强降雨入渗对既有隧道及边坡稳定性的影响分析

付 强，袁 泉

（四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

强降雨是导致边坡失稳，隧道衬砌垮塌的最大诱因之一[1-2]。强降雨对边坡的影响主要表现在会极大削弱岩土体的物理力学性质，短时间内增大岩土体孔隙水压力，改变原有边坡的应力分布。同时，在雨水的渗流作用下，边坡围岩发生应力重分布，作用在隧道衬砌上的渗透水压力和围岩压力不断增加，导致衬砌发生大变形，甚至失稳垮塌，这将对地下结构和人员财产造成极大损失[3-4]。

目前，诸多学者采用室内模型试验及数值模拟对边坡及隧道在强降雨作用下的力学行为进行了研究分析。郑俊杰等[5]发现膨胀土隧道在降雨入渗过程中，围岩水平应力增大明显，而垂直应力变化不大，岩土体渗透系数、膨胀系数对衬砌的应力水平影响较大。蒋中明等[6]通过编制fish语言，运用FLAC3D有限差分软件研究得出了非饱和渗流作用下边坡渗流规律。林国财等[7]通过室内模型试验得出降雨入渗对边坡稳定性的影响不仅仅发生在降雨过程中，降雨停止后，水分入渗过程延续，边坡稳定性持续降低，水分入渗在一定的延后时间内继续威胁边坡安全。刘杨等[8]对含缓倾软弱夹层矿山高边坡降雨渗流特性进行研究，发现软弱夹层改变了雨水的渗流路径，在强降雨过程中对边坡稳定性的影响加大。

关于强降雨入渗对边坡及隧道的稳定性研究，已取得较多成果。但鲜有学者对复杂地质环境下，既有隧道边坡在不同雨型作用下的稳定性进行研究。本文结合某工程实例，建立三维有限元计算网格，基于非饱和渗流理论，对含软弱夹层既有隧道边坡及隧道衬砌进行不同雨型作用下的渗流、稳定分析，进一步揭示强降雨雨型对边坡及隧道稳定性的影响规律，为类似工程提供参考。

1 计算原理

1.1 非饱和渗流计算理论

渗流应力计算可以分为两个部分，降雨期间，雨水不断渗入边坡岩体，岩体开始进入非饱和状态，随着降雨量的增加，岩土体孔隙逐渐被雨水填满，岩体最终达到饱和状态[9-10]。降雨结束后，在水头差作用下，岩体内的水分逐渐向边坡外渗流，岩体逐渐回到原来的非饱和状态。因此，计算降雨对边坡的稳定性影响应该考虑岩体的非饱和特性。

根据文献[11]，非饱和渗流微分方程如式（1）、式（2）：

式中：kx、ky为渗透系数；H 为总水头；Q 为降雨量；γw为水的容重；mw为单位基质吸力变化引起的体积含水量的变化量。

方程的初始边界条件，即t=0时，水头分布为：

压力水头边界条件为常数，可以表示为：

若已知单位面积流入的水流量q，则流量边界条件可以表示为：

式中：n为边界的外法线方向。

1.2 计算模型及参数

图1为边坡计算网格模型，设定边坡高度100 m，坡顶宽度60 m，边坡分为3级，平台宽2 m，边坡坡率为1∶1.7，沿隧道轴线取计算长度为100 m，边坡中的软弱夹层厚度为6 m，岩层倾角为55°。隧道最浅埋深为7.65 m，类型属于山岭隧道，半径为6 m，衬砌采用钢筋混凝土材料，厚度为0.5 m。软弱夹层上部为风化较为严重的裂隙岩体，下部为微风化砂岩。隧道衬砌采用二维板单元进行模拟，采用弹性本构模型，其余材料均采用三维实体单元、摩尔库伦本构模型，整个计算模型共划分为31 158个网格单元。材料物理力学参数如表1所示。

图1 模型计算网格

表1 物理力学计算参数

岩体水土特征函数采用Van Genuchten模型[12]，各材料参数见表2。其中，θs为饱和体积含水率，θr为残余体积含水率，a和n为模型经验参数。

表2 材料土水特征拟合参数

本文对边坡和隧道衬砌的计算分析共设置3种工况，分别对应降雨类型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，降雨持续时间和雨量分布如表3所示。

表3 计算工况

1.3 边界条件设置

模型边界条件有两类：第一类边界条件是初始边界条件，模型底部和4个侧面均设置固定铰支座，在模型x轴坐标为零处的坡顶设置初始水位为60 m，在x轴坐标为100处的坡脚设置初始水位20 m，模拟初始渗流场，将初始渗流场和重力场叠加，得出初始应力场；第二类边界条件是降雨边界条件，降雨边界条件是通过在坡面施加面流量模拟降雨过程，雨量随时间的变化由降雨函数进行控制，水流入渗方向垂直于坡面。

2 强降雨对边坡的影响分析

2.1 边坡孔隙水压力分析

图2为降雨前边坡初始渗流场孔隙水压力分布云图。由图可知，在初始水头作用下，边坡内部产生稳定渗流，坡底最大孔隙水压力值为490 kPa，此时坡顶及坡面的各处孔隙水压力均为负值，处于未饱和状态。

