降雨作用下近水平红层公路高边坡渗流场特征研究

2021-01-14龚洪苇钱小龙冯文凯

水力发电 2020年10期

廖军，龚洪苇，石磊，钱小龙，冯文凯，2

(1.成都理工大学环境与土木工程学院，四川成都 610059；2.地质灾害防治与地质环境保护国家重点试验室(成都理工大学)，四川成都 610059)

0 引言

近水平红层高边坡在建设与运营的过程中，因施工、构造、风化等外界因素造成边坡表面发育大量裂隙，破坏了边坡岩体的完整性，为雨水入渗提供了优势通道，对岩体的渗透性起控制作用，导致岩土体的渗透系数大大增加[1]。随着降雨过程的发展，雨水入渗引起岩土体中孔隙水压力的分布发生了变化。四川地区红层多为砂泥岩互层，软硬相间、层间结合差、遇水易崩解软化等特点使岩土体的抗剪强度降低，造成边坡发生失稳破坏的可能性增大，严重危及公路边坡与公路工程的运营安全[2-4]。因此，对降雨过程中红层边坡内部的渗流特征及渗流场的变化规律进行研究，对降低边坡安全风险，防止滑坡灾害发生具有重要的工程意义。

针对降雨造成边坡失稳破坏的研究已经成为岩土工程领域亟待解决的前沿问题。陈铁林等[5]认为，边坡的渗流场和位移场在降雨条件下变化主要受裂隙影响；吴国雄等[6]对路堤高边坡在降雨条件下的稳定性进行有限元数值分析；王志强、张卓等[7，8]利用数值模拟分析岩质边坡在降雨条件下的稳定性。目前众多数学者通过计算分析岩质边坡在降雨条件下的稳定性时，将岩质边坡考虑为连续介质体，未考虑边坡内岩体裂隙对降雨入渗的影响存在一定局限性。随着等效连续介质模型与等效渗透系数法的提出，解释了岩体裂隙及岩块自身的透水性对岩质边坡稳定性影响。为此，本文以沪蓉高速四川境内的成南某段红层高边坡为例，建立等效连续介质渗流模型，对裂隙岩质边坡非饱和～饱和降雨入渗进行分析，探寻在不同降雨强度持时下的边坡内部渗流场响应规律及变化特征。

1 工程概况

沪蓉高速四川境内的成南某段高边坡地层以侏罗系蓬莱镇组的泥岩为主，局部夹薄层砂岩，受构造作用及边坡开挖卸荷、爆破等因素的影响，岩体节理裂隙较发育(特别是陡倾裂隙发育)，主要受近水平层面和2组陡倾裂隙的控制。在运营期内，受降雨、风化等外部自然因素的影响，坡脚处强风化的泥岩层软化，抗剪强度急剧降低，导致边坡出现整体或局部往坡外变形、滑动的迹象，且护面墙局部出现裂缝。典型边坡工程地质剖面见图1。

图1 典型边坡工程地质剖面

2 红层强度特性试验研究

为深入分析红层的强度特性以及在降雨作用下的边坡响应规律，对现场沿边坡潜在滑动方向取样，并进行不同含水率条件下的泥岩室内剪切试验，得到泥岩在不同含水率下的强度特性及变化规律。采用携带式岩石力学多功能试验仪进行室内剪切试验，见图2。

图2 携带式岩石力学多功能试验仪

试验所得在不同含水率情况下的泥岩剪应力-位移关系见图3。从图3可知，在同一正应力下，泥岩随着含水率的增加，其剪应力降低显著，在剪切过程中试样呈应变软化现象。泥岩在初级荷载作用下产生较大的瞬时位移，究其原因在于所取泥岩表层存在发育的裂隙，随着剪应力的逐级增加，试样变形速率显著，因裂隙及填充物的作用，在破坏面也清晰可见因摩擦产生的划痕。随后达到剪应力的峰值，最终使泥岩发生塑性破坏，并测取试样的残余强度。

图3 剪应力-位移关系

泥岩抗剪强度随含水率的变化见图4。从图4可知，随着含水率的增加，泥岩抗剪强度不断衰减，且饱和含水率相对于其他岩体较高，说明红层岩体具有较强的亲水性，遇水易发生崩解软化。粘聚力最终降幅为36.1%，内摩擦角最终降幅为26.6%，说明雨水对红层边坡的软化效果显著。

图4 抗剪强度随含水率的变化

3 降雨作用下边坡稳定性数值模拟

3.1 降雨渗流数学模型选取及数值模型建立

在边坡稳定性分析过程中，基于岩土饱和-非饱和渗流理论，运用有限元方法，对降雨条件下公路边坡的渗流场进行数值模拟。其渗流计算的边界条件包括为定流量边界与定水头边界，并采用岩土体饱和-非饱和二维渗流控制方程[9]，即

(1)

(2)

(3)

式中，H为总水头；kx、ky分别为x、y方向的渗透系数；γw为水的密度；mw为比水容量；θw为单位体积含水量；Q为施加的边界流量；t为时间；∂为总应力；ua为孔隙内气压；uw为孔隙水压力；Γ1为第一类边界；Γ2为第二类边界；q、h为已知函数，分别表示Γ1、Γ2在单位宽度的侧向补给量；k为渗透系数；n为边界Γ1、Γ2的外法线方向。

