探究降雨條件下路基邊坡滲流情況

李 樹 軍

(太原市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030002)

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探究降雨條件下路基邊坡滲流情況

李 樹 軍

(太原市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030002)

結(jié)合巖土飽和—非飽和滲流理論，并采用有限元軟件，模擬分析了不同降雨條件下路基邊坡的孔隙水壓力變化、滲流場和含水率的分布情況，結(jié)果表明：當(dāng)降雨強(qiáng)于飽和滲透系數(shù)時(shí)，隨時(shí)間的增加入滲深度逐漸向下推移，而推移深度也會(huì)不斷加大；當(dāng)降雨強(qiáng)度小于土壤入滲能力時(shí)，入滲速度慢；裂縫的存在對(duì)降雨入滲過程中孔隙水壓力和含水率分布有很大的影響。

路基邊坡，降雨入滲，有限元分析，裂隙

1 概述

路基邊坡在降雨條件下，雨水直接沖刷路基，還可以通過路基肩部和路面裂縫滲透土壤，很有可能會(huì)引起土壤吸力消失或削弱，邊坡土體的抗剪力也會(huì)隨之減小，從而導(dǎo)致塌方、滑坡等一系列災(zāi)害出現(xiàn)。由此可以看出，雨水下滲會(huì)改變流場及土體抗剪強(qiáng)度。所以需要建立雨水下降模型，研究邊坡變化規(guī)律，這對(duì)于路基邊坡的塌方、滑坡的預(yù)防與應(yīng)對(duì)，提高路基邊坡的穩(wěn)定性與安全性均具有積極的參考意義。例如，其對(duì)邊界條件、坡形、降雨強(qiáng)度以及歷時(shí)都有詳細(xì)的記載。非飽和降雨入滲的研究共經(jīng)歷一維、二維和三維三個(gè)階段。首先是由Richards將Darcy 定律引用至非飽和滲流的研究中，并結(jié)合質(zhì)量守恒定律,建立了非飽和滲流的Richards模型。張華模擬一維，二維數(shù)值，論證在降雨過程中的變化和水的孔隙壓力的再分配。劉建軍對(duì)影響降雨的主要因素進(jìn)行研究，在飽和—非飽和滲流理論的基礎(chǔ)上，通過有限元形式模擬地下水。如果在降雨較強(qiáng)的情況下，邊坡地下水壓力水頭、水頭變化、滲流量以及路基邊坡穩(wěn)定系數(shù)的變化都會(huì)很大。通過研究得出的結(jié)論是，上述指標(biāo)在不考慮干燥土壤裂縫條件下，降雨并未對(duì)路基邊坡面造成明顯影響。在建立降雨入滲模型時(shí)，必須將裂縫分析也納入考慮范圍內(nèi)。并結(jié)合模擬降雨條件下路基邊坡滲流場和水分分布的有限元軟件，基于飽和—非飽和滲流理論，加之已有的理論和參數(shù)輔導(dǎo)，降雨持續(xù)時(shí)間、強(qiáng)度、孔隙水壓力以及含水率之間的聯(lián)系變化進(jìn)行比較分析，并就邊坡滲流場的變化規(guī)律進(jìn)行深入探討。

2 飽和—非飽和滲流理論

2.1 飽和—非飽和土滲流基本方程

路基邊坡通常情況下可分為兩個(gè)區(qū)域，即地下水位之上的非飽和區(qū)及水位處的飽和區(qū),如果邊坡區(qū)域存在雨水下滲情況，在對(duì)水土移位過程中的滲流問題處理時(shí)，又需分成非飽和及二維飽和兩種情況分別進(jìn)行考慮。令mw=δθw/δuw，其中控制變量為總水頭ψw,那么二維Richards滲流控制方程表示如下：