图2 边坡初始孔隙水压力云图

图3为降雨72 h后边坡孔隙水压力分布云图。由图可知，降雨过程对边坡孔隙水压力分布影响较大，坡顶及坡面监测点孔隙水压力较降雨前明显增加。特别是工况3中，边坡各监测点孔隙水压力增幅尤为明显。由于砂岩渗透系数较小，降雨入渗相对困难，坡面砂岩岩体孔隙水压力为正值，表明坡面将形成地表径流，而砂岩内部孔隙水压力受降雨影响较小，在坡面埋深12 m以下仍然存在大部分非饱和区；裂隙岩体由于渗透系数较大，降雨加快入渗，降雨对裂隙岩体内部孔隙水压力影响较大，在坡面难以形成径流。

图3 降雨72 h边坡孔隙水压力云图

图4为降雨结束48 h后边坡孔隙水压力云图。从图中可知，工况1边坡孔隙水压力消散速度最快，工况2次之，工况3孔隙水压力消散速度最慢。不同岩体，内部孔隙水压力消散速度也不同，裂隙岩体孔隙水压力的消散速度要明显大于砂岩。

图4 雨后48 h边坡孔隙水压力云图

2.2 边坡位移分析

图5为边坡位移随时间的变化曲线。从图中可知，随着降雨时间的持续，边坡横向位移和竖向位移均不断增大，降雨结束后，边坡位移逐渐趋于平缓。其中，由于孔隙水的渗透作用，降雨对边坡横向位移影响最大。而边坡的竖向位移在降雨作用下短时增长幅度较大，后期随着降雨的持续增长放缓，降雨结束后逐渐稳定。降雨持续72 h后，工况1、工况2、工况3边坡的横向位移分别达到了 26.4 mm、32.3 mm、48.1 mm，工况所对应的的竖向位移分别为33.2 mm、34.9 mm、39.7 mm。

图5 降雨引起的边坡位移

2.3 边坡安全系数分析

图6为边坡塑性区分布云图。从图中可知，边坡塑性区集中分布在软弱夹层区域，表明边坡易沿着软弱夹层发生滑移。

图6 工况3边坡塑性区分布云图

边坡安全系数随时间的变化规律如图7所示。由图可知，边坡安全系数的变化与降雨类型和降雨时间密切相关。降雨前边坡安全系数为1.6，降雨后，工况3边坡安全系数削弱最为明显，在降雨持续72 h后减小至1.11，工况1和工况2边坡安全系数分别在36 h和60 h达到最低值1.22和1.26。随着雨强的减弱，边坡安全系数逐渐增加。工况1和工况2边坡安全系数在降雨停止后能基本恢复至降雨前的水平，而工况3边坡安全系数在降雨后发生小幅度上升，雨后48 h边坡安全系数仅为1.3。

图7 边坡安全系数随时间的变化

3 强降雨对隧洞的影响分析

3.1 隧洞衬砌最大拉应力分析

图8为降雨72 h后隧道衬砌最大拉应力云图。由图可知，降雨72 h后隧道衬砌将产生较明显的拉应力，拉应力区均位于软弱夹层带附近，分别发生在相应衬砌区域的顶拱位置以及边墙与仰拱连接处。

图8 降雨72 h后隧道衬砌最大拉应力云图

图9为不同雨型作用下隧道衬砌最大拉应力随时间的变化规律。从图中可知，随着降雨时间的持续，隧道衬砌拉应力不断增加，待降雨结束后逐渐趋于稳定。工况3隧道衬砌最大拉应力增幅最为明显，降雨结束后，衬砌最大拉应力仍略有增大，降雨结束48 h后最大拉应力值为5.74 MPa；其他两类工况中，隧道衬砌最大拉应力值较为接近，均在5.1 MPa左右。

图9 隧道衬砌最大拉应力随时间的变化

3.2 隧道衬砌位移分析

图10为降雨前后工况3隧道衬砌横向位移云图。从图中可知，降雨将导致隧道衬砌裂隙岩体段发生较大横向位移，最大横向位移分布在衬砌的边墙与仰拱交接处及顶拱位置。最大位移差值达到了31.10 mm。

图10 降雨72 h后工况3隧道衬砌横向位移云图

图11为不同雨型作用下隧道衬砌位移变化规律。从图中可知，强降雨将导致隧道衬砌产生不同程度的横向及竖向位移。在孔隙水渗流压力作用下，隧道衬砌横向位移同样大于同种工况下衬砌的竖向位移。工况3隧道衬砌的横向、竖向位移最为显著，分别达到30.10 mm及12.70 mm；工况1和工况2隧道衬砌的横向、竖向位移值相近，分别约19.90 mm、9.60 mm左右。

图11 不同雨型作用下隧道衬砌位移

4 结语

本文通过对不同降雨类型下边坡的渗流稳定及隧道衬砌的位移、应力进行计算分析，得出以下结论：

a）强降雨对边坡岩体孔隙水压力的影响与降雨类型、降雨时间及岩体自身的渗透性有很大关系，降雨强度越大、历时越长，一定深度范围内边坡岩体孔隙水压力增长速度越快；降雨影响的范围越浅，边坡渗透系数越小，岩体孔隙水压力消散越慢。

b）降雨类型对边坡稳定性的影响较大，在最高雨强一定时，短时降雨量越多，边坡位移量越大，稳定性越差，边坡安全系数大小排序为工况1＞工况2＞工况3。

c）降雨将导致岩体孔隙水压力向坡面外发生渗流，从而引起裂隙岩体沿软弱夹层发生滑移，隧道衬砌在软弱夹层区域将发生较为明显的横向位移，在衬砌区域的顶拱位置以及边墙与仰拱连接处产生较大的拉应力，对隧道结构极为不利。