降雨入滲條件下含軟弱夾層路塹高邊坡滲流特性數(shù)值分析

楊欣

(湖南尚上公路橋梁建設(shè)有限公司,湖南 長沙 410000)

1 引言

含軟弱夾層是介于土體和巖體之間的一種特殊的介質(zhì)體，物質(zhì)結(jié)構(gòu)相對雜亂，顆粒結(jié)合及滲透性相對巖體具有復雜及難以制樣等特點，給研究者帶來極大的困難。所以在山區(qū)高速公路建設(shè)及運營中，含軟弱夾層邊坡在降雨條件下，極易發(fā)生滑坡失穩(wěn)等破壞問題，給現(xiàn)場施工人員及行駛車輛埋下安全隱患。

雨水是導致邊坡失穩(wěn)的主要誘導因素，以往研究表明大部分邊坡失穩(wěn)都與降雨有密切聯(lián)系。目前針對降雨入滲下邊坡穩(wěn)定性研究主要采用以下3種方法：① 數(shù)值模擬：Fei Cai采用數(shù)值模擬的方法研究了不同邊界條件下降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性的影響，并將研究成果與統(tǒng)計資料對比驗證了模擬的效果；付宏淵等采用二維滲流數(shù)值模擬方法，研究了降雨入滲對邊坡不同位置深度孔隙水壓力和邊坡表層飽和層深度的影響過程，評價降雨入滲下軟巖邊坡的穩(wěn)定性；② 模型試驗：Huang Ching-Chuan通過建立實際的降雨模型，研究不同降雨時間下的邊坡響應問題，得出土體含水率和孔隙水壓力對邊坡影響最為明顯；朱寶龍等采用室內(nèi)試驗研究廢棄高速公路路塹邊坡在降雨入滲下的破壞模式，得出降雨越強對邊坡影響越大；③ 現(xiàn)場監(jiān)測：Mark等在具體研究美國1982年1月的降水對滑坡的影響時，得出當月降雨量大于300 mm時，邊坡可能會出現(xiàn)滑坡失穩(wěn)現(xiàn)象；謝妮等對甘肅某高速公路的一段路基邊坡進行監(jiān)測，得出降雨入滲軟化路基土體，降低土體本身強度，且隨著降雨持續(xù)，最終也會發(fā)生滑坡等破壞。上述研究已經(jīng)取得了豐碩的研究成果，但到目前為止很少有文獻研究含軟弱夾層路塹高邊坡的滲流問題。

該文以實際工程中含軟弱夾層路塹高邊坡為背景，在結(jié)合現(xiàn)場勘探資料及工程所在地水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，通過理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對比分析在不同降雨時間與降雨強度下，降雨入滲對含軟弱夾層路塹高邊坡滲流場的影響。

2 飽和-非飽和滲流理論

2.1 飽和-非飽和滲流基本方程

(1)

式中：θw為土體積含水量；ψw為非飽和土總水頭；ρw為水的密度；uw為孔隙水壓力；kx(θ)、ky(θ)為非飽和土導水率；t為時間；mw為比水重度；ρw為水的密度；g為重力加速度。

假設(shè)土體為各向同性，則kx(θ)=ky(θ)=kw(θ)，且當土體飽和時含水率θw取飽和含水率θs，滲透系數(shù)kw(θ)取飽和滲透系數(shù)ks(θ)，且滲透系數(shù)為含水率θ的函數(shù)。

2.2 飽和-非飽和土滲流基本微分方程的定解條件

為了得到一個更貼近實際問題的解析解，不出現(xiàn)大的偏差，依據(jù)初始條件和邊界條件，補充一些附加條件，才可得出微分方程在特定條件下的具體解。

根據(jù)初始滲流區(qū)水頭分布情況可知：

ψ(x,y,t)|t=0=f(x,y)

(2)

若已知區(qū)域邊界上水頭值，則邊界條件可表述為：

ψ(x,y)=f(x,y)|(x,y)∈Γ1

(3)

式中：Γ1為滲流區(qū)邊界；f(x,y)為已知函數(shù)表達式。

該邊界條件稱為第一類邊界條件，又稱為Dirichlet條件。

若已知某一部分邊界單位面積上流量q時，則相應表達式為：

(4)

式中：Γ2為給定的流量邊界；n為界面外法向。

對于二維各向異性的滲流介質(zhì)，邊界條件可寫為：

(5)

若是無水邊界上，則q=0時邊界條件可寫為：

(6)

該邊界條件稱為第二類邊界條件，又稱為Neumann條件。

3 工程概況

龍瑯高速公路起于湖南省漣源市龍?zhí)伶?zhèn)，止于新化縣瑯塘鎮(zhèn)，連接已建成的長芷高速公路和新溆高速公路，主線全長約為74 km，設(shè)計速度為100 km/h。該文依托工程龍瑯高速公路一標段位于漣源市、新化縣兩地管轄范圍。以該標段里程樁號K17+020含軟弱夾層路塹高邊坡為例進行分析，由于該路塹含軟弱夾層邊坡較高，構(gòu)成復雜，開挖后巖石裸露，受到自然因素及人為干擾較大，且該地區(qū)降雨量較大，土石層相交位置已經(jīng)出現(xiàn)局部滑坡失穩(wěn)。