其中，ψw為非飽和土總水頭；θw為土壤體積含水量，cm3/cm2；Kx(θ),Ky(θ)均為非飽和土壤導(dǎo)水率,cm2/min；ρw為水的密度。

2.2 降雨入滲研究理論

降雨入滲是動(dòng)態(tài)、持續(xù)不斷的過程，與土壤初始水分、降雨持續(xù)時(shí)間、強(qiáng)度、土壤性質(zhì)、吸水條件以及入滲坡度等均有密切的關(guān)聯(lián)。通過對(duì)土壤性質(zhì)與降雨強(qiáng)度之間聯(lián)系的分析研究，可以得出多種滲流形式，并為邊坡上水壓力、初始含水量以及流量的確定提供有效的參考依據(jù)。邊界條件模式一般情況下主要有以下兩種：第一種情況是當(dāng)土壤入滲能力大于降雨強(qiáng)度時(shí)，總降雨入滲。第二種情況是土壤入滲能力小于降雨強(qiáng)度時(shí)，局部降雨入滲。降雨初始期間，由于地表水梯度較大，降雨入滲率較高。這個(gè)期間段也可看作是流量控制段，能夠?qū)⒂曜杂苫驘o壓進(jìn)行滲透；并隨水體梯度不斷變化。如果土壤區(qū)域飽和，坡度也不斷縮小，則會(huì)使水頭邊界條件發(fā)生轉(zhuǎn)變，形成地表徑流。所以，降雨具體入滲量在很大程度上是由土壤初始水分、降雨持續(xù)時(shí)間、強(qiáng)度、土壤性質(zhì)、吸水條件以及入滲坡度所決定。詳情如圖1所示。

3 數(shù)值模擬與分析

3.1 計(jì)算模型、邊界條件

如圖2所示，以某路基邊坡剖面為對(duì)象，作有限元處理。其中邊坡為分臺(tái)階填筑,邊坡比例為1∶1。圖中為高填邊坡，高度可達(dá)20 m。路基土體全都采用均質(zhì)土。路基底部為地下水位,土體飽和含水率達(dá)到38%。一般情況下，路基邊坡坡頂及坡面含水率為20%。

3.2 計(jì)算參數(shù)

依據(jù)Fredlund 數(shù)據(jù)庫，計(jì)算模型的滲透性與土水特征曲線，其中飽和的滲透系數(shù)為1×10-6m/s。

3.3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.3.1 邊坡無裂隙條件

1)非飽和降雨情況下, 流量邊界降雨強(qiáng)度為R=1×10-7m/s,孔隙水壓力土體含水率均無明顯變化,降雨歷時(shí)如果達(dá)到9 d，則水氣遷移深度可達(dá)4 m,遷移速度也會(huì)變小，從而導(dǎo)致下浸潤速度放緩。水分變化率會(huì)降低至21.5%～23%,入滲量也會(huì)不斷減少。由此可以看出，影響邊坡安全性與穩(wěn)定性的主要因素在于隨降雨入滲土體重度變化而變化的土壓力。非飽和降雨情況下，并未對(duì)路基邊坡造成很大影響。2)靜水情況下，路基邊坡降雨入滲飽和深度達(dá)到2 m,2 m以下孔隙水壓力及含水率有很大起伏。含水率與初始孔壓分布為3 d，到達(dá)9 d后路基邊坡飽和區(qū)域土層能夠達(dá)到3 m。

3.3.2 邊坡有裂隙條件

如果邊坡已有裂縫出現(xiàn)，此時(shí)就需通過路肩排水溝對(duì)裂縫的具體情況進(jìn)行模擬。雨水剛降時(shí)就需考慮裂縫的設(shè)計(jì)，使其能夠始終處于飽和狀態(tài)，以確保降雨時(shí)能夠通過裂縫先行下滲到土壤中。結(jié)果表明：1)降雨時(shí)，通過裂縫下滲能夠在2 h內(nèi)使裂隙達(dá)到飽和狀態(tài)。一般情況下，孔隙體積往往在1內(nèi)，含水率通常在28%～22%上下波動(dòng)。而在1.8內(nèi)，其含水率與水壓力均有較大起伏。且如果降雨歷時(shí)較長，受水分分布區(qū)域的制約，濕峰將會(huì)不

斷向下位移，此時(shí)對(duì)比非飽和土壤，排水溝裂隙滲流情況就會(huì)不斷削弱，從而使得雨水不斷向裂隙水下滲。如果滲流情況已經(jīng)持續(xù)到10 h，孔隙壓力與斷裂帶水分分布情況的聯(lián)系也會(huì)越發(fā)緊密。其中，飽和裂隙對(duì)于雨水下滲過程中的水分坡度也有著直接的關(guān)聯(lián)。2)非飽和土在降雨入滲條件下，小路基邊坡水分分布變化所引起的流量邊界條件。如果排水溝內(nèi)的積水向裂隙中下滲，則會(huì)使得路基內(nèi)的水分分布情況發(fā)生改變，其中坡頂向下5 m處時(shí)間的變化最為明顯。 此時(shí)對(duì)土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響是受入滲影響土體重度由含水量增加而增長的主動(dòng)土壓力，其增長量大于無裂隙條件下，裂隙處的靜水壓力及揚(yáng)壓力，以及達(dá)到飽和時(shí)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的降低。

