降雨影響下既有公路隧道洞口邊坡穩(wěn)定性評價

■黃景川

（萬順通集團有限公司，漳州 363000）

“水”是生命的重要組成部分，但在建設工程中扮演著挑戰(zhàn)與困難的角色，據(jù)自然資源局有關多年地質(zhì)災害統(tǒng)計表明，滑坡約占“半壁江山”，而其中絕大多數(shù)邊坡失去穩(wěn)定是由于受到地表水與地下水的影響[1]。 地下水與地表水可借助巖土體孔隙等進行滲流交換，而地表水主要來源之一即是自然降雨，巖土體多處于非飽和狀態(tài)，鑒于非飽和土滲流問題，應針對應力—滲流相互影響下隧道邊坡穩(wěn)定性進行分析，確保施工與運營期間安全性[2]。 隧道進出洞口的邊仰坡穩(wěn)定性是公路安全運輸?shù)年P鍵，需確保在不同影響因素條件下隧道邊坡穩(wěn)定性。 目前國內(nèi)外學者已對降雨條件下考慮應力—滲流耦合的隧道邊坡展開了一些研究，程鑫等[3]以某實際隧道工程為背景，建立有限元數(shù)值模型研究堆積層邊坡與隧道間的相互作用，探討降雨入滲影響下的隧道支護結(jié)構(gòu)以及堆積層坡體受力變形時空特征；豆紅強等[4]利用編程語言對ABAQUS 軟件進行二次開發(fā)，考慮到降雨相關參數(shù)影響，設置球狀風化體類土質(zhì)邊坡降雨滲流模型，對其穩(wěn)定性研究展開研究；洪心怡等[5]采用合理非飽和土彈塑性本構(gòu)模型，構(gòu)建水—土—氣三相耦合滲流分析法，進一步描述降雨條件下非飽和土邊坡滲透—變形特性；翟淑花等[6]針對降雨入滲作用下的密實細顆粒以及松散碎石體邊坡穩(wěn)定性展開分析，籌劃開展坡體失穩(wěn)室內(nèi)模型試驗，以坡度、密實度、植被覆蓋率與物質(zhì)構(gòu)成等多角度多層面總結(jié)出邊坡穩(wěn)定性影響程度大小。 當前降雨條件下邊坡穩(wěn)定性影響因素已有了系統(tǒng)總結(jié)，本研究結(jié)合某地區(qū)自然降雨歷年報告數(shù)據(jù)，以該地區(qū)某高速公路隧道進口邊坡為分析對象，利用有限元分析法對不同降雨時間條件下的邊坡孔隙水壓力、滑動變形、塑性區(qū)及安全系數(shù)的變化趨勢進行歸納分析， 以此評價隧道邊坡穩(wěn)定性。

1 工程簡介

本研究選取某高速公路隧道進洞口處自然邊坡作為分析對象，區(qū)域周邊地層巖性復雜多變，以中—弱風化砂質(zhì)泥巖為主，巖土體節(jié)理發(fā)育且較為軟弱，其隧道修建期間評價為軟弱圍巖隧道，在多因素影響下隧道洞口位置采取加強支護，在強降雨等外界自然因素影響下，不僅要確保隧道本身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，也要保證隧道洞口邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2 邊坡應力—滲流耦合理論

早期達西建立流量與長度關系式，其核心為飽和滲流理論，僅考慮土體空氣完全被流體充滿，將巖土體視為土—水二相體， 由于巖土體存在土—水—氣三相狀態(tài)，更為準確的滲流理論應為飽和—非飽和滲流理論。

2.1 自然降雨量與滲流量關系

降雨入滲屬于垂直入滲，巖土體中含水率與入滲深度存在典型關系，主要探究自然降雨以及入滲補給典型關系，明確多少自然降雨量轉(zhuǎn)化為地下水滲流量，其邊坡自然降雨入滲曲線表現(xiàn)為變化速率逐漸降低的曲線，建立起自然降雨量與實際邊坡滲流量的關系為[7]：

式（1） 中：Rr 降雨入滲量，m；T 為自然降雨時間，d；qn（t）為邊坡垂直面降雨強度，m/d；Rn（t）為邊坡任意方向最大滲流量的法向分量，m/d。

2.2 非飽和巖土體滲流理論

據(jù)非飽和滲透系數(shù)與土水特征曲線之間聯(lián)系確定巖土體非飽和降雨滲流特征， 常用方法有Van-Genuchten 與Fredlund 模型， 其中GTS NX 軟件內(nèi)置VG 模型，主要計算方程為[8]：

