降雨作用下路基边坡渗流与失稳机理分析

2016-07-08项环珠南平市公路局南平353000

福建交通科技 2016年2期

关键词：雨型降雨量安全系数

■　项环珠（南平市公路局，南平　353000）

降雨作用下路基边坡渗流与失稳机理分析

■项环珠
（南平市公路局，南平353000）

摘要针对南平地区典型非饱和残积土及南平区域的降雨特点，采用有限元GeoStutio模拟降雨入渗的过程，分析降雨作用（降雨强度、降雨持时、前期降雨量、降雨雨型）对渗流场和路基边坡稳定性的影响。

关键词降雨作用路基边坡渗流失稳机理分析

1　引言

南平境内属中亚热带季风性湿润气候，冬温夏热，降水丰沛，年均降雨量达1602.2～1889.6mm，其中3～9月雨季占全年降水量的81％，同时南平地广山多，境内河流众多，具有源短流急、暴涨暴落、季节性变化大等特点。沿线路基多以典型残积土边坡为主，降雨对于路基边坡稳定性影响很大。

近几十年来，工程界许多学者多采用饱和-非饱和渗流方法对降雨入渗下边坡稳定性进行深入的研究，并取得成果，但这些成果主要还是围绕膨胀土等特殊非饱和土进行研究，对类似南平地区典型残积土边坡研究较少。因此，以典型残积土边坡为研究对象，进行降雨作用下雨水入渗的边坡失稳的研究对于进一步认识残积土边坡的失稳机理具有重要的理论意义。本文针对南平地区典型非饱和残积土和降雨特点，采用有限元GeoStutio模拟降雨入渗的过程，分析降雨作用下对渗流场和路基边坡稳定性的影响。

2　数值分析模型

2.1计算模型与数值模拟工况

取典型南平公路为例，道路横断面：路面宽为8m，路肩宽为1.5m，由于对称性，取1/2宽度进行分析，天然坡率为1∶1.5，路基填土为均质土体，其数值模拟的基本模型如图1所示。对于非饱和渗流问题，非饱和区的孔隙水压力、体积含水量、渗透系数及容水度都是时间的函数。在有限元分析计算中，土质的物理力学参数见表1，土-水特征曲线采用试验数据（滤纸法）拟合的V-G曲线，渗透曲线的饱和渗透系数取试验数据，如图2所示。

表1　基本模型的土质参数

图1　数值计算的基本型（单位：m）

2.2降雨边界的处理

考虑到路面雨水渗透很小，可忽略不计其影响，因此本文入渗面仅为路肩和坡面，溢出面则为坡面。

降雨入渗条件下，雨水的入渗率与土体的渗透性有关。当降雨强度小于土体表面的入渗能力时，计算入渗速率取为降雨强度，边界条件为Neumann边界。即：

当降雨强度大于土体表面的入渗能力时，入渗的强度就等于土体的入渗能力，边界条件转换为Dirichlet边界。即：

图2　土-水特征曲线和渗透系数曲线

2.3数值模拟工况

本文设计的数值模拟工况如表2所示。

表2　数值模拟工况

3　降雨条件下公路路基渗流场分布特征

为研究降雨作用下公路路基渗流场的变化情况，本文对图1中断面Ⅰ-Ⅰ上孔隙水压力的变化情况进行分析。

3.1降雨强度的影响

图3为不同降雨强度下1d时孔隙压水压力的分布图。当降雨强度小于土体的入渗能力时，雨水全部入渗，当降雨强度大于土体的入渗能力时，雨水主要以两种方式作用于路基，一是以土体的入渗能力的大小入渗；二是以地表径流的形式对路基产生冲刷。由图3可见，当降雨强度小于土体的入渗能力时，降雨对坡体内孔隙水压力分布的影响深度随降雨强度的增大而增大，如50mm/d作用下，影响深度达到坡表以下2m，100mm/d时影响深度达到3m以下，200mm/d时影响深度达到5m以下。当降雨强度大于土体的入渗能力时，由于均是以入渗能力（290mm/d）入渗，所以对路基体内孔隙水压力的分布影响几乎不随降雨强度的变化，即图中300mm/d、350mm/d、400mm/d条件下孔隙水压力随深度的分布情况基本一致。