1)路基邊坡降雨滲流規(guī)律與土壤性質(zhì)、降雨持續(xù)時(shí)間、強(qiáng)度均有著直接的關(guān)聯(lián)。初期干土往往具有很強(qiáng)的滲透速度及基質(zhì)，而由于時(shí)間的推移，路基表面土壤不斷趨于飽和狀態(tài)，水分梯度減小，土壤入滲力及吸力均不斷下降，出現(xiàn)積水狀況。隨著降雨歷時(shí)的增加，土壤飽和區(qū)的膨脹，會(huì)影響路基邊坡的穩(wěn)定性。2)當(dāng)邊界條件的變化，即低滲填土的流動(dòng)邊界條件，在路基邊坡含水量變化不大的情況下，短期降雨強(qiáng)度的分布對(duì)于路基的安全性不會(huì)產(chǎn)生很大的不利影響。3)路堤較高時(shí)，如果降雨歷時(shí)較長，很容易形成滲流場，水位會(huì)上升使邊坡不利于穩(wěn)定性，會(huì)加速過渡飽和區(qū)的形成。上排水與土壤軟化會(huì)造成山體滑坡等災(zāi)害。所以在高填方路基施工應(yīng)設(shè)計(jì)排水管道及排水墊層。4)如果路基開裂產(chǎn)生裂隙，在雨水的作用下，會(huì)使得裂隙周邊土壤發(fā)生巨大轉(zhuǎn)變，直接影響到邊坡的安全性與可靠性。所以，第一次填筑路基時(shí)，完成開挖后，即可對(duì)路基表面進(jìn)行封閉處理，以免因降雨滲流導(dǎo)致路基膨脹，產(chǎn)生裂隙。此外，還需做好路基的日常保養(yǎng)與維護(hù)工作，加強(qiáng)巡視與檢查，對(duì)于路面開裂情況早發(fā)現(xiàn)早處理，盡可能的避免出現(xiàn)因路面開裂損害路基的情況，以提高路基的安全性與穩(wěn)定性。

[1] 劉建軍,熊 俊,何 翔.降雨條件下巖土飽和—非飽和滲流分析[J].巖土力學(xué),2004(2)：39-41.

[2] 姚海林,鄭少河,李文斌,等.降雨入滲對(duì)非飽和膨脹土邊坡穩(wěn)定性影響的參數(shù)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2002(7)：43-44.

[3] 吳宏偉,陳守義,龐宇威.雨水入滲對(duì)非飽和土坡穩(wěn)定性影響的參數(shù)研究[J].巖土力學(xué),1999(1)：77-78.

[4] 譚 波,鄭健龍,余文成.降雨條件下膨脹土路塹邊坡滲流分析[J].中外公路,2009(2)：160-161.

[5] 陳祖煌.土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析——原理、方法、程序[M].北京:中國水利水電出版社,2003.

[6] 沙慶林.高速公路瀝青路面早期破壞現(xiàn)象與防治[M].北京：人民交通出版社,2000.

[7] 姚祖康.公路排水設(shè)計(jì)手冊[M].北京:人民交通出版社,2002.

Inquiry on subgrade slope seepage conditions under rainfall condition

Li Shujun

(TaiyuanAcademyofCityPlanning&Design,Taiyuan030002,China)

Combining with geotechnical saturated and unsaturated infiltration theory, applying finite element software, the paper simulates and analyzes subgrade slope pore-water pressure change, seepage field and moisture ratio distribution conditions under different rainfall conditions. Results show that: when the rainfall is stronger than saturated seepage coefficient, the infiltration depth will gradually develop with the time increasing, while the developing depth will gradually increase, when the rainfall strength is smaller than soil infiltration capability, the infiltration speed will reduce, and the cracks will have great impact upon pore-water pressure and moisture ratio distribution in rainfall infiltration process.

subgrade slope, rainfall infiltration, finite element analysis, crack

1009-6825(2016)28-0132-02

2016-07-20

李樹軍(1983- )，男，工程師

U416.1

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