降雨入滲對隧道的影響數(shù)值分析

喬 俊

（山西省交通建設(shè)工程監(jiān)理總公司，山西 太原 030012）

目前，工程中的降雨入滲問題主要集中在邊坡的穩(wěn)定性研究上[1-4]，而對隧道在降雨入滲條件下的影響研究較少。巖土體在長期強降雨作用下，由于雨水的滲入深度較深，降雨影響范圍內(nèi)土中基質(zhì)吸力降低，同時土體遇水軟化，強度參數(shù)降低，這對隧道的穩(wěn)定性是不利的[5-6]。因此，研究降雨條件下降雨影響深度以及土體軟化程度顯得尤為重要，并具有實際工程意義。

本文采用有限差分軟件FLAC3D，對隧道的降雨入滲過程進(jìn)行模擬，研究了降雨影響深度以及降雨對土體軟化效應(yīng)的影響，并與頂部產(chǎn)生積水坑后的工況進(jìn)行比較。

1 數(shù)值計算模型建立

為減小邊界效應(yīng)的影響，模型寬度取100 m，隧道底部至模型下邊界30 m，埋深10 m，數(shù)值計算模型如圖1所示。對模型四周施加法向約束，并將底部固定，模型四周及底部均設(shè)置為不透水邊界，頂部設(shè)置為降雨邊界條件。

巖土體采用Mohr-Coulomb模型，彈性模量為10 MPa，泊松比為 0.42，天然密度 1 890 kg/m3，滲透系數(shù)為1.02×10-4cm/s。數(shù)值模擬中，假設(shè)地表在很短時間內(nèi)達(dá)到飽和，因此固定地表孔隙水壓力為零來模擬定壓力入滲邊界?？紤]地下水位埋深較深，整個模型范圍內(nèi)均處于非飽和狀態(tài)，由于地表處土體較為干燥，含水率低，因此地表處孔隙水壓力最小，往地層深處含水率逐漸增大，孔隙水壓力逐漸增大；土體強度參數(shù)值自上而下逐漸減小。

圖1 數(shù)值計算模型

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 降雨影響深度分析

此處取持續(xù)降雨48 h后的計算結(jié)果進(jìn)行分析。持續(xù)降雨48 h后的孔隙水壓力、土體強度參數(shù)分布如圖2所示。從圖中可以看出，降雨過程中，浸潤峰線向下推進(jìn)，近地表土體由于得到降水的補給，含水率上升很快，基質(zhì)吸力減小明顯。從圖2可以看出降雨48 h后的影響深度大致為12 m。

2.2 土體強度參數(shù)變化分析

持續(xù)降雨48 h后的土體強度參數(shù)分布如圖3所示，從中可以看出，由于近地表土體含水率上升較快，土體強度參數(shù)減小明顯。隧道垂直中軸線上土體強度參數(shù)與深度的關(guān)系曲線如圖4所示，其中_i表示初始值；_n表示當(dāng)前值。拱頂處摩擦角由初始的15.1°減小為13.5°，減小了10.6%；拱頂黏聚力由初始的41.6 kPa減小到37.1 kPa，減小了10.8%。說明降雨入滲較大程度地降低了土體的強度參數(shù)。

圖2 降雨48 h后孔隙水壓力分布云圖

圖3 降雨48 h后土體強度參數(shù)分布云圖

圖4 降雨48 h后隧道垂直中軸線上土體強度參數(shù)隨深度變化曲線

2.3 頂部積水坑對圍巖強度影響

在長期持續(xù)強降雨作用下，地表坡體處土體滑塌形成積水坑，由于積水坑的存在，增大了降雨入滲面積，使得大量雨水浸入隧道，易造成隧道坍塌。因此，此處考慮積水坑形成后的入滲情況以及圍巖強度的變化。圖5為考慮積水坑條件下，持續(xù)降雨48 h后的孔隙水壓力分布圖。從圖中可以看出，由于積水坑的存在，降雨浸潤峰線呈現(xiàn)出弧形，即積水坑正下方浸入深度最大，達(dá)到22 m，隧道大面積浸水。

圖5 降雨48 h后孔隙水壓力分布云圖

隧道垂直中軸線上土體強度參數(shù)與深度的關(guān)系曲線如圖6所示，其中_y表示有積水坑工況；_w表示無積水坑工況?？梢钥闯?，有積水坑較無積水坑工況下，圍巖強度參數(shù)明顯降低。有積水坑時，降雨48 h后，拱頂處摩擦角由初始的15.1°減小為10.4°，減小了24.5%；拱頂黏聚力由初始的41.6 kPa減小到27.2 kPa，減小了34.6%，可以看出積水坑的出現(xiàn)極大地降低了隧道圍巖強度，隧道穩(wěn)定性顯著降低。

圖6 有積水坑時隧道垂直中軸線上土體強度參數(shù)隨深度變化曲線

3 結(jié)論

本文運用有限差分軟件FLAC3D對隧道在降雨入滲條件下的降雨影響深度及土體遇水軟化程度進(jìn)行分析。數(shù)值模擬結(jié)果及相關(guān)結(jié)論如下：

a）采用本文提出的非飽和滲流數(shù)值模擬方法，可以較好地模擬降雨條件下的非飽和滲流過程，相關(guān)計算結(jié)果可為相關(guān)工程提供參考。

b）持續(xù)強降雨對隧道安全性和穩(wěn)定性影響很大，降雨48 h后降雨影響深度達(dá)到12 m，且降雨影響范圍內(nèi)，非飽和區(qū)基質(zhì)吸力及土體強度參數(shù)明顯減小。

c）隧道頂部產(chǎn)生積水坑后，增加了降雨入滲面積，積水坑下部雨水浸入深度較無積水坑時顯著增大；同時土體軟化程度明顯變大，隧道不穩(wěn)定性增加。