降雨入滲過程中公路邊坡含水狀態(tài)變化研究

張海蛟

(山西交通控股集團(tuán)有限公司,山西 太原 030000)

1 工程概況

1.1 工程水文地質(zhì)情況

工程位于重慶市璧山區(qū),地貌單元屬于構(gòu)造剝蝕侵蝕地貌丘陵地貌,區(qū)域地層有第四系(Q)、侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組(J2s)、下沙溪廟組(J2xs)。地層巖性由上至下分別為。

(1)第四系(Q)

沿線道路及居民點附近多分布有厚度不一的人工填土,項目路基范圍多為經(jīng)壓實的素填土,其兩側(cè)范圍多為未經(jīng)壓實的松填土,結(jié)構(gòu)松散力學(xué)性能較差,厚度3～30 m不等,變化較大。

(2)中統(tǒng)上沙溪廟組(J2s)

為紫紅色泥巖為主與砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖呈不等厚互層,夾9～14 m層灰紫色透鏡狀長石砂巖,底部為較穩(wěn)定的灰黃、灰紫紅色長石砂巖,即嘉祥寨砂巖,總厚900～1 328 m。

擬建路段穿越兩個地貌單元,河谷沖溝堆積-沖蝕地貌單元所在位置的地下水較豐富,地下水類型為松散層孔隙水,松散巖類孔隙水為巖溶洼地和背斜兩翼低洼地帶內(nèi)第四系殘坡積、崩坡積松散塊石土、碎石土、粘性土內(nèi)的孔隙水,接受大氣降水補給。該邊坡可分為粘土上層和砂質(zhì)泥巖或泥質(zhì)砂巖下層。

重慶市地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),氣候濕熱多雨。每年5～9月為雨季,多出現(xiàn)大雨、暴雨等持續(xù)強(qiáng)降雨天氣,區(qū)內(nèi)多年日平均降雨量為98.5 mm,日最大降雨量266.6 mm。根據(jù)氣象部門發(fā)布的小雨、中雨、大雨、暴雨的日降雨量,其值分別為:10 mm/d、25 mm/d、50 mm/d、100 mm/d。

1.2 模型尺寸控制及網(wǎng)格劃分

挖方邊坡最大高度25 m,最大邊坡為3級,該段邊坡為典型的覆土基巖型邊坡,上層土為較厚的含碎石雜填土,厚度3～30 m不等,變化較大,下層基巖為砂質(zhì)泥巖層,項目所在地的巖層傾角為10°～30°。三級邊坡坡率均采用1∶1削坡。

根據(jù)上述基礎(chǔ)參數(shù),建立長78.25 m、高49.5 m的邊坡有限元模型,模型寬5 m,前緣高度25 m,后緣高度49.5 m,各級邊坡間留2 m寬馬道,結(jié)構(gòu)單元劃分密度為0.5×0.5×0.5 m,坡面部分適當(dāng)加密以增加計算精度,邊坡模型如圖1所示。

圖1 工程邊坡數(shù)值模型

1.3 參數(shù)的選取

由于土體是非連續(xù)、非均質(zhì)且邊坡分為上部土體和下部基巖組成,故使用摩爾-庫倫本構(gòu)模型來模擬邊坡的彈塑性特征,具體參數(shù)根據(jù)工程地質(zhì)報告和茶園高邊坡安全專項施工方案選取,如表1所示。

表1 材料參數(shù)表

2 降雨入滲對公路邊坡的影響研究

模型滲流場初始條件為水頭邊界,降雨前地下水匱乏,水位較低,假設(shè)左側(cè)水頭距離模型底面5 m,右側(cè)水頭距模型底面10 m,邊坡模型底面設(shè)置x、y、z方向的位移約束,模型左右邊界設(shè)置x方向的位移約束,坡面設(shè)置為自由面。

2.1 降雨入滲對邊坡空隙水壓的影響研究

首先固定降雨強(qiáng)度不變,選擇達(dá)到特大暴雨等級的300 mm/d為降雨強(qiáng)度,分析降雨歷時0 d、4 d、8 d后路塹邊坡的穩(wěn)定性。

