挡土墙在降雨条件下的安全防护措施研究

陈似华

广东博意建筑设计院有限公司 广东 佛山 528312

近年来，因降雨引发边坡、挡土墙失稳的情况越来越多，目前，国内对降雨入渗边坡做了大量的研究。孙永帅等[1]、蔡欣育等[2]、李龙起等[13]研究发现降雨强度越大，边坡稳定性系数下降越快；韩同春等[4]研究了双层结构边坡降雨入渗与坡面径流；李宁等[5]研究了降雨条件下抗滑桩在边坡支护中桩间距桩位布置；师晨翔等[6]研究了降雨条件下挡土墙的抗倾覆稳定性，认为降雨显著降低了挡土墙抗倾覆稳定性。

降雨对边坡、挡土墙的影响非常显著，如何从设计和施工措施上消除挡土墙在降雨工况下受到的影响，显得非常有意义。

本文通过有限元法，根据饱和-非饱和渗流理论，研究了降雨作用下，挡土墙在墙后地面上覆反渗层、墙底及岩土交界面设置排水体的情况下，挡土墙墙后渗流、孔隙水水压力的变化，分析了降雨作用下采取不同防护措施的挡土墙的整体稳定性。

1 工程概况

广东某项目建于山边丘陵地带，红线边处存在大量1∶0.5～1∶1.0现状强风化岩坡体，高差6～12 m。为了有效利用场地用地，在红线边设置了5～10 m高挡土墙，原状地层基本为土状强风化花岗岩。挡土墙采取1.0 m×1.2 m方桩，水平间距2.2 m，设置3道锚索，挡墙与现状坡体之间压实回填土。地下水主要赋存于强风化花岗岩，稳定水位埋深在坡脚3～5 m位置。截至2018年，收集了该地区近30年的气象资料：多年平均降雨量为1 706 mm，最大降雨量为2 580.6 mm，最小降雨量为1 066.8 mm，日最大降雨量为319.2 mm；多年平均蒸发量为1 522.3 mm，年蒸发量最多为1 874.2 mm，年蒸发量最少为1 285.1 mm。

2 数值模拟及分析

依据SEEP/2D软件，按历史最大日降雨量319.2 mm降雨强度，持续3 d降雨，为了精确计算，该降雨量的降雨强度为13.3 mm/h。挡土墙高10 m，挡土墙后回填土范围为10 m，原状土范围为5 m。建立了无任何措施、墙后地面设置黏性土反渗层、岩土交界面及墙底设置砂卵石排水体、墙后地面设置反渗层及岩土交界面设置排水体等4种不同措施情况下的有限元模型，如图1所示。

图1 挡土墙渗流有限元模型

2.1 不同措施下挡土墙墙后渗流分析

在无任何措施的情况下，降雨72 h后，在强风化岩体及回填土区交界面形成饱和带，该交界面形成了挡土墙墙后薄弱带。通过在岩土交界面设置排水体，同无措施情况相比，回填区土层降雨下渗至交界面排水体，水体迅速下渗至墙底，排水体范围迅速失水成为非饱和土。而在挡土墙后地面设置反渗层后，墙后降雨下渗缓慢，72 h降雨仅影响土层深度1～2 m。同时在墙后地面设置反渗层及岩土交界面设置排水体后，土层负孔隙水压力增大，降雨仅对墙后土体1～2 m产生影响，土层内部几乎未变化。

2.2 不同措施挡土墙墙后孔隙水压力分析

从图2可看出：在无任何措施情况下，降雨初期至55 h，负孔隙水水压力从－30 kPa缓慢升至－20 kPa，至61 h后负孔隙水压力迅速变为正孔隙水压力，孔隙水压力从－20 kPa快速增至80 kPa。导致该情况的主要原因是本挡土墙墙后为陡倾面，挡土墙与原状岩面之间空间较小，在降雨作用下，若泄水孔未能有效发挥作用，回填区孔隙水压力将快速抬高，并将快速加大墙后水土压力合力。