图3　不同降雨强度下1d时的孔隙压力水头随深度的分布

3.2降雨持时的影响

图4为50mm/d降雨强度条件下不同时刻地下水位线的变化及孔隙压力水头随深度的分布。图中显示，随着降雨持时的延长，地下水位线的抬升速度随降雨持时的增长而减慢。此外，坡体内的雨水为向坡体内和溢出面流动，道路中间的地下水位线也逐步抬升。

由Ⅰ-Ⅰ断面孔隙压力水头分布可知，在降雨条件下，路基上部孔隙水压力增大，但随降雨持时延长变化不大，路基下部，主要由于地下水位抬升，孔隙水压力分布随降雨持时的延长增大显著。

3.3前期降雨量的影响

图5为不同前期降雨量下，50mm/d降雨强度持续1d时初始孔隙压力水头与体积含水量的分布图。前期降雨量主要是通过影响路基初始地下水位线的高度和坡体初始含水量。从图中可以看出，前期降雨量越大，地下水位线越高，整个路基土体含水量也越大，坡体内饱和区域范围越大。因此，在降雨条件下，坡体只需较短的时间就能饱和，在此情况下，前期降雨量可能成为影响路基稳定性的主要因素。

图4　50mm/d降雨强度不同时刻地下水位线变化及孔隙压力水头随深度的分布

3.4降雨雨型的影响

通常情况下，降雨强度随时间不断变化，因此，为初步了解降雨雨型对渗流场的影响，本文假定降雨总量和降雨持时一致，在此前提下研究经过简化的7种雨型（见图6）对渗流场的影响。其中2～4种雨型的峰值降雨强度为250mm/d，小于土体入渗能力；5～7种雨型的峰值降雨强度为350mm/d，大于土体的入渗能力。峰间降雨则根据同等强型降雨总量相同情况下计算的稍低强度的等强型降雨，且2～4种雨型经历峰值降雨的总持时是一致的，均为3h；5～7种雨型则各峰值持续时间一致，均为1h。不同雨型对应的参数见表3。

表3　不同降雨雨型的峰间雨强

图5　不同前期降雨量时孔隙压力水头及体积含水量分布

图6　假设的简化雨型

图7为不同雨型降雨1d时，孔隙水压力的分布图。由2～4型对比可见，对于总入渗量一致的情况，峰值降雨连续的持续时间越长，对孔隙水压力分布影响深度越大。对于峰值降雨强度大于土体入渗能力的雨型5～7，峰值降雨总时间越长的，对路基孔隙水压力影响深度越大。

图7　不同雨型对应的孔隙水水压力分布

4　降雨作用对土质边坡的影响

降雨条件对路基边坡稳定性的影响主要体现在降雨强度、降雨持时、前期降雨量及降雨雨型诸方面。因此本文根据南平的降雨特点考虑8种不同降雨强度模拟路基边坡在上述条件下稳定性的变化情况。其中土体的入渗能力为290mm/d。

4.1降雨强度的影响

图8为8种不同降雨强度持续1d时的边坡安全系数与降雨强度的关系曲线。由图可见，当降雨强度小于土体的入渗能力时，边坡的稳定性随降雨强度的增大而降低；当降雨强度大于土体的入渗能力时，边坡的稳定性不随降雨强度的增大而变化。雨水入渗改变坡体内的瞬态渗流场，坡体内含水量增大；另外，雨水流动产生的渗透力，使得作用在土体的净水压力和动水压力增大，边坡稳定性降低，由天然状态到50mm/d降雨强度持续1d，边坡的安全系数从1.695下降到1.604。当强度小于入渗能力时，坡体内的含水量随强度的增大而增大，坡体自重加大，基质吸力减小，抗剪强度降低。降雨强度由50mm/d变化到250mm/d时，安全系数下降到1.487。当降雨强度大于入渗能力时，边坡稳定性迅速下降，但均以土体的入渗能力入渗，所以其稳定性不随降雨强度的变化而变化。

