降雨入渗对喷混凝土防护的非饱和土边坡稳定性的影响研究

摘要：文章以常见的边坡喷混凝土防护为研究对象，采用有限元数值分析方法，对不同喷混凝土防护工况下非饱和土边坡降雨入渗进行对比研究，分别从边坡的渗流场变化和稳定性变化分析相关规律。结果表明：喷混凝土对短期降雨边坡稳定性提升幅度较大，主要是通过改变边坡的渗流场引起；喷混凝土层对土体变形有一定限制作用，但对边坡稳定性提升幅度较小；长期降雨边坡土体饱和后，无论是否喷混凝土防护，边坡稳定性都会大幅降低。

关键词：降雨入渗；边坡稳定；喷混凝土防护；非饱和土

U416.1+4A070233

0 引言

在建高速公路土质边坡常见滑塌病害，多在降雨后发生，边坡开挖后未及时防护遭遇降雨入渗引起滑塌的案例屡见不鲜。喷射混凝土作为一种施工便捷、快速高效的防护措施，在边坡防护中广泛运用。

在降雨入渗对边坡的稳定性影响研究中，多数研究都考虑了不同降雨工况，不同土体性质等因素［1-4］，但对边坡防护情况考虑较少。本文在考虑土体非饱和特性的基础上，分别考虑边坡的喷混凝土防护情况、降雨入渗情况，并基于某在建高速公路边坡，采用岩土有限元分析软件Midas GTS NX建立数值分析模型，对边坡的渗流场变化及稳定性变化规律进行研究分析，以期为类似工程项目的边坡防护提供经验参考。

1 非饱和土特性及数值实现

非饱和土的力学特性在很大程度上受基质吸力影响，基质吸力和体积含水量有着密切的联系，二者的关系可通过土-水特征曲线反映。同时，基质吸力的变化会引起土体渗透系数的改变，从而影响到土体中渗流场。由于室内试验较难直接获得非饱和土的体积含水量来确定土-水特征曲线，Van Genuchten［5］在前人的研究基础上，通过试验结果并结合经验拟合推导了适用于黏土、砂土非饱和状态下的基质吸力与含水量的函数关系：

θ-θrθs-θr=F（φ）=11+φαnm（1）

式中：φ——基质吸力；

θ——体积含水量；

θs——饱和体积含水量；

θr——残余体积含水量；

α、m、n——拟合参数。

在岩土有限元分析软件Midas GTS NX中，内置了包括Van Genuchten函数在内的多种定义土体非饱和特性的函数，可直接调用，通过设置含水率函数及渗透性函数来实现土体非饱和特性，如图1所示。

2 计算模型及研究方案

2.1 模型尺寸

以某在建高速公路开挖土质边坡为背景建立数值计算模型（如图2所示），边坡每级坡高10 m，共2级，坡率均为1∶1，一级平台宽2 m。喷混凝土层的设计厚度为0.1 m。计算模型总宽度为100 m，高度为60 m。根据勘察资料，地下水埋深约为20～25 m。

2.2 计算参数

土体采用摩尔-库伦弹塑性本构模型。根据边坡勘察资料，并结合相关工程经验，土体物理力学参数取值如表1所示。由于勘察资料中缺少土体非饱和特性的试验资料，因此土体非饱和特性参数参考有限元软件中提供的典型黏土非饱和参数，采用Van Genuchten函数，相关参数取值如表2所示。

喷混凝土层具有较大的刚度，可视为线弹性体。喷混凝土的渗透系数会受到多种因素的影响，包括混凝土配方、水胶比、固化时间、喷射工艺和施工质量等［6-7］。普通混凝土的渗透系数经过试验统计通常在10-9～10-14 m/s［8］，一般而言，喷射混凝土的抗渗性比普通混凝土差［9］，这是因为喷射混凝土的施工过程中可能会产生较多的孔隙和接缝，导致渗透性增加，通常在10-8到10-10 m/s之间。本文计算模型中，喷混凝土层的计算参数取值如表3所示。

2.3 边界条件

本文在边坡降雨入渗及稳定性分析考虑的边界条件分别有水头边界、位移边界及渗流边界。

水头边界：根据初始地下水位设置地下水头高度，实现地下水位线以下的孔隙水压力初始分布。地下水位以上则需另设置土体中初始负孔隙水压力分布，如不设置，计算软件中则会默认从地下水位往上线性增加，可能出现远超土壤基质吸力范围的不合理值，进而影响模拟结果。