式（2）中：h（θ）為巖土體基質(zhì)吸力，N；θ、θs、θr為巖土體含水率、飽和含水率、殘余含水率，%； a、n、m 為方程非線性回歸系數(shù)，m=1-1/n；K（h）、Ks 為非飽和、飽和導水率，m/d。

2.3 應力—滲流耦合理論

將邊坡視為連續(xù)孔隙介質(zhì)，基于有效應力原理滲流相關問題研究中存在內(nèi)外應力，通過控制方程的建立， 求解巖土體降雨形成的應力—滲流耦合方程，利用相應關系進行簡化，聯(lián)立得出流—固體問題中的應力—滲流耦合方程為[9]：

3 降雨影響下隧道進口邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 模型建立

利用軟件構(gòu)建隧道進口段—邊坡3D 模型，模型大小為x×y×z（194 m×30 m×54 m），模型對稱布設，隧道拱頂距上表面10.5 m，周邊巖土體采用3D實體單元模擬（M-C 本構(gòu)），初期支護、錨桿與二襯分別采用殼單元、桁架單元與實體單元（彈性本構(gòu)），初期支護中噴混與鋼筋網(wǎng)等進行組合計算進行模擬，隧道處于使用階段，模擬前應進行初始狀態(tài)計算，以曲面流量模擬地表滲流邊界，下邊界不透水，前后左右與下邊界均設置位移限制，整體添加重力。巖土體與支護結(jié)構(gòu)力學參數(shù)見表1，隧道邊坡3D 網(wǎng)格模型與邊界條件見圖1（由于模型對稱可簡化數(shù)據(jù)處理，本研究僅分析最不利截面—隧道進口處左邊坡斷面）。

圖1 隧道邊坡模型及邊界條件設置

表1 隧道邊坡巖土體與支護物理力學參數(shù)

3.2 降雨工況設置

降雨類型可具體分為2 類，分別為短期與長期降雨，分析該區(qū)域水文地質(zhì)條件與歷年降雨統(tǒng)計情況，最不利情況下降雨時間達長期降雨類型，其降雨持續(xù)時間為3 d，以24 h 降雨量劃分降雨強度，區(qū)域24 h 降雨量峰值可達86 mm，表現(xiàn)為暴雨，本研究將降雨強度恒定為86 mm（最不利情況為暴雨），變量為降雨持續(xù)時間，數(shù)值模擬中邊坡安全系數(shù)按強度折減法計算具體過程見圖2。

圖2 隧道邊坡安全系數(shù)求解過程

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.3.1 隧道邊坡孔隙水壓力

自然降雨前與降雨3 d 后邊坡巖土體孔隙水壓力等值線分布云圖見圖3。 未降雨前初始水位處于較低位， 孔隙水壓力從下往上呈現(xiàn)線性增加趨勢；由于初始水位線以上巖土體在模擬時設置為干燥狀態(tài)并具有非飽和特性，因此上部巖土體于降雨過程中產(chǎn)生基質(zhì)吸力，表層巖土體含水率隨降雨入滲量增加而增加，其孔隙水壓力亦同步增大；暴雨歷時3 d 后邊坡整體巖土體孔隙水壓分布區(qū)間為[401 kN/m2，453 kN/m2]， 邊坡基質(zhì)吸力逐漸被孔隙水壓力替換；對比降雨前后的邊坡孔隙水壓力分布規(guī)律，其隧邊坡整體含水量具有顯著變化，降雨影響下坡底雨水匯聚，進而形成部分飽和滲流區(qū)。

圖3 不同降雨時間下邊坡孔隙水壓力

3.3.2 隧道邊坡滑動變形

不同降雨時間下邊坡總位移云圖見圖4（a）、圖4（b），隧道邊坡監(jiān)測點總位移隨降雨歷時的變化過程見圖4（c）。 隧道邊坡巖土體受降雨入滲影響，位移值逐步累積增大， 降雨停止時位移最大值為141.8 mm，降雨之后雖地表水不再與地下水進行滲流交換，但位移仍然有所增加；降雨停止后的位移峰值與降雨24 h 位移峰值38.7 mm 作對比，增大了366%， 再次說明降雨影響下考慮應力—滲流耦合對邊坡位移影響較大，最終邊坡大變形集中于坡底至坡底往上1/3 坡長區(qū)域；由圖4（c）可知，邊坡坡頂與坡底兩監(jiān)測點位移均隨降雨持續(xù)時間增加而增大，其中坡頂位移變化速率逐漸降減小，而坡底位移變化速率與之相反。

