降雨條件下帶滲溝的路塹邊坡滲流場分析

羅 泉

（湖南金君工程科技有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

近年來，高速公路邊坡垮塌事故頻繁發(fā)生，而路基排水設(shè)施為保障路基及邊坡穩(wěn)定的重要設(shè)施。 帶滲溝的路塹邊坡穩(wěn)定性的影響因素很多，其中影響因素最明顯的外在因素是降雨。 研究表明，雨水的入滲不僅能使土體的含水率增大，增大坡體的下滑力，還能夠使土體內(nèi)部的滲透系數(shù)及孔隙水壓力發(fā)生變化，從而進(jìn)一步使得邊坡土體內(nèi)部的滲流場發(fā)生變化，最終影響路塹邊坡的穩(wěn)定性。 對不同降雨工況下排水設(shè)施的效果及路基邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了探討和歸納,為后期施工提供理論性的依據(jù)。

1 滲溝路塹邊坡模型

本文以湖南張家界某高速K4+272~K4+527 段右側(cè)二級路塹邊坡為例，邊坡模型左右兩側(cè)分別高15m和35m，總寬度為48.6m；一級邊坡坡率為1:0.75，二級邊坡坡率為1:1，如圖1 所示。 邊坡模型依據(jù)地質(zhì)勘探資料共分為三層巖土層，分別為：弱風(fēng)化泥質(zhì)砂巖（基巖）、 強風(fēng)化泥質(zhì)砂巖和黏土， 滲溝長1.1m、寬0.8m，設(shè)置在邊溝下方，采用左右兩側(cè)透水，上下兩側(cè)不透水的構(gòu)造。 具體設(shè)計參數(shù)如表1 所示。

圖1 帶滲溝的邊坡模型

表1 邊坡土層基本參數(shù)

本文除了考慮正常工況下排水設(shè)施的排水效果外，還設(shè)置了短時間強降雨和長時間弱降雨兩種降雨方案進(jìn)行降雨工況的模擬，具體方案見表2。

表2 降雨強度分布和參數(shù)設(shè)計

2 帶滲溝的路基滲流場分析

2.1 基本參數(shù)

滲溝埋深計算參數(shù)： 路基填料滲透系數(shù)為2×10m/s，毛細(xì)水上升高度采用經(jīng)驗值1 m，湖南張家界地區(qū)屬于非凍結(jié)地區(qū)即凍結(jié)深度為0， 滲溝內(nèi)設(shè)計水深為0.4 m， 則滲溝的埋置深度h=0+0.5+1+2.9+0.4=4.8 m。滲溝屬于隱蔽設(shè)施，有些施工方不按照設(shè)計要求施工導(dǎo)致埋深不達(dá)標(biāo)，本文以此模型為例就滲溝埋深不達(dá)標(biāo)的情況進(jìn)行對比分析。

滲流量也是滲溝設(shè)計的主要參數(shù)，在此模型中邊坡的左側(cè)水頭為15m，右側(cè)水頭為25m，按下式計算可得兩側(cè)的滲流量分別為：

為了更直觀的判定排水效果，將路基變形量作為對比因素，因此涉及荷載的計算。 路基承受的荷載主要分為兩部分：路面結(jié)構(gòu)自重和車輛荷載。 在計算荷載時可以將其轉(zhuǎn)換為作用效果相同的土層厚度，計算公式如下：

式中，N 為橫向分布車輛數(shù)（輛）；Q 為每一輛車的重量（N）；L 為車輛前后軸的總距（m）；B 為橫向分布車輛輪胎最外緣之間距離（m），計算公式為：

式中，b 為每一輛汽車輪胎外緣之間的距離（m）；d為與相鄰車輛的輪胎外緣之間的凈距 （m）；e 為輪胎著地寬度（m）。

上式各參數(shù)的取值可參考 （JTG B01—2014）《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，計算結(jié)果如下：

路面厚度按80cm 計算，其中，瀝青混合料結(jié)構(gòu)層厚20cm，容重為23kN/m；水泥混合料結(jié)構(gòu)層厚60cm，容重為25kN/m， 根據(jù)路面結(jié)構(gòu)層的容重將路面層換算成1m 高的當(dāng)量土層。因此，將路基承受的總荷載轉(zhuǎn)換為1.7m 填土高度，即在路基表面加載35.7KPa 的均布荷載。

2.2 滲溝排水效果分析

圖2、圖3、圖4 給出了埋深不達(dá)標(biāo)和設(shè)計埋深兩種滲溝的排水效果圖，從圖中可以看出當(dāng)滲溝埋深不達(dá)標(biāo)時路基范圍內(nèi)水位線下降不明顯，路基中心處水位線距路基頂面僅0.5m，小于毛細(xì)水上升高度；而按設(shè)計埋深的滲溝排水效果明顯，路基中心處水位線距路基頂面有3.5m，遠(yuǎn)高于毛細(xì)水上升高度，滲溝達(dá)到了排水降壓的目的，可以看出當(dāng)滲溝未達(dá)到設(shè)計埋深時，對于路基排水作用有限。 水位變化圖見圖5。

圖2 無排水孔隙水壓力等值線

圖3 埋深不達(dá)標(biāo)滲溝孔隙水壓力等值線

圖4 設(shè)計埋深滲溝孔隙水壓力等值線

圖5 水位變化圖

圖6 給出了模擬公路建成通車1 年后路基在持續(xù)荷載作用下的變形量情況，從圖中可以看出埋深不達(dá)標(biāo)的滲溝對提高路基穩(wěn)定性無作用，而在設(shè)計埋深下的滲溝沉降量明顯降低，說明滲溝在降低水位的同時能有效提高路基的抗變形能力。

圖6 路基在持續(xù)荷載作用下變形量

2.3 降雨條件下滲溝的作用效果

本文考慮在降雨條件下的滲溝作用效果，按照表1.2 設(shè)置降雨條件，計算結(jié)果分析如下：從圖7 和圖8可以看出開始降雨后滲溝的流量明顯上升，流量最大值約為初始值的2 倍，可見滲溝對入滲的雨水有一定排除作用。 通過式（3）計算出此滲溝的設(shè)計滲流總量為0.19m/h， 計算所得滲流量是數(shù)值模擬監(jiān)控得到的滲流量的4 倍。 因此，對于溝底在不透水層之上的滲溝按公式計算出的滲流量安全性較高，可以應(yīng)對極端條件下的流量要求。

圖7 短時間強降雨滲溝流量

圖8 長時間弱降雨滲溝流量

3 結(jié)語

本文通過Geo-studio 軟件建立了帶滲溝的路塹邊坡數(shù)值模擬計算模型，將張家界地區(qū)的降雨量調(diào)研資料作為降雨工況的研究基礎(chǔ)，分析短時間強降雨和長時間弱降雨兩種降雨工況下排水設(shè)施的效果，得出以下結(jié)論：

（1）滲溝可以有效降低入侵到路床的地下水，從而降低路基在荷載作用下的變形量，埋深不達(dá)標(biāo)的滲溝對排除地下水作用有限，設(shè)計合理的滲溝對保證路基穩(wěn)定性有提升作用。

（2）短時間強降雨和長時間弱降雨，滲溝對入滲的雨水有一定的排除作用，開始降雨后滲溝的流量明顯上升，流量最大值約為初始值的2 倍。

（3）理論計算的滲溝滲流量遠(yuǎn)比數(shù)值模擬滲流量大，將近是數(shù)值模擬得到的滲流量的4 倍，可以應(yīng)對極端條件下的流量要求。