邊坡降雨強(qiáng)度在300 mm/d條件下的邊坡孔隙水壓力的變化情況,初始條件下,邊坡處于平衡狀態(tài),孔隙水壓自上而下均勻分布,呈現(xiàn)不斷增大,并由負(fù)轉(zhuǎn)正的趨勢,可以看出在未發(fā)生降雨時,邊坡表面呈現(xiàn)干燥狀態(tài),表層土水分會隨著溫度增高而不斷蒸發(fā)流失,因此邊坡表面孔隙水壓為負(fù),在重力作用下,越往下土體含水率越高[1]。隨著邊坡深處地下水的不斷增加,邊坡深部含水率在地下水的作用下不斷升高,孔隙水壓為0的地方位于地下水位線以上1～2 m處,最大負(fù)孔隙水壓位于邊坡頂部為-367 kN/m2。降雨發(fā)生后,可以明顯看出,坡表孔隙水壓從初始狀態(tài)下的負(fù)壓很快轉(zhuǎn)變?yōu)檎龎?原因在于降雨得到持續(xù)進(jìn)行,首先會在將邊坡表面的孔隙逐漸填滿,并且逐層往下滲透,此時邊坡表面在降雨條件下,含水率不斷上升,孔隙水壓也由最開始的負(fù)壓力轉(zhuǎn)變?yōu)檎龎毫?但雨水下滲是一個連續(xù)且需要一定時長才能完成得過程,越往土層深處,雨水下滲的程度越低,含水率也會降低,但在降水條件的影響下,地下水位也會隨之升高,因此可以看到一個現(xiàn)象:邊坡表面及邊坡底部含水率不斷升高,孔隙水壓力為正,邊坡中部由于雨水尚未滲透,且離地下水較遠(yuǎn),因此會存在負(fù)孔隙水壓,并且負(fù)孔隙水壓所在的區(qū)域,會隨著降雨入滲及地下水位的升高而不斷縮小。

降雨4 d后,邊坡表層孔隙水壓為正,最大負(fù)孔隙水壓位于距離坡表1.5 m處,此時的最大負(fù)孔隙水壓為-328 kN/m2,較初始狀態(tài)降低了10.6%,降雨8 d后,最大負(fù)孔隙水壓位置距離坡面4.6 m,較降雨4 d時的最大負(fù)孔隙水壓位置降低了3.1 m,表明后四天的降雨入滲速度較前四天更快,原因在于邊坡表面的孔隙分布更為廣泛密集,且孔隙較大,降雨強(qiáng)度一致的條件下,填滿所有孔隙所需的時間及降水量更大,邊坡深處,在自重的作用下,土體孔隙變小,填滿孔隙所需降雨量減小,因此相同時間跨度條件下,后4 d的入滲范圍更為廣泛。降雨至第8 d時,最大負(fù)孔隙水壓為-277 kN/m2,較降雨4 d時降低了15.5%,較初始狀態(tài)下,最大負(fù)孔隙水壓降低了24.5%,負(fù)孔隙水壓占整個邊坡的面積也較初始狀態(tài)下降低了20%。

2.2 降雨入滲對邊坡飽水區(qū)域的影響研究

通過對比邊坡初始地下水階段和降雨8 d后的邊坡飽和度云圖,可以看出邊坡含水量的變化明顯。

從邊坡初始飽和度和降雨后飽和區(qū)域面積可以看出,初始條件下,邊坡表面處于干燥狀態(tài),邊坡飽水區(qū)域僅限于地下水位附近區(qū)域,越遠(yuǎn)離地下水位,飽水程度越低,降雨8 d后,地下水位明顯上升,邊坡表層在降雨入滲的作用下,逐漸飽和,飽水面積增大,邊坡深處仍有部分區(qū)域未達(dá)到飽水狀態(tài),從飽水區(qū)域的分布情況看,邊坡表層飽水區(qū)域與坡面大致平行,因為降雨發(fā)生后,降雨沿坡面均勻下滲,在坡表前端,飽水區(qū)域與地下水連通,形成危險區(qū)域,邊坡在這種條件下,極易發(fā)生破壞,這也是常規(guī)邊坡在長時間降雨作用下,邊坡前緣往往率先發(fā)生失穩(wěn)局部破壞的原因[2]。前緣破壞失去穩(wěn)定性之后,邊坡深部由于力學(xué)平衡狀態(tài)遭到破壞,在邊坡深部會逐步形成破裂面,降雨的持續(xù)進(jìn)行,一方面降低了邊坡土體自身的粘聚力和內(nèi)摩擦力,另一方面雨水的自重附加到土體上,增加了飽水土體的自重,進(jìn)而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)[3]。從邊坡失穩(wěn)的模式可以看出,邊坡深部滑面的走向基本與坡表降水飽和面相似,證明降水與邊坡失穩(wěn)有著密不可分的關(guān)系。

邊坡飽和區(qū)域所占比例與降水呈正相關(guān)關(guān)系,未發(fā)生降雨時,在地下水作用下邊坡飽和區(qū)占比為10.5%,降雨8 d后飽和區(qū)域占比為28.3%,增加了17.8%,增加的部分均由降雨入滲導(dǎo)致。雨水在邊坡坡腳匯集使坡腳出的含水量逐漸升高,土體逐漸飽和直到降水與地下水連通,此時邊坡出現(xiàn)大量飽和滲流區(qū)。