位移边界：约束模型两侧的水平位移，约束模型底部的水平及竖向位移。

渗流边界：用于模拟边坡的降雨入渗，当降雨强度小于等于表层土体渗透能力时，降雨可完全入渗，直接设置降雨强度为渗流边界模拟降雨入渗；当降雨强度大于土体渗透能力时，雨水无法完全渗入土体中，坡面将产生径流。李全文等［10］采用GeoStudio软件模拟该情况时，将流量边界设置为水头边界来考虑，而在Midas GTS NX中，只需勾选“如果q＞ksat，那么总水头=位置水头”，即可避免超过饱和渗透能力的流量对水头产生的额外影响。

2.4 研究方案

基于高速公路边坡实际施工的过程，考虑喷混凝土和降雨两种变化因素，制定以下两种研究工况：

工况1：边坡开挖后，未施工喷混凝土防护，遇降雨入渗。

工况2：边坡开挖后，已施工喷混凝土防护，遇降雨入渗。

按降雨持续时间，分别考虑未降雨、短期降雨、长期降雨三种情况。其中，短期降雨按2 d（48 h）来考虑，长期降雨为持续降雨直至整个边坡土体达到饱和，是一种理想的对照工况。

不同降雨强度对边坡稳定性的影响已有相关研究成果，本文不再对比多种降雨强度，采用单一降雨强度。考虑到在建高速公路边坡滑塌经常由强降雨造成，故选择气象部门制定的降雨量等级大暴雨上限值250 mm/d（2.894×10-6 m/s）作为本文模拟降雨强度。

3 计算结果与分析

3.1 孔隙水压力变化

在未降雨的初始状态，两种工况下孔隙水压力分布规律基本相同：在地下水位线以下呈线性增加，符合静水压力的分布规律；在地下水位线以上，孔隙水压力为负值，反映的是非饱和土中基质吸力的初始值。在短期降雨完成后，两种工况下的孔隙水压力分布规律出现明显的差异：在未喷混凝土的工况下，边坡内部孔隙水压力明显增加，变化范围较大；而在已喷混凝土的工况下，孔隙水压力的变化幅度及范围明显小于未喷混凝土工况。见图3。

分别提取坡顶、坡中及坡脚三处节点的孔隙水压力，得到其随降雨时间的变化规律如图4所示，可以看出，随着降雨的进行，边坡内部的孔隙水压力呈逐渐上升的变化，反映出非饱和土中的基质吸力随着降雨入渗逐渐减小。其中坡脚处的孔隙水压力变化幅度最大，并且从初始的负值变成正值，这是由于坡脚处更接近地下水位线，随着降雨的入渗，地下水位上升，直至水位超过坡脚形成静水压力。

对比两种工况可知，喷混凝土对边坡内部的孔隙水压力影响最大的位置在边坡中部，喷混凝土后的边坡中部孔隙水压力增幅及增速均较小，且在短期降雨时间内未达到稳定，有进一步增加的趋势。而在未喷混凝土工况下，边坡中部孔隙水压力在48 h内基本已趋于稳定。两种工况孔隙水压力变化规律的差异主要由喷混凝土的低渗透性引起。本文喷混凝土渗透系数虽然取了常见范围的较大值（1×10-8 m/s），但仍远低于土体的渗透系数，在短期降雨的情况下，喷混凝土层能阻隔雨水向边坡中入渗，边坡内的渗流场在短时间内不能达到稳定，因此坡中部的孔隙水压力变化响应速度会远低于未喷混凝土的情况。

3.2 安全系数变化

采用强度折减法（SRM），分别计算两种工况下未降雨、短期、长期降雨三个阶段的边坡稳定安全系数，结果如表4所示。

由表4可知，在未降雨时，两种工况下的安全系数均满足《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）中正常工况≥1.20的要求。在短期内降雨后，未喷混凝土的工况下边坡稳定安全系数已小于规范非正常工况1下的大值，而已喷混凝土的工况下安全系数大于规范要求。在长期降雨边坡土体全部达到饱和后，两种工况下的边坡稳定安全系数均小于规范要求，边坡均处于不稳定状态。