图2 不同措施挡土墙墙后土体孔隙水压力-时间曲线示意

墙底及岩土交界面设置排水情况下，降雨初期至49 h，墙后底部孔隙水压力逐渐增大，但比无措施情况下孔隙水压力增长缓慢，孔隙水压力一直保持在－35～－33 kPa，在49 h后，孔隙水压力迅速抬高至0 kPa，并且孔隙水压力一直保持在0 kPa。很显然，在交界面及墙底部设置排水体能有效控制墙后孔隙水压力值，极大地阻止了墙后孔隙水压力不断升高，将墙后水土压力合力控制在可控范围内。

墙后地面设置反渗层情况下，在降雨作用下，孔隙水压力上升缓慢，孔隙水压力一直保持很缓的速度抬高，至降雨97 h，孔隙水压力仍保持在负孔隙水压力值－20 kPa以内，很大程度上减小了降雨对挡土墙墙后土体的影响，墙后土体始终处于非饱和状态，墙后土体基质吸力一直在发挥作用，挡土墙墙后土压力与无降雨状态差别不大。

在墙后地面设置反渗层，且墙底及岩土交界面设置排水体后，在降雨作用下，较仅在墙后地面设置反渗层，孔隙水压力随时间的变化更缓。孔隙水压力-时间曲线的斜率与在墙底及岩土交界面设置排水体的斜率一致，不同之处在于随着降雨持续，其斜率一直保持不变，孔隙水压力保持在－35～－30 kPa。可以看出该措施为2种措施的结合，也具备2种措施的优点，通过在墙后地面反渗层阻隔大部分降水，又能通过排水体将部分下渗水体有效地排出墙后，进一步减缓孔隙水压力的抬升，使墙后土体一直保持在非饱和土状态，墙后土体基质吸力也较仅在墙后地面设置反渗层更大，该措施墙后水土压力最小。

2.3 不同措施下挡土墙稳定性分析

从图3可看出：无措施挡土墙整体稳定系数最低，且在降雨工况下，挡土墙安全系数下降最快。墙底及岩土交界面设置排水体后，挡土墙整体稳定系数较无措施情况下大，随着降雨持续，挡土墙整体稳定系数虽逐渐减小，但较无措施情况下下降缓慢。墙后地面设置反渗层措施下，其降雨前虽然与无措施情况下挡土墙整体稳定系数一致，但其整体稳定系数在降雨过程中下降非常缓慢。在墙后地面设置反渗层和墙底及岩土交界面设置排水体后，挡土墙整体稳定系数最高，且挡土墙在降雨条件下几乎无变化。

图3 不同措施挡土墙整体稳定系数-时间曲线示意

由此可得出，挡土墙最佳的防护措施为墙后地面设置反渗层，且墙底及岩土交界面设置排水体，挡土墙后地面设置反渗层有效阻挡降雨下渗，在强降雨作用下，墙后雨水大部分发生径流，部分下渗雨水在排水体的排水作用下，挡土墙后几乎不形成积水，挡土墙后基本为非饱和土，基质吸力基本与未降雨情况一致，故挡土墙整体稳定性一直可保持较高值而不下降。

3 结语

本文通过对降雨作用下，不同防护措施挡土墙墙后渗流、墙后孔隙水压力分布及变化、整体稳定性系数的分析比较，得出以下结论：

1）无措施情况下，降雨期间挡土墙墙后岩土交界面易形成薄弱带，随着降雨持续，孔隙水压力将快速抬高，迅速增加墙后水土压力，挡土墙整体稳定系数急速下降，挡土墙安全性急剧降低。

2）墙底及岩土交界面设置排水体后，在降雨期间，能有效控制墙后孔隙水压力，阻止孔隙水压力快速增大，并消除了岩土交界面的薄弱带，将挡土墙水土压力控制在可控范围内，使挡土墙在降雨情况下的安全性得到保障。

3）墙后地面设置反渗层后，在降雨期间，很大程度减小了降雨对墙后土体的影响，使墙后土体始终处在非饱和状态，墙后土体基质吸力一直在发挥作用，墙后土压力与无降雨状态差别不大。

4）同时在墙后地面设置反渗层、墙底及岩土交界面设置排水体后，具备2种措施的优点，通过墙后地面反渗层阻隔大部分降水，对于部分下渗水体，又能将其快速排出墙后，使挡土墙墙后土体一直保持在非饱和状态，其挡土墙安全性也最高。在挡土墙设计过程中建议按此措施进行施工，以提高挡土墙在降雨工况下的安全性。