2.3 降雨入滲對邊坡豎向位移的影響研究

分別取坡頂、坡腳及各級坡中點位置為豎向位移研究特征點,將各特征點沉降與降雨時間的關(guān)系統(tǒng)計見圖2。

圖2 邊坡特征點沉降與降雨歷時關(guān)系圖

對于特征點的豎向位移,從位移—時間曲線看出,邊坡上所選取的點的豎向位移整體趨勢是隨降雨時間的增加而增加,未降雨時坡腳的沉降為1.8 cm左右,坡頂位置的沉降10 cm左右,坡頂沉降量較坡腳沉降量多8.8 cm的原因在于重力作用下,坡腳土體孔隙率較小,坡頂由于上覆土體有限,孔隙較多,結(jié)構(gòu)松散,因此沉降也較大。隨著降雨的進(jìn)行,各個特征點上的沉降均在增加,從沉降曲線的斜率可以明顯看出,特征點的位置越靠近坡地,降雨開始時,沉降曲線的斜率越大,表明在降雨初期,雨水入滲是從上往下的,越靠近坡頂,在雨水的作用下,邊坡沉降越大,圖2數(shù)據(jù)表明:降雨2 d時,坡頂和三級邊坡中點的特征點沉降值增量在1.8 cm左右,其余各點均在1 cm以內(nèi)。隨著降雨繼續(xù),邊坡頂部的特征點豎向位移呈現(xiàn)穩(wěn)定增加的趨勢,但靠近坡腳的特征點豎向位移逐漸趨于平穩(wěn),原因在于坡底的土層厚度較小,隨著坡底雨水的不斷入滲,土體在較短的時間內(nèi)達(dá)到飽和狀態(tài),此時地下水位也在不斷上升,其沉降量所受浮力增大[4]。因此在降雨持續(xù)兩天后沉降趨于穩(wěn)定,最終穩(wěn)定在2.5 cm。坡底土體飽和后,一部分水從左側(cè)邊界滲出,同時由于降雨的持續(xù)進(jìn)行,坡面表層飽和區(qū)不斷向邊坡內(nèi)部擴(kuò)張,內(nèi)部的飽和區(qū)呈現(xiàn)“C”字型,邊坡沉降也會增大。從圖2看出,降雨4 d后,一級邊坡中點沉降穩(wěn)定4 cm;降雨6 d后二級邊坡中點沉降穩(wěn)定在7.4 cm;降雨8 d后,降雨8 d后二級邊坡中點沉降依然在增長,但增長速率速度明顯降低。整體來看,降雨入滲的結(jié)果會增大坡頂部分土體的沉降量,同時土體自身的粘聚力和內(nèi)摩擦力也會在雨水的作用下不斷降低,對邊坡而言,這種次序性的降雨入滲極易引發(fā)邊坡局部失穩(wěn),在工程中必須引起高度重視。

3 工程建議

數(shù)值模擬結(jié)果顯示,邊坡在降雨入滲的過程中,土層含水率不斷提高,地下水位上升,邊坡特征點沉降量也呈現(xiàn)增長趨勢,如果不采取邊坡防護(hù)措施,邊坡可能存在失穩(wěn)風(fēng)險,為降低降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性的影響,可采取生態(tài)護(hù)坡和設(shè)置截排水溝的方式,降低降雨過程中邊坡入滲深度和邊坡含水率。

生態(tài)護(hù)坡一般采用蜂巢格室護(hù)坡和格構(gòu)式植物護(hù)坡,即保證邊坡景觀需求的同時,也能通過植物根系穩(wěn)固邊坡土體,降低沉降,提高邊坡穩(wěn)定性。填方路基外側(cè)地表水往路基匯集時,需在坡腳設(shè)排水溝;在路塹開挖前作好坡頂排水防滲工作,當(dāng)挖方路基外側(cè)地表水往路基匯集時,需在坡頂外設(shè)臨時截水溝,并順地勢接入道路排水系統(tǒng)排出路基范圍。設(shè)置截、排水溝處,占地線距離坡頂、腳線5 m,截、排水溝緊貼占地線內(nèi)側(cè)設(shè)置。截、排水溝采用M7.5水泥砂漿砌Mu30片石,平臺及坡頂設(shè)置截水溝。

4 結(jié) 論

(1)邊坡孔隙負(fù)壓隨降雨入滲歷時天數(shù)的增加不斷降低,未發(fā)生降雨時,最大負(fù)孔隙水壓位于邊坡頂部,降雨發(fā)生后最大負(fù)孔隙水壓位置隨降雨入滲不斷降低,邊坡表面及地下水位處趨于飽和。

(2)邊坡表層在降雨入滲的作用下,逐漸飽和,飽水面積增大,邊坡深處仍有部分區(qū)域未達(dá)到飽水狀態(tài),降雨8 d后飽和區(qū)域占比為28.3%,增加了17.8%。

(3)隨著坡底雨水的不斷入滲,沉降在降雨持續(xù)兩天后趨于穩(wěn)定,最終穩(wěn)定在2.5 cm。坡底土體飽和后,一部分水從左側(cè)邊界滲出,同時由于降雨的持續(xù)進(jìn)行,坡面表層飽和區(qū)不斷向邊坡內(nèi)部擴(kuò)張,內(nèi)部的飽和區(qū)呈現(xiàn)“C”字型。

(4)工程中宜采取生物護(hù)坡及設(shè)置截排水溝的方式,降低坡表雨水入滲深度,因勢利導(dǎo)將邊坡水體排至道路邊溝,減少邊坡含水率,降低邊坡失穩(wěn)風(fēng)險。