強(qiáng)降雨入滲對(duì)既有隧道及邊坡穩(wěn)定性的影響分析

付 強(qiáng)，袁 泉

（四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

強(qiáng)降雨是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，隧道襯砌垮塌的最大誘因之一[1-2]。強(qiáng)降雨對(duì)邊坡的影響主要表現(xiàn)在會(huì)極大削弱巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)，短時(shí)間內(nèi)增大巖土體孔隙水壓力，改變?cè)羞吰碌膽?yīng)力分布。同時(shí)，在雨水的滲流作用下，邊坡圍巖發(fā)生應(yīng)力重分布，作用在隧道襯砌上的滲透水壓力和圍巖壓力不斷增加，導(dǎo)致襯砌發(fā)生大變形，甚至失穩(wěn)垮塌，這將對(duì)地下結(jié)構(gòu)和人員財(cái)產(chǎn)造成極大損失[3-4]。

目前，諸多學(xué)者采用室內(nèi)模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬對(duì)邊坡及隧道在強(qiáng)降雨作用下的力學(xué)行為進(jìn)行了研究分析。鄭俊杰等[5]發(fā)現(xiàn)膨脹土隧道在降雨入滲過程中，圍巖水平應(yīng)力增大明顯，而垂直應(yīng)力變化不大，巖土體滲透系數(shù)、膨脹系數(shù)對(duì)襯砌的應(yīng)力水平影響較大。蔣中明等[6]通過編制fish語(yǔ)言，運(yùn)用FLAC3D有限差分軟件研究得出了非飽和滲流作用下邊坡滲流規(guī)律。林國(guó)財(cái)?shù)萚7]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)得出降雨入滲對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響不僅僅發(fā)生在降雨過程中，降雨停止后，水分入滲過程延續(xù)，邊坡穩(wěn)定性持續(xù)降低，水分入滲在一定的延后時(shí)間內(nèi)繼續(xù)威脅邊坡安全。劉楊等[8]對(duì)含緩傾軟弱夾層礦山高邊坡降雨滲流特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)軟弱夾層改變了雨水的滲流路徑，在強(qiáng)降雨過程中對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響加大。

關(guān)于強(qiáng)降雨入滲對(duì)邊坡及隧道的穩(wěn)定性研究，已取得較多成果。但鮮有學(xué)者對(duì)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下，既有隧道邊坡在不同雨型作用下的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。本文結(jié)合某工程實(shí)例，建立三維有限元計(jì)算網(wǎng)格，基于非飽和滲流理論，對(duì)含軟弱夾層既有隧道邊坡及隧道襯砌進(jìn)行不同雨型作用下的滲流、穩(wěn)定分析，進(jìn)一步揭示強(qiáng)降雨雨型對(duì)邊坡及隧道穩(wěn)定性的影響規(guī)律，為類似工程提供參考。

1 計(jì)算原理

1.1 非飽和滲流計(jì)算理論

滲流應(yīng)力計(jì)算可以分為兩個(gè)部分，降雨期間，雨水不斷滲入邊坡巖體，巖體開始進(jìn)入非飽和狀態(tài)，隨著降雨量的增加，巖土體孔隙逐漸被雨水填滿，巖體最終達(dá)到飽和狀態(tài)[9-10]。降雨結(jié)束后，在水頭差作用下，巖體內(nèi)的水分逐漸向邊坡外滲流，巖體逐漸回到原來的非飽和狀態(tài)。因此，計(jì)算降雨對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響應(yīng)該考慮巖體的非飽和特性。

根據(jù)文獻(xiàn)[11]，非飽和滲流微分方程如式（1）、式（2）：

式中：kx、ky為滲透系數(shù)；H 為總水頭；Q 為降雨量；γw為水的容重；mw為單位基質(zhì)吸力變化引起的體積含水量的變化量。

方程的初始邊界條件，即t=0時(shí)，水頭分布為：

壓力水頭邊界條件為常數(shù)，可以表示為：

若已知單位面積流入的水流量q，則流量邊界條件可以表示為：

式中：n為邊界的外法線方向。

1.2 計(jì)算模型及參數(shù)

圖1為邊坡計(jì)算網(wǎng)格模型，設(shè)定邊坡高度100 m，坡頂寬度60 m，邊坡分為3級(jí)，平臺(tái)寬2 m，邊坡坡率為1∶1.7，沿隧道軸線取計(jì)算長(zhǎng)度為100 m，邊坡中的軟弱夾層厚度為6 m，巖層傾角為55°。隧道最淺埋深為7.65 m，類型屬于山嶺隧道，半徑為6 m，襯砌采用鋼筋混凝土材料，厚度為0.5 m。軟弱夾層上部為風(fēng)化較為嚴(yán)重的裂隙巖體，下部為微風(fēng)化砂巖。隧道襯砌采用二維板單元進(jìn)行模擬，采用彈性本構(gòu)模型，其余材料均采用三維實(shí)體單元、摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型，整個(gè)計(jì)算模型共劃分為31 158個(gè)網(wǎng)格單元。材料物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖1 模型計(jì)算網(wǎng)格