图8　安全系数与降雨强度关系曲线

4.2降雨持时的影响

图9为8种降雨强度条件下土质边坡安全系数随降雨持时的变化曲线。在降雨期间，边坡的安全系数随降雨持时的延长而减小。降雨持时延长，入渗到坡体内的总雨量增大，坡体的总重量增大，边坡的稳定性降低。同时，当降雨强度小于土体的入渗能力时，入渗量随降雨强度的增大而增大，稳定性在减小。在50mm/d降雨强度持续8d后，路基安全系数从1.604下降到1.475；100mm/d降雨强度持续8d后，路基的安全系数就从1.567降低到1.371；当降雨强度大于土体的入渗能力时，即在300mm/d降雨强度持续8d时，安全系数从1.418下降到1.284，且此时对坡面的冲刷比较严重。图中还显示，边坡稳定性并非随降雨持时的延长变化幅度减小。

图9　安全系数-降雨持时关系曲线

图10为不同时刻边坡滑裂面的位置。可见，最危险的滑裂面的位置随降雨持时的延长呈深层—浅层—深层的发展趋势。在降雨初期，滑裂面出现在较深处。随着雨水从路肩和坡面入渗，近坡面的土体含水量增大，强度指标降低，成为较薄弱的部分，且其滑裂面的开口位置在路肩和路面的交接处附近。之后，雨水逐渐向路基中部入渗，深处的土体含水量增大，最危险的滑裂面又向该处发展。

根据《公路路基设计规范》（JTG D30－2004）规定，在降雨条件下二级公路公路边坡稳定安全系数不得小于1.35。从图9中仍可看出，不同降雨强度在降雨持续一定时间后，边坡就会从稳定状态变为非稳定状态，这个时间通常称为“临界持续时间”。如300mm/d强度持续2d时路基安全系数为1.314，接近临界状态。因此，我们应该重点注意降雨期间和雨停数小时内的边坡的稳定状况。不同降雨强度下的临界持续时间如表4所示。

图10　不同降雨持时时的滑裂面位置

表4　不同降雨强度下的临界持续时间

在相同降雨量的情况下，不同降雨强度和降雨持时条件下对应的安全系数如表5所示。表中的数据显示，在降雨总量相同的前提下，高强度的短期降雨对边坡的稳定性不利。

表5　相同降雨量不同降雨强度下边坡的安全系数

4.3前期降雨量的影响

在不同前期降雨量下，50mm/d降雨强度持续1d时安全系数计算结果如表6所示。

图11为边坡安全系数与前期降雨量的关系曲线。图中显示，边坡稳定性随前期降雨量的增大而降低。由前面渗流分析可知，前期降雨量主要是通过影响土体的含水量和初始地下水位高度。地下水位线的抬升对边坡的稳定性不利，而土质含水量的增大使土坡的自重增加，同时也会减低土体的抗剪强度，边坡稳定性下降。

表6　相同降雨量不同降雨强度下边坡的安全系数

图11　安全系数-前期降雨量关系曲线

4.4降雨雨型的影响

图12为7种雨型持续1d时安全系数与降雨期间雨型的关系曲线。图中显示，当峰值小于土体入渗能力时，由于雨水全部都入渗，边坡稳定性不随峰值个数的变化而变化。当峰值强度大于土体的入渗能力时，由上述降雨强度对边坡稳定性影响分析可知，高强度降雨下，稳定性迅速降低，5～7种雨型作用下，虽然入渗到边坡内部的雨量较小，但受高强降雨影响，稳定性下降。因此，高强降雨峰值个数越多，边坡稳定性下降越大。由此，也可以看出，降雨强度对边坡稳定性影响很大。