降雨入渗过程中公路边坡含水状态变化研究

2023-06-07张海蛟

黑龙江交通科技 2023年6期

关键词：坡顶坡脚水压

张海蛟

(山西交通控股集团有限公司,山西太原 030000)

1 工程概况

1.1 工程水文地质情况

工程位于重庆市璧山区,地貌单元属于构造剥蚀侵蚀地貌丘陵地貌,区域地层有第四系(Q)、侏罗系中统上沙溪庙组(J2s)、下沙溪庙组(J2xs)。地层岩性由上至下分别为。

(1)第四系(Q)

沿线道路及居民点附近多分布有厚度不一的人工填土,项目路基范围多为经压实的素填土,其两侧范围多为未经压实的松填土,结构松散力学性能较差,厚度3～30 m不等,变化较大。

(2)中统上沙溪庙组(J2s)

为紫红色泥岩为主与砂质泥岩、泥质砂岩呈不等厚互层,夹9～14 m层灰紫色透镜状长石砂岩,底部为较稳定的灰黄、灰紫红色长石砂岩,即嘉祥寨砂岩,总厚900～1 328 m。

拟建路段穿越两个地貌单元,河谷冲沟堆积-冲蚀地貌单元所在位置的地下水较丰富,地下水类型为松散层孔隙水,松散岩类孔隙水为岩溶洼地和背斜两翼低洼地带内第四系残坡积、崩坡积松散块石土、碎石土、粘性土内的孔隙水,接受大气降水补给。该边坡可分为粘土上层和砂质泥岩或泥质砂岩下层。

重庆市地处亚热带季风气候区,气候湿热多雨。每年5～9月为雨季,多出现大雨、暴雨等持续强降雨天气,区内多年日平均降雨量为98.5 mm,日最大降雨量266.6 mm。根据气象部门发布的小雨、中雨、大雨、暴雨的日降雨量,其值分别为:10 mm/d、25 mm/d、50 mm/d、100 mm/d。

1.2 模型尺寸控制及网格划分

挖方边坡最大高度25 m,最大边坡为3级,该段边坡为典型的覆土基岩型边坡,上层土为较厚的含碎石杂填土,厚度3～30 m不等,变化较大,下层基岩为砂质泥岩层,项目所在地的岩层倾角为10°～30°。三级边坡坡率均采用1∶1削坡。

根据上述基础参数,建立长78.25 m、高49.5 m的边坡有限元模型,模型宽5 m,前缘高度25 m,后缘高度49.5 m,各级边坡间留2 m宽马道,结构单元划分密度为0.5×0.5×0.5 m,坡面部分适当加密以增加计算精度,边坡模型如图1所示。

图1 工程边坡数值模型

1.3 参数的选取

由于土体是非连续、非均质且边坡分为上部土体和下部基岩组成,故使用摩尔-库伦本构模型来模拟边坡的弹塑性特征,具体参数根据工程地质报告和茶园高边坡安全专项施工方案选取,如表1所示。

表1 材料参数表

2 降雨入渗对公路边坡的影响研究

模型渗流场初始条件为水头边界,降雨前地下水匮乏,水位较低,假设左侧水头距离模型底面5 m,右侧水头距模型底面10 m,边坡模型底面设置x、y、z方向的位移约束,模型左右边界设置x方向的位移约束,坡面设置为自由面。

2.1 降雨入渗对边坡空隙水压的影响研究

首先固定降雨强度不变,选择达到特大暴雨等级的300 mm/d为降雨强度,分析降雨历时0 d、4 d、8 d后路堑边坡的稳定性。

边坡降雨强度在300 mm/d条件下的边坡孔隙水压力的变化情况,初始条件下,边坡处于平衡状态,孔隙水压自上而下均匀分布,呈现不断增大,并由负转正的趋势,可以看出在未发生降雨时,边坡表面呈现干燥状态,表层土水分会随着温度增高而不断蒸发流失,因此边坡表面孔隙水压为负,在重力作用下,越往下土体含水率越高[1]。随着边坡深处地下水的不断增加,边坡深部含水率在地下水的作用下不断升高,孔隙水压为0的地方位于地下水位线以上1～2 m处,最大负孔隙水压位于边坡顶部为-367 kN/m2。降雨发生后,可以明显看出,坡表孔隙水压从初始状态下的负压很快转变为正压,原因在于降雨得到持续进行,首先会在将边坡表面的孔隙逐渐填满,并且逐层往下渗透,此时边坡表面在降雨条件下,含水率不断上升,孔隙水压也由最开始的负压力转变为正压力,但雨水下渗是一个连续且需要一定时长才能完成得过程,越往土层深处,雨水下渗的程度越低,含水率也会降低,但在降水条件的影响下,地下水位也会随之升高,因此可以看到一个现象:边坡表面及边坡底部含水率不断升高,孔隙水压力为正,边坡中部由于雨水尚未渗透,且离地下水较远,因此会存在负孔隙水压,并且负孔隙水压所在的区域,会随着降雨入渗及地下水位的升高而不断缩小。

降雨4 d后,边坡表层孔隙水压为正,最大负孔隙水压位于距离坡表1.5 m处,此时的最大负孔隙水压为-328 kN/m2,较初始状态降低了10.6%,降雨8 d后,最大负孔隙水压位置距离坡面4.6 m,较降雨4 d时的最大负孔隙水压位置降低了3.1 m,表明后四天的降雨入渗速度较前四天更快,原因在于边坡表面的孔隙分布更为广泛密集,且孔隙较大,降雨强度一致的条件下,填满所有孔隙所需的时间及降水量更大,边坡深处,在自重的作用下,土体孔隙变小,填满孔隙所需降雨量减小,因此相同时间跨度条件下,后4 d的入渗范围更为广泛。降雨至第8 d时,最大负孔隙水压为-277 kN/m2,较降雨4 d时降低了15.5%,较初始状态下,最大负孔隙水压降低了24.5%,负孔隙水压占整个边坡的面积也较初始状态下降低了20%。