表1 物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)

巖體水土特征函數(shù)采用Van Genuchten模型[12]，各材料參數(shù)見表2。其中，θs為飽和體積含水率，θr為殘余體積含水率，a和n為模型經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

表2 材料土水特征擬合參數(shù)

本文對(duì)邊坡和隧道襯砌的計(jì)算分析共設(shè)置3種工況，分別對(duì)應(yīng)降雨類型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，降雨持續(xù)時(shí)間和雨量分布如表3所示。

表3 計(jì)算工況

1.3 邊界條件設(shè)置

模型邊界條件有兩類：第一類邊界條件是初始邊界條件，模型底部和4個(gè)側(cè)面均設(shè)置固定鉸支座，在模型x軸坐標(biāo)為零處的坡頂設(shè)置初始水位為60 m，在x軸坐標(biāo)為100處的坡腳設(shè)置初始水位20 m，模擬初始滲流場(chǎng)，將初始滲流場(chǎng)和重力場(chǎng)疊加，得出初始應(yīng)力場(chǎng)；第二類邊界條件是降雨邊界條件，降雨邊界條件是通過在坡面施加面流量模擬降雨過程，雨量隨時(shí)間的變化由降雨函數(shù)進(jìn)行控制，水流入滲方向垂直于坡面。

2 強(qiáng)降雨對(duì)邊坡的影響分析

2.1 邊坡孔隙水壓力分析

圖2為降雨前邊坡初始滲流場(chǎng)孔隙水壓力分布云圖。由圖可知，在初始水頭作用下，邊坡內(nèi)部產(chǎn)生穩(wěn)定滲流，坡底最大孔隙水壓力值為490 kPa，此時(shí)坡頂及坡面的各處孔隙水壓力均為負(fù)值，處于未飽和狀態(tài)。

圖2 邊坡初始孔隙水壓力云圖

圖3為降雨72 h后邊坡孔隙水壓力分布云圖。由圖可知，降雨過程對(duì)邊坡孔隙水壓力分布影響較大，坡頂及坡面監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力較降雨前明顯增加。特別是工況3中，邊坡各監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力增幅尤為明顯。由于砂巖滲透系數(shù)較小，降雨入滲相對(duì)困難，坡面砂巖巖體孔隙水壓力為正值，表明坡面將形成地表徑流，而砂巖內(nèi)部孔隙水壓力受降雨影響較小，在坡面埋深12 m以下仍然存在大部分非飽和區(qū)；裂隙巖體由于滲透系數(shù)較大，降雨加快入滲，降雨對(duì)裂隙巖體內(nèi)部孔隙水壓力影響較大，在坡面難以形成徑流。

圖3 降雨72 h邊坡孔隙水壓力云圖

圖4為降雨結(jié)束48 h后邊坡孔隙水壓力云圖。從圖中可知，工況1邊坡孔隙水壓力消散速度最快，工況2次之，工況3孔隙水壓力消散速度最慢。不同巖體，內(nèi)部孔隙水壓力消散速度也不同，裂隙巖體孔隙水壓力的消散速度要明顯大于砂巖。

圖4 雨后48 h邊坡孔隙水壓力云圖

2.2 邊坡位移分析

圖5為邊坡位移隨時(shí)間的變化曲線。從圖中可知，隨著降雨時(shí)間的持續(xù)，邊坡橫向位移和豎向位移均不斷增大，降雨結(jié)束后，邊坡位移逐漸趨于平緩。其中，由于孔隙水的滲透作用，降雨對(duì)邊坡橫向位移影響最大。而邊坡的豎向位移在降雨作用下短時(shí)增長(zhǎng)幅度較大，后期隨著降雨的持續(xù)增長(zhǎng)放緩，降雨結(jié)束后逐漸穩(wěn)定。降雨持續(xù)72 h后，工況1、工況2、工況3邊坡的橫向位移分別達(dá)到了 26.4 mm、32.3 mm、48.1 mm，工況所對(duì)應(yīng)的的豎向位移分別為33.2 mm、34.9 mm、39.7 mm。

