降雨影响下既有公路隧道洞口边坡稳定性评价

■黄景川

（万顺通集团有限公司，漳州 363000）

“水”是生命的重要组成部分，但在建设工程中扮演着挑战与困难的角色，据自然资源局有关多年地质灾害统计表明，滑坡约占“半壁江山”，而其中绝大多数边坡失去稳定是由于受到地表水与地下水的影响[1]。 地下水与地表水可借助岩土体孔隙等进行渗流交换，而地表水主要来源之一即是自然降雨，岩土体多处于非饱和状态，鉴于非饱和土渗流问题，应针对应力—渗流相互影响下隧道边坡稳定性进行分析，确保施工与运营期间安全性[2]。 隧道进出洞口的边仰坡稳定性是公路安全运输的关键，需确保在不同影响因素条件下隧道边坡稳定性。 目前国内外学者已对降雨条件下考虑应力—渗流耦合的隧道边坡展开了一些研究，程鑫等[3]以某实际隧道工程为背景，建立有限元数值模型研究堆积层边坡与隧道间的相互作用，探讨降雨入渗影响下的隧道支护结构以及堆积层坡体受力变形时空特征；豆红强等[4]利用编程语言对ABAQUS 软件进行二次开发，考虑到降雨相关参数影响，设置球状风化体类土质边坡降雨渗流模型，对其稳定性研究展开研究；洪心怡等[5]采用合理非饱和土弹塑性本构模型，构建水—土—气三相耦合渗流分析法，进一步描述降雨条件下非饱和土边坡渗透—变形特性；翟淑花等[6]针对降雨入渗作用下的密实细颗粒以及松散碎石体边坡稳定性展开分析，筹划开展坡体失稳室内模型试验，以坡度、密实度、植被覆盖率与物质构成等多角度多层面总结出边坡稳定性影响程度大小。 当前降雨条件下边坡稳定性影响因素已有了系统总结，本研究结合某地区自然降雨历年报告数据，以该地区某高速公路隧道进口边坡为分析对象，利用有限元分析法对不同降雨时间条件下的边坡孔隙水压力、滑动变形、塑性区及安全系数的变化趋势进行归纳分析， 以此评价隧道边坡稳定性。

1 工程简介

本研究选取某高速公路隧道进洞口处自然边坡作为分析对象，区域周边地层岩性复杂多变，以中—弱风化砂质泥岩为主，岩土体节理发育且较为软弱，其隧道修建期间评价为软弱围岩隧道，在多因素影响下隧道洞口位置采取加强支护，在强降雨等外界自然因素影响下，不仅要确保隧道本身结构稳定性，也要保证隧道洞口边坡处于稳定状态。

2 边坡应力—渗流耦合理论

早期达西建立流量与长度关系式，其核心为饱和渗流理论，仅考虑土体空气完全被流体充满，将岩土体视为土—水二相体， 由于岩土体存在土—水—气三相状态，更为准确的渗流理论应为饱和—非饱和渗流理论。

2.1 自然降雨量与渗流量关系

降雨入渗属于垂直入渗，岩土体中含水率与入渗深度存在典型关系，主要探究自然降雨以及入渗补给典型关系，明确多少自然降雨量转化为地下水渗流量，其边坡自然降雨入渗曲线表现为变化速率逐渐降低的曲线，建立起自然降雨量与实际边坡渗流量的关系为[7]：

式（1） 中：Rr 降雨入渗量，m；T 为自然降雨时间，d；qn（t）为边坡垂直面降雨强度，m/d；Rn（t）为边坡任意方向最大渗流量的法向分量，m/d。

2.2 非饱和岩土体渗流理论

据非饱和渗透系数与土水特征曲线之间联系确定岩土体非饱和降雨渗流特征， 常用方法有Van-Genuchten 与Fredlund 模型， 其中GTS NX 软件内置VG 模型，主要计算方程为[8]：

式（2）中：h（θ）为岩土体基质吸力，N；θ、θs、θr为岩土体含水率、饱和含水率、残余含水率，%； a、n、m 为方程非线性回归系数，m=1-1/n；K（h）、Ks 为非饱和、饱和导水率，m/d。

2.3 应力—渗流耦合理论

将边坡视为连续孔隙介质，基于有效应力原理渗流相关问题研究中存在内外应力，通过控制方程的建立， 求解岩土体降雨形成的应力—渗流耦合方程，利用相应关系进行简化，联立得出流—固体问题中的应力—渗流耦合方程为[9]：

3 降雨影响下隧道进口边坡稳定性分析

3.1 模型建立

利用软件构建隧道进口段—边坡3D 模型，模型大小为x×y×z（194 m×30 m×54 m），模型对称布设，隧道拱顶距上表面10.5 m，周边岩土体采用3D实体单元模拟（M-C 本构），初期支护、锚杆与二衬分别采用壳单元、桁架单元与实体单元（弹性本构），初期支护中喷混与钢筋网等进行组合计算进行模拟，隧道处于使用阶段，模拟前应进行初始状态计算，以曲面流量模拟地表渗流边界，下边界不透水，前后左右与下边界均设置位移限制，整体添加重力。岩土体与支护结构力学参数见表1，隧道边坡3D 网格模型与边界条件见图1（由于模型对称可简化数据处理，本研究仅分析最不利截面—隧道进口处左边坡断面）。

图1 隧道边坡模型及边界条件设置

表1 隧道边坡岩土体与支护物理力学参数

3.2 降雨工况设置

降雨类型可具体分为2 类，分别为短期与长期降雨，分析该区域水文地质条件与历年降雨统计情况，最不利情况下降雨时间达长期降雨类型，其降雨持续时间为3 d，以24 h 降雨量划分降雨强度，区域24 h 降雨量峰值可达86 mm，表现为暴雨，本研究将降雨强度恒定为86 mm（最不利情况为暴雨），变量为降雨持续时间，数值模拟中边坡安全系数按强度折减法计算具体过程见图2。