在边坡变形的计算结果中（图5），可以直观地看到工况1中滑动面剪出口位于坡脚处，坡面也随之变形，而在工况2中，滑动面剪出口离开坡脚一定距离，并且坡面无明显的变形，这说明了喷混凝土层对边坡变形起到了限制作用，进而能在一定程度上提高安全系数。

通过以上的结果分析可知，喷混凝土对边坡稳定安全系数提升表现在两个方面：（1）喷混凝土层的强度及刚度远大于土体，在边坡变形时能对其进行一定的限制；（2）喷混凝土层改变了非饱和土边坡的渗流场，在短期降雨下能影响到土体内基质吸力的变化，基质吸力对维持土体的抗剪强度有明显作用，进而提高了边坡稳定性。

在图6不同安全系数的柱状图对比中，能直观地看到，短期降雨工况下，喷混凝土对边坡稳定安全系数有明显的提升，提升幅度约为17.2%。在未降雨和长期降雨工况下，喷混凝土对边坡安全系数虽有提升，但提升幅度较小，为4%～5%。由此可知，喷混凝土通过限制边坡变形对安全系数的提升效果较小，对边坡稳定性的提升较大主要是通过短期内改变边坡的渗流场实现。

4 结语

本文对比了边坡开挖后有无喷混凝土防护两种情况下降雨入渗的影响，分析了不同工况下边坡稳定性变化的内在机理，分别从边坡的渗流场和稳定性变化得到以下规律：

（1）喷混凝土会引起边坡降雨渗流场出现明显的改变，边坡内部的非饱和土基质吸力随降雨入渗的减小幅度及速率明显变小，能提高边坡的整体稳定性。

（2）喷混凝土层的强度和刚度较大，对边坡变形有一定的限制作用，对边坡稳定性有一定的提升，但提升效果较小。

（3）喷混凝土对短期降雨边坡稳定性提升效果较大，主要是由改变边坡的渗流场引起。在长期降雨边坡土体饱和后，无论边坡是否喷混凝土防护，其稳定安全系数都大幅降低。

喷混凝土防护具有施工简单快速、短期降雨时对边坡稳定性提升显著等特点，在高速公路边坡防护、滑塌处治中得到广泛运用，对一些水稳性差的特殊性岩土边坡，如炭质泥岩、崩解性泥岩等，常常具有不可替代的优势。本文的研究结果可为类似工程边坡防护设计和施工提供参考借鉴。

参考文献：

［1］代 超，易宗石.基于有限元方法的降雨条件下公路路堑边坡稳定性研究［J］.西部交通科技，2023（6）：31-34.

［2］詹良通，李 鹤，陈云敏，等.东南沿海残积土地区降雨诱发型滑坡预报雨强-历时曲线的影响因素分析［J］.岩土力学，2012，33（3）：872-880，886.

［3］杨 晨.基于Midas的非饱和土边坡降雨稳定性分析［J］.广东建材，2023，39（6）：67-70.

［4］刘 坤，韩长玉，郝艺丹，等.基于降雨入渗的非饱和土边坡稳定性影响因素分析［J］.水电能源科学，2022，40（10）：183-186.

［5］Van Genuchten M T.On describing and predicting the hydraulic properties of unsaturated soils［J］.Annales Geophysicae，1985，3（5）：615-628.

［6］王家滨，牛荻涛.喷射混凝土渗透性、孔结构和力学性能关系研究［J］.硅酸盐通报，2018，37（7）：2 101-2 108.

［7］王家滨，牛荻涛，张永利.喷射混凝土力学性能、渗透性及耐久性试验研究［J］.土木工程学报，2016，49（5）：96-109.

［8］速宝玉，胡云进，刘俊勇，等.江垭碾压混凝土坝芯样渗透系数统计特性研究［J］.河海大学学报（自然科学版），2002，30（2）：1-5.

［9］宁逢伟，蔡跃波，白 银，等.喷射混凝土抗渗性影响因素的研究进展［J］.混凝土，2020（5）：129-135.

［10］李全文，常金源，徐文刚，等.Geostudio软件模拟降雨入渗过程中边界条件的探讨［J］.水利规划与设计，2019（2）：54-57，87.