致使水头压力明显降低。

图6 边坡孔隙水压力等值云图

(2)由图6可知，坡体孔隙水压力从上往下总体呈递增趋势、顺坡向呈递减趋势，在坡脚处达到最小值。

(3)图5为K130+655～K130+950处右侧边坡体渗水流速等值云图，最大流速0.6 m/s，发生在泥岩层与强风化岩交汇面的坡面处。

3 依托工程其他几处边坡水平向流速数值模拟统计

在依托工程路线，另选9处病害较为严重的边坡进行数值模拟，因坡体地质分层情况与上述两种边坡基本类似，此处不作详细介绍。坡体分层最大流速的统计结果如表3所示。

表3 水平向流速统计结果 m/s

由表3可知：

(1)每个边坡中，存在薄弱层的，其薄弱层水平向流速一般比其他土层或岩层水平向流速大；

(2)在同一边坡中，同时存在破碎岩层和泥岩层的，一般破碎岩层水平向流速比泥岩层稍大，当然，这需要考虑到破碎岩层和泥岩层在边坡中存在的次序问题；

(3)其他条件相同时，在某一坡体中，强风化破碎岩层水平流速一般大于中风化破碎岩层，泥岩层根据风化强弱的不同也会存在类似的情况；

(4)在不同边坡，坡级相同，薄弱层大体位置相近处，根据勘察资料对比，水平向流速大小主要看坡体水源含量大小和薄弱层渗流面大小等因素。

4 结束语

本文选取依托工程的K155+450～K155+520和K130+655～K130+950两处边坡及其它几处病害严重边坡渗流情况的数值模拟分析，总结分析了模拟的结果，可以得出以下结论：

(1)从边坡的最高坡级到最低坡级，除薄弱层外，坡面渗流情况依次有减弱趋势；

(2)边坡在薄弱层扰动面出水量最大，形成病害最为严重，是涎流冰病害防治的重点位置，从而在理论上验证了调查得出来的坡积冰主要出水或成冰位置为某一较为软弱的层面的结论；

(3)不同边坡，同样坡级，薄弱层大致位置相同的情况模拟可以得出，水源供给大小是决定涎流冰病害形成规模的主要影响因素之一，而薄弱层扰动面是病害形成的通道，影响病害的规模；

(4)由K155+450～K155+520处右侧边坡工前、工后模拟情况可知，截断最高坡级表面径流和内部渗流通道的3～8 m深的纵沟和打在二级边坡内8 m深的渗井，基本达到了截断坡体表面径流和内部渗流通道的目的，并有效改变一级坡体内部的渗流路径，减弱一级边坡薄弱层的渗水情况。

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Numerical simulation analysis of disease causes for highway extruded ice in northern part of Shaanxi province

LI Zhe1,2, ZHAO Liu-hui2, LI Chao1, ZHANG Hao1,LIU Jiang3, TIAN Xue-jun3

(1.CollegeofHighwayEngineering，Chang’anUniversity,Xi’an710064;2.TheNorthwestGeologicalExplorationCorporationforNonferrousMetals,Xi’an710054,China;3.KeyLabofMinistryofEducationtoHighwayEngineeringinSpecialRegion,Chang’anUniversity,Xi’an710064,China)

Midas/GTS numerical simulation software is used for simulating slope seepage based on the highway project from Tongchuan to Huangling. By numerical analysis, the influence of water source and weak layer on formation and development of extruded ice diseases for highway is analyzed and this paper identifies internal slope seepage, seepage slope position, seepage size and trends after slope is excavated. At the same time, the measure that a large section excavation plus seepage wells can change the slope of the internal flow paths and reach inside of the sump and the top of the hill slope surface closure of purpose, which provides important reference basis for the disease control design of highway extruded ice.

highway construction; extruded ice diseases; slope seepage; weak layer

2015-09-29

陕西省交通厅科技项目(20120715)

李 哲(1989-)，男，陕西咸阳人，硕士研究生。

1674-7046(2015)06-0017-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2015.06.004

U416

A