图2 隧道边坡安全系数求解过程

3.3 数值模拟结果分析

3.3.1 隧道边坡孔隙水压力

自然降雨前与降雨3 d 后边坡岩土体孔隙水压力等值线分布云图见图3。 未降雨前初始水位处于较低位， 孔隙水压力从下往上呈现线性增加趋势；由于初始水位线以上岩土体在模拟时设置为干燥状态并具有非饱和特性，因此上部岩土体于降雨过程中产生基质吸力，表层岩土体含水率随降雨入渗量增加而增加，其孔隙水压力亦同步增大；暴雨历时3 d 后边坡整体岩土体孔隙水压分布区间为[401 kN/m2，453 kN/m2]， 边坡基质吸力逐渐被孔隙水压力替换；对比降雨前后的边坡孔隙水压力分布规律，其隧边坡整体含水量具有显著变化，降雨影响下坡底雨水汇聚，进而形成部分饱和渗流区。

图3 不同降雨时间下边坡孔隙水压力

3.3.2 隧道边坡滑动变形

不同降雨时间下边坡总位移云图见图4（a）、图4（b），隧道边坡监测点总位移随降雨历时的变化过程见图4（c）。 隧道边坡岩土体受降雨入渗影响，位移值逐步累积增大， 降雨停止时位移最大值为141.8 mm，降雨之后虽地表水不再与地下水进行渗流交换，但位移仍然有所增加；降雨停止后的位移峰值与降雨24 h 位移峰值38.7 mm 作对比，增大了366%， 再次说明降雨影响下考虑应力—渗流耦合对边坡位移影响较大，最终边坡大变形集中于坡底至坡底往上1/3 坡长区域；由图4（c）可知，边坡坡顶与坡底两监测点位移均随降雨持续时间增加而增大，其中坡顶位移变化速率逐渐降减小，而坡底位移变化速率与之相反。

图4 边坡总位移随降雨历时发展进程 （单位：mm）

3.3.3 隧道边坡岩土体塑性区

暴雨工况下隧道边坡岩土体塑性区变化过程见图5。考虑降雨应力—渗流耦合条件下，降雨前塑性区虽贯通整个模型，但发生于坡底处的塑性应变峰值为5.2×10-3，量级较小，说明初始边坡存在潜在滑动面但不易产生滑动；隧道边坡塑性区范围随降雨历时逐渐减小，与此同时塑性应变较大值逐步增至10-2级，说明受降雨条件影响下，边坡潜在滑动面逐渐清晰且滑移风险逐步增大。

图5 隧道边坡塑性区发展历程

3.3.4 隧道边坡安全系数

有限元软件内置强度折减法按流程进行求解，分析得出暴雨工况下隧道边坡安全系数变化情况见表2。随着降雨持续时间逐渐累积，边坡安全系数值大小与减小速率分别呈现逐渐减小与增大趋势，降雨起止的安全系数分别为1.73 与0.88，两者对比下降了49%，说明边坡安全系数对于降雨时间影响因素较为敏感；按照相关边坡工程技术规范[10]可知高速公路边坡处于非正常工况（暴雨）的安全系数范围为[1.20，1.30]，对比分析得出降雨前2 d 边坡处于稳定状态，而降雨2 d 后边坡安全系数加速降低导致边坡处于失稳状态，是由于降雨3 d 后边坡岩土体已达到饱和状态，继续降雨地表水不再入渗使得地表水集中于坡底部位，伴随着水土流失导致滑坡抗力急速减小，使得边坡失去稳定，为抵御非正常情况对边坡稳定性的影响，应采取合理加固方式提高边坡稳定性。

表2 隧道边坡安全系数

4 结论

以某高速公路隧道进口边坡为分析背景，利用有限软件建立降雨渗流数值模型，分析不同暴雨时间下隧道边坡岩土体孔隙水压力、滑动位移、塑性区分布与安全系数变化规律，根据模拟数据处理结果对隧道边坡稳定性作出评价并且得出以下结论：（1）未降雨初始边坡孔隙水压力呈线性增长，水位线以上非饱和岩土体于降雨过程产生吸力，导致含水率逐步上升，其孔隙水压力同步增大；暴雨历时3 d后孔隙水压力峰值达453 kN/m2， 孔隙水压力充满边坡；边坡含水量发生显著变化，降雨汇聚形成饱和渗流区；（2）边坡位移值受降雨影响逐步增大，峰值达141.8 mm；降雨3 d 后边坡位移峰值比较于降雨1 d 增大366%，说明应力—渗流耦合对边坡位移影响较大，大变形集中于坡底至坡底往上1/3 区域；坡顶与坡底位移均随降雨历时而增大，坡顶位移变化速率逐渐降低，坡底位移变化速率逐渐上升；（3）降雨前初始边坡存在潜在滑动面，由于滑坡抗力影响边坡处于稳定；降雨进程中，边坡塑性区范围逐渐减小，而塑性应变峰值逐步增大，表明边坡滑移风险同步增大；（4）随着降雨时间累积，边坡安全系数值与减小速率分别呈现减小与增大趋势，降雨起止安全系数对比下降约为49%，边坡安全系数变化明显；降雨前2 d 边坡处于稳定，由于降雨2 d 后边坡岩土体逐渐饱和，入渗效应降低且伴随坡底水土流失，从而导致边坡失稳，应采取合理加固防护措施。