2.2 降雨入渗对边坡饱水区域的影响研究

通过对比边坡初始地下水阶段和降雨8 d后的边坡饱和度云图,可以看出边坡含水量的变化明显。

从边坡初始饱和度和降雨后饱和区域面积可以看出,初始条件下,边坡表面处于干燥状态,边坡饱水区域仅限于地下水位附近区域,越远离地下水位,饱水程度越低,降雨8 d后,地下水位明显上升,边坡表层在降雨入渗的作用下,逐渐饱和,饱水面积增大,边坡深处仍有部分区域未达到饱水状态,从饱水区域的分布情况看,边坡表层饱水区域与坡面大致平行,因为降雨发生后,降雨沿坡面均匀下渗,在坡表前端,饱水区域与地下水连通,形成危险区域,边坡在这种条件下,极易发生破坏,这也是常规边坡在长时间降雨作用下,边坡前缘往往率先发生失稳局部破坏的原因[2]。前缘破坏失去稳定性之后,边坡深部由于力学平衡状态遭到破坏,在边坡深部会逐步形成破裂面,降雨的持续进行,一方面降低了边坡土体自身的粘聚力和内摩擦力,另一方面雨水的自重附加到土体上,增加了饱水土体的自重,进而导致边坡失稳[3]。从边坡失稳的模式可以看出,边坡深部滑面的走向基本与坡表降水饱和面相似,证明降水与边坡失稳有着密不可分的关系。

边坡饱和区域所占比例与降水呈正相关关系,未发生降雨时,在地下水作用下边坡饱和区占比为10.5%,降雨8 d后饱和区域占比为28.3%,增加了17.8%,增加的部分均由降雨入渗导致。雨水在边坡坡脚汇集使坡脚出的含水量逐渐升高,土体逐渐饱和直到降水与地下水连通,此时边坡出现大量饱和渗流区。

2.3 降雨入渗对边坡竖向位移的影响研究

分别取坡顶、坡脚及各级坡中点位置为竖向位移研究特征点,将各特征点沉降与降雨时间的关系统计见图2。

图2 边坡特征点沉降与降雨历时关系图

对于特征点的竖向位移,从位移—时间曲线看出,边坡上所选取的点的竖向位移整体趋势是随降雨时间的增加而增加,未降雨时坡脚的沉降为1.8 cm左右,坡顶位置的沉降10 cm左右,坡顶沉降量较坡脚沉降量多8.8 cm的原因在于重力作用下,坡脚土体孔隙率较小,坡顶由于上覆土体有限,孔隙较多,结构松散,因此沉降也较大。随着降雨的进行,各个特征点上的沉降均在增加,从沉降曲线的斜率可以明显看出,特征点的位置越靠近坡地,降雨开始时,沉降曲线的斜率越大,表明在降雨初期,雨水入渗是从上往下的,越靠近坡顶,在雨水的作用下,边坡沉降越大,图2数据表明:降雨2 d时,坡顶和三级边坡中点的特征点沉降值增量在1.8 cm左右,其余各点均在1 cm以内。随着降雨继续,边坡顶部的特征点竖向位移呈现稳定增加的趋势,但靠近坡脚的特征点竖向位移逐渐趋于平稳,原因在于坡底的土层厚度较小,随着坡底雨水的不断入渗,土体在较短的时间内达到饱和状态,此时地下水位也在不断上升,其沉降量所受浮力增大[4]。因此在降雨持续两天后沉降趋于稳定,最终稳定在2.5 cm。坡底土体饱和后,一部分水从左侧边界渗出,同时由于降雨的持续进行,坡面表层饱和区不断向边坡内部扩张,内部的饱和区呈现“C”字型,边坡沉降也会增大。从图2看出,降雨4 d后,一级边坡中点沉降稳定4 cm;降雨6 d后二级边坡中点沉降稳定在7.4 cm;降雨8 d后,降雨8 d后二级边坡中点沉降依然在增长,但增长速率速度明显降低。整体来看,降雨入渗的结果会增大坡顶部分土体的沉降量,同时土体自身的粘聚力和内摩擦力也会在雨水的作用下不断降低,对边坡而言,这种次序性的降雨入渗极易引发边坡局部失稳,在工程中必须引起高度重视。

3 工程建议

数值模拟结果显示,边坡在降雨入渗的过程中,土层含水率不断提高,地下水位上升,边坡特征点沉降量也呈现增长趋势,如果不采取边坡防护措施,边坡可能存在失稳风险,为降低降雨入渗对边坡稳定性的影响,可采取生态护坡和设置截排水沟的方式,降低降雨过程中边坡入渗深度和边坡含水率。

生态护坡一般采用蜂巢格室护坡和格构式植物护坡,即保证边坡景观需求的同时,也能通过植物根系稳固边坡土体,降低沉降,提高边坡稳定性。填方路基外侧地表水往路基汇集时,需在坡脚设排水沟;在路堑开挖前作好坡顶排水防渗工作,当挖方路基外侧地表水往路基汇集时,需在坡顶外设临时截水沟,并顺地势接入道路排水系统排出路基范围。设置截、排水沟处,占地线距离坡顶、脚线5 m,截、排水沟紧贴占地线内侧设置。截、排水沟采用M7.5水泥砂浆砌Mu30片石,平台及坡顶设置截水沟。