圖5 降雨引起的邊坡位移

2.3 邊坡安全系數(shù)分析

圖6為邊坡塑性區(qū)分布云圖。從圖中可知，邊坡塑性區(qū)集中分布在軟弱夾層區(qū)域，表明邊坡易沿著軟弱夾層發(fā)生滑移。

圖6 工況3邊坡塑性區(qū)分布云圖

邊坡安全系數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖7所示。由圖可知，邊坡安全系數(shù)的變化與降雨類型和降雨時(shí)間密切相關(guān)。降雨前邊坡安全系數(shù)為1.6，降雨后，工況3邊坡安全系數(shù)削弱最為明顯，在降雨持續(xù)72 h后減小至1.11，工況1和工況2邊坡安全系數(shù)分別在36 h和60 h達(dá)到最低值1.22和1.26。隨著雨強(qiáng)的減弱，邊坡安全系數(shù)逐漸增加。工況1和工況2邊坡安全系數(shù)在降雨停止后能基本恢復(fù)至降雨前的水平，而工況3邊坡安全系數(shù)在降雨后發(fā)生小幅度上升，雨后48 h邊坡安全系數(shù)僅為1.3。

圖7 邊坡安全系數(shù)隨時(shí)間的變化

3 強(qiáng)降雨對(duì)隧洞的影響分析

3.1 隧洞襯砌最大拉應(yīng)力分析

圖8為降雨72 h后隧道襯砌最大拉應(yīng)力云圖。由圖可知，降雨72 h后隧道襯砌將產(chǎn)生較明顯的拉應(yīng)力，拉應(yīng)力區(qū)均位于軟弱夾層帶附近，分別發(fā)生在相應(yīng)襯砌區(qū)域的頂拱位置以及邊墻與仰拱連接處。

圖8 降雨72 h后隧道襯砌最大拉應(yīng)力云圖

圖9為不同雨型作用下隧道襯砌最大拉應(yīng)力隨時(shí)間的變化規(guī)律。從圖中可知，隨著降雨時(shí)間的持續(xù)，隧道襯砌拉應(yīng)力不斷增加，待降雨結(jié)束后逐漸趨于穩(wěn)定。工況3隧道襯砌最大拉應(yīng)力增幅最為明顯，降雨結(jié)束后，襯砌最大拉應(yīng)力仍略有增大，降雨結(jié)束48 h后最大拉應(yīng)力值為5.74 MPa；其他兩類工況中，隧道襯砌最大拉應(yīng)力值較為接近，均在5.1 MPa左右。

圖9 隧道襯砌最大拉應(yīng)力隨時(shí)間的變化

3.2 隧道襯砌位移分析

圖10為降雨前后工況3隧道襯砌橫向位移云圖。從圖中可知，降雨將導(dǎo)致隧道襯砌裂隙巖體段發(fā)生較大橫向位移，最大橫向位移分布在襯砌的邊墻與仰拱交接處及頂拱位置。最大位移差值達(dá)到了31.10 mm。

圖10 降雨72 h后工況3隧道襯砌橫向位移云圖

圖11為不同雨型作用下隧道襯砌位移變化規(guī)律。從圖中可知，強(qiáng)降雨將導(dǎo)致隧道襯砌產(chǎn)生不同程度的橫向及豎向位移。在孔隙水滲流壓力作用下，隧道襯砌橫向位移同樣大于同種工況下襯砌的豎向位移。工況3隧道襯砌的橫向、豎向位移最為顯著，分別達(dá)到30.10 mm及12.70 mm；工況1和工況2隧道襯砌的橫向、豎向位移值相近，分別約19.90 mm、9.60 mm左右。

圖11 不同雨型作用下隧道襯砌位移

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)不同降雨類型下邊坡的滲流穩(wěn)定及隧道襯砌的位移、應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析，得出以下結(jié)論：

a）強(qiáng)降雨對(duì)邊坡巖體孔隙水壓力的影響與降雨類型、降雨時(shí)間及巖體自身的滲透性有很大關(guān)系，降雨強(qiáng)度越大、歷時(shí)越長(zhǎng)，一定深度范圍內(nèi)邊坡巖體孔隙水壓力增長(zhǎng)速度越快；降雨影響的范圍越淺，邊坡滲透系數(shù)越小，巖體孔隙水壓力消散越慢。

b）降雨類型對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響較大，在最高雨強(qiáng)一定時(shí)，短時(shí)降雨量越多，邊坡位移量越大，穩(wěn)定性越差，邊坡安全系數(shù)大小排序?yàn)楣r1＞工況2＞工況3。

c）降雨將導(dǎo)致巖體孔隙水壓力向坡面外發(fā)生滲流，從而引起裂隙巖體沿軟弱夾層發(fā)生滑移，隧道襯砌在軟弱夾層區(qū)域?qū)l(fā)生較為明顯的橫向位移，在襯砌區(qū)域的頂拱位置以及邊墻與仰拱連接處產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)極為不利。