将上述数学渗流模型作为基础与SEEP/W模块相结合，研究公路边坡运营期降雨入渗过程地下水渗流场动态的情况，继而分析降雨条件下公路边坡的稳定性。

目前，降雨入渗数值模型研究方法有2种方法，一是将边坡整体概化为单一均质岩体边坡，增大部分坡体单元的渗透系数，使雨水能快速沿某单元入渗并向坡体内其他部位扩散，达到等效裂隙入渗目的，即等效渗透系数法；二是在坡体内建立模拟节理裂隙的模型空隙，施加降雨边界来实现模拟雨水沿裂隙入渗的过程。为简化模型，本文采用等效渗透系数法进行数值模型计算，模型概化为单一均质的岩体边坡。为减小边界条件对坡体内渗流的影响，取坡顶宽度为40 m；边坡底部到路中线宽度为19 m；边坡左右底边界取至路面以下15 m。有限元分网模型见图5。

图5 有限元分网模型

3.2 岩体力学参数获取

该边坡岩体的岩性主要为泥岩，一些学者对于红层的渗透特性进行了研究，冯启言等[10]通过试验得到了泥岩孔隙度为0.47%～4.48%，破裂前的渗透系数为4.55×10-9～5.61×10-8cm/s。徐则民等[11]在对成渝线典型侏罗系沙溪庙组砂泥岩边坡降雨影响的研究中得到，砂粘土的饱和渗透系数为7.2×10-5～4.0×10-4cm/s，用毛细观流量计测其渗透率，测定的风化砂岩块的渗透系数为3.9×10-5cm/s。砂岩及砂质泥岩中发育X状剪节理，测得其渗透张量见表1。

表1 岩体裂隙渗透张量

因泥岩本身的渗透系数较低，坡体内存在近水平层面与陡倾节理面，故主要考虑降雨沿节理面渗透。边坡降雨渗流示意见图6。本文采用等效渗透系数法，在降雨作用下考虑边坡岩体与边坡内部节理裂隙共同渗透作用，以前人研究成果与室内剪切试验结果相结合的方式确定此次数值模拟岩体物理力学参数，并以四川地区泥岩的经验力学参数作对照，得到岩体物理力学参数见表2。因考虑到雨水具有下渗优势，故在取值时竖直方向的饱和渗透系数大于水平方向。综合试验数据代入Seep/W模块计算，并绘制泥岩的水-土特征曲线及渗透系数曲线，

图6 边坡降雨渗流示意

表2 岩体物理力学参数

分别见图7、8。

图7 水-土特征曲线

图8 渗透系数曲线

3.3 分析方案

对边坡内渗流场的数值分析采用Seep/W模块，对不同降雨条件、降雨持时下的红层边坡进行非饱和-饱和渗流分析，以期研究不同降雨条件、降雨持时下，边坡基覆界面处孔隙水压力及暂态饱和区的演化规律，并深入分析边坡的稳定性。

通过查阅四川省降雨资料，四川省降雨情况分布见图9。从图9可知，每年6～9月为丰水期，平均降雨量为161.07 mm。根据中国气象局颁布的降雨强度等级划分标准，降雨量在50～100 mm/d之间称为暴雨；降雨量在100～200 mm/d之间称为大暴雨；降雨量大于200 mm/d为极端条件。故具体方案如下：

图9 四川省降雨情况分布

(1)红层边坡分别在降雨强度为100、180、250 mm/d的条件下持续降雨36 h，边坡内部孔隙水压力等值曲线及暂态饱和区的演化规律。

(2)红层边坡在同一降雨强度不同降雨持时下的瞬态稳定性。

3.4 结果分析

随着降雨的进行，雨水渗入坡体内部，边坡孔隙水压力为0处是坡体内饱和与非饱和区的分界线，正负孔隙水压力的分界线即为地下水浸润线。因篇幅有限，仅给出边坡在初始状态及在大暴雨条件下不同降雨持时的边坡孔隙水压力等值线云图，再将暴雨持时36 h、大暴雨36 h、极端条件36 h的边坡孔隙水压力等值线云图进行对比分析。不同状态下边坡孔隙水压力等值线云图见图10。

图10 不同状态下边坡孔隙水压力等值线云图

(1)在降雨初期时，降雨只作用在边坡表层，地下水位变化不大，但表层岩体基质吸力变化明显，造成边坡表层出现暂态饱和区。随着降雨的持续作用，雨水持续入渗，造成基质吸力进一步减小，上部暂态饱和区逐渐向内拓展，且与地下水贯通，地下水出现缓步抬升。因红层软岩边坡存在竖向节理导致边坡渗透性大，坡面雨水易渗透至内部形成饱和区，促使边坡内部孔隙水压力增大，有效应力降低，导致岩体抗剪强度降低，最终导致边坡失稳破坏。

(2)暴雨持时36 h时，坡顶表面未出现饱和区，坡脚处的饱和区向下与地下水连通，而在二级平台以上坡面仍有部分非饱和区。因雨水入渗作用相较于降雨作用是一个缓慢的过程，雨水沿坡体表面向下汇聚至坡脚处。当在大暴雨持时36 h的条件下，随着降雨的持续补充，坡顶雨水持续入渗造成坡顶出现饱和区；在极端条件下36 h时，坡面饱和区厚度急剧增大，最大达到15 m以上。分析其原因，因降雨强度增大致使渗流量急剧增加，导致雨水入渗速度加快，从而坡体内部岩体基质吸力减小，渗透系数变大，导致暂态饱和区面积进一步扩大。通过浸润线的变化趋势可知，在同一降雨持时下，边坡内部饱和区面积随着降雨强度增大而急剧增大，导致边坡内部毛细吸力降低，从而使边坡岩体的粘聚力降低，边坡稳定性随之降低。