4 數(shù)值模擬與分析

4.1 數(shù)值模擬

選用Geo-Studio有限元軟件中SEEP/W模塊，模擬不同降雨強度和降雨持續(xù)時間下邊坡的滲流。

采用4級臺階，第1、2、3級邊坡坡高為10 m，第4級邊坡坡高為5 m，且每級邊坡坡度為1∶1，地基高為5 m。綜合考慮計算精度和計算時長，確定計算網(wǎng)格以1 m為標準，劃分單元數(shù)1 080個，節(jié)點數(shù)1 133個；并在路塹邊坡模型的坡頂(3,39) m、坡中(17,25) m和坡底(31,11) m位置分別設(shè)置了監(jiān)測點，如圖1所示，各土層參數(shù)的選取采用現(xiàn)場原位試驗及室內(nèi)試驗得到的參數(shù)，如表1所示。

圖1 有限元計算模型

表1 巖土力學參數(shù)

根據(jù)當?shù)貧庀蠼y(tǒng)計資料，選取該地區(qū)50年一遇降雨標準進行分析，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，考慮降雨時間和強度的因素，擬定分析方案如表2所示。

表2 降雨下瞬態(tài)滲流分析方案

4.2 結(jié)果分析

研究不同降雨持續(xù)時間及強度對邊坡滲流場的影響：計算分析選擇3種工況的模擬結(jié)果進行對比，即：分析邊坡在降雨強度19、38和75 mm/d，持續(xù)降雨4、24和72 h下，孔隙水壓力及體積含水率等值線的變化規(guī)律，結(jié)果如圖2～9所示。

圖2 工況1邊坡內(nèi)孔隙水壓力(單位:kPa)分布圖

圖3 工況2邊坡內(nèi)孔隙水壓力(單位:kPa)分布圖

圖4 工況3邊坡內(nèi)孔隙水壓力(單位:kPa)分布圖

由圖2～9可得：

(1) 隨著降雨時間和降雨強度的增加，邊坡上部表層土體最先受到降雨的影響，土體中孔隙水壓力和體積含水率不斷變化，孔隙水壓力一直上升直到為0，然后保持到降雨結(jié)束(即形成暫態(tài)飽和區(qū)，由于坡面上不具備形成積水的條件，所以孔隙水壓力無法上升到正值)，降雨入滲引起邊坡土體的體積含水率變化，邊坡內(nèi)體積含水率等值線繼續(xù)向下移動，受降雨影響的范圍也在不斷擴大。

(2) 邊坡軟弱夾層處的孔隙水壓力及體積含水率變化相對較明顯，且外側(cè)位置軟弱夾層體積含水率不斷增大，孔隙水壓力和體積含水率等值線也不斷向內(nèi)移動，上覆土體吸水自重不斷增加，邊坡抗剪強度將不斷降低，極易加速發(fā)生滑動破壞；下部分布的巖質(zhì)層邊坡本身滲透系數(shù)相對非常小，在相同降雨強度及時間條件下很難入滲，但隨著降雨強度和降雨時間的增大，最終也將導致孔隙水壓力和體積含水率等值線緩慢移動，但對整個邊坡的穩(wěn)定性影響較小。

圖5 3種工況下不同位置邊坡內(nèi)孔隙水壓力變化曲線

圖6 工況1邊坡內(nèi)體積含水率分布圖

圖7 工況2邊坡內(nèi)體積含水率分布圖

圖8 工況3邊坡內(nèi)體積含水率分布圖

圖9 3種工況下不同位置邊坡內(nèi)體積含水率變化曲線

5 結(jié)論

通過建立實際工程中含軟弱夾層邊坡滲流模型，采用Geo-Studio有限元軟件的SEEP/W模塊，對降雨入滲過程中邊坡滲流場變化進行數(shù)值模擬，對比分析3種工況下邊坡孔隙水壓力及體積含水率動態(tài)變化規(guī)律，可得結(jié)論如下：

(1) 在降雨入滲過程中，邊坡表層土體最先受到降雨的影響，土體的負孔隙水壓力及體積含水率開始增大，孔隙水壓力及體積含水率等值線不斷向邊坡內(nèi)移，受影響的范圍也在不斷增大，直到降雨結(jié)束，且降雨期間邊坡出現(xiàn)了暫態(tài)飽和區(qū)。

(2) 隨著降雨持續(xù)，邊坡軟弱夾層上覆土體不斷吸水，邊坡土體自重不斷增加，軟弱夾層外側(cè)位置土體體積含水率不斷向內(nèi)移動，邊坡抗剪強度將不斷降低，極易加速發(fā)生滑動破壞。

(3) 隨著降雨的入滲，雨水增加上覆邊坡土體的含水量，上部和中部邊坡體內(nèi)孔隙水繼續(xù)向內(nèi)移動，受影響的范圍也在不斷增大，出現(xiàn)孔隙水壓力及體積含水率等值線向邊坡內(nèi)移動。下部分布的巖質(zhì)邊坡本身滲透系數(shù)相對非常小，在相同降雨強度及時間條件下很難入滲，隨著降雨強度和降雨時間的增大，也出現(xiàn)孔隙水壓力和體積含水率等值線向內(nèi)緩慢移動。