圖4 邊坡總位移隨降雨歷時發(fā)展進程 （單位：mm）

3.3.3 隧道邊坡巖土體塑性區(qū)

暴雨工況下隧道邊坡巖土體塑性區(qū)變化過程見圖5?？紤]降雨應力—滲流耦合條件下，降雨前塑性區(qū)雖貫通整個模型，但發(fā)生于坡底處的塑性應變峰值為5.2×10-3，量級較小，說明初始邊坡存在潛在滑動面但不易產(chǎn)生滑動；隧道邊坡塑性區(qū)范圍隨降雨歷時逐漸減小，與此同時塑性應變較大值逐步增至10-2級，說明受降雨條件影響下，邊坡潛在滑動面逐漸清晰且滑移風險逐步增大。

圖5 隧道邊坡塑性區(qū)發(fā)展歷程

3.3.4 隧道邊坡安全系數(shù)

有限元軟件內(nèi)置強度折減法按流程進行求解，分析得出暴雨工況下隧道邊坡安全系數(shù)變化情況見表2。隨著降雨持續(xù)時間逐漸累積，邊坡安全系數(shù)值大小與減小速率分別呈現(xiàn)逐漸減小與增大趨勢，降雨起止的安全系數(shù)分別為1.73 與0.88，兩者對比下降了49%，說明邊坡安全系數(shù)對于降雨時間影響因素較為敏感；按照相關邊坡工程技術規(guī)范[10]可知高速公路邊坡處于非正常工況（暴雨）的安全系數(shù)范圍為[1.20，1.30]，對比分析得出降雨前2 d 邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，而降雨2 d 后邊坡安全系數(shù)加速降低導致邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài)，是由于降雨3 d 后邊坡巖土體已達到飽和狀態(tài)，繼續(xù)降雨地表水不再入滲使得地表水集中于坡底部位，伴隨著水土流失導致滑坡抗力急速減小，使得邊坡失去穩(wěn)定，為抵御非正常情況對邊坡穩(wěn)定性的影響，應采取合理加固方式提高邊坡穩(wěn)定性。

表2 隧道邊坡安全系數(shù)

4 結(jié)論

以某高速公路隧道進口邊坡為分析背景，利用有限軟件建立降雨滲流數(shù)值模型，分析不同暴雨時間下隧道邊坡巖土體孔隙水壓力、滑動位移、塑性區(qū)分布與安全系數(shù)變化規(guī)律，根據(jù)模擬數(shù)據(jù)處理結(jié)果對隧道邊坡穩(wěn)定性作出評價并且得出以下結(jié)論：（1）未降雨初始邊坡孔隙水壓力呈線性增長，水位線以上非飽和巖土體于降雨過程產(chǎn)生吸力，導致含水率逐步上升，其孔隙水壓力同步增大；暴雨歷時3 d后孔隙水壓力峰值達453 kN/m2， 孔隙水壓力充滿邊坡；邊坡含水量發(fā)生顯著變化，降雨匯聚形成飽和滲流區(qū)；（2）邊坡位移值受降雨影響逐步增大，峰值達141.8 mm；降雨3 d 后邊坡位移峰值比較于降雨1 d 增大366%，說明應力—滲流耦合對邊坡位移影響較大，大變形集中于坡底至坡底往上1/3 區(qū)域；坡頂與坡底位移均隨降雨歷時而增大，坡頂位移變化速率逐漸降低，坡底位移變化速率逐漸上升；（3）降雨前初始邊坡存在潛在滑動面，由于滑坡抗力影響邊坡處于穩(wěn)定；降雨進程中，邊坡塑性區(qū)范圍逐漸減小，而塑性應變峰值逐步增大，表明邊坡滑移風險同步增大；（4）隨著降雨時間累積，邊坡安全系數(shù)值與減小速率分別呈現(xiàn)減小與增大趨勢，降雨起止安全系數(shù)對比下降約為49%，邊坡安全系數(shù)變化明顯；降雨前2 d 邊坡處于穩(wěn)定，由于降雨2 d 后邊坡巖土體逐漸飽和，入滲效應降低且伴隨坡底水土流失，從而導致邊坡失穩(wěn)，應采取合理加固防護措施。