强降雨对路堤边坡渗流场及稳定性影响研究

第38卷，第4期公路工程Vo1．38，No．42013年8月HighwayEngineeringAug．，2013强降雨对路堤边坡渗流场及稳定性影响研究李涛，徐伟青，曾铃。(1．长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙410004；2．浙江通衢交通建设监理咨询有限公司，浙江衢州324000；3．长沙理工大学土木与建筑学院，湖南长沙410076)[摘要]为了研究强降雨对路堤边坡渗流场及稳定性的影响．基于非饱和渗流及非饱和抗剪强度理论对降雨作用下的渗流场及边坡稳定性进行了研究。研究表明：降雨人渗将引起路堤内部地下水位线上升，上升速率在降雨前期大于降雨后期；降雨人渗作用下边坡体内孔隙水压力及体积含水量都逐渐增大，在达到饱和含水量的区域内基质吸力丧失，降雨停止后由于雨水的出渗，孔隙水压力与体积含水量缓慢降低，同时基质吸力得到缓慢的恢复；在降雨人渗影响下路堤安全系数降低明显，降雨停止后由于雨水的出渗，安全系数将得到一定程度的增大。[关键词]路堤边坡；降雨人渗；地下水位；安全系数【中图分类号]U416．I4[文献标识码]A[文章编号]1674—0610(2013)04—0001—04ResearchonEmbankmentSlopeSeepageFieldandStabilityunderHeavyRainfallConditionsLITao，XUWeiqing，ZENGLing(1．Transportationengineeringinstitute，ChangshaUniversityofscience&technology，Changsha，Hunan410076，China；2．ZhejiangTongqucommunicationsconstructionsupervisioncon．，LTD，Quzhou，Zhejiang324000；3．SchoolofCivilEngineering&Architecture，ChangshaUniversityofscience&technology，Changsha，Hunan410076，China)[Abstract]Inordertoresearchtheimpactofheavyrainfallontheembankmentslopeseepagefieldandstability，basedontheunsaturatedseepageandunsaturatedshearstrengththeory，studiedtheseepagefieldandslopestabilityunderrainfallcondition，Researchshowsthat：①Rainfallinfiltrationwillcausetheembankmentinternalwatertablerising，theincreasedrateofprophaseratherthanlaterstage；②Un—dertheinfluenceofrainfallinfiltration，theporewaterpressureandvolumemoisturecontentwerein—creasedgradually，inthesaturatedmoisturecontentareamatrixsuctionloss，becauseoftheraintheper—meabilityaftertherainstopped，porewaterpressureandvolumemoisturecontentdownslowly，andthematrixsuctionrestoration：③TheembankmentsafetycoefficientreducedobviouslyUndertheinfluenceofrainfallinfiltration，becauseoftherainthepermeabilityaftertherainstop，thesafetyfactorwillberecov—eryunderacertaindegree．[Keywords]embankmentslope；rainfallinfiltration；undergroundwaterlevel；safetycoeficient近年来，随着国家高速公路、铁路等工程的大量路堤边坡失稳的重要因素。目前，广大学者对降雨建设，降雨影响下公路路堤边坡发生垮塌的现象时条件下边坡稳定性的研究已经取得了大量有价值的有发生，引起越来越多研究者的重视。大量研究表研究成果：谭新分析了降雨入渗过程，提出了降明：降雨人渗将引起边坡渗流场的变化，入渗影雨概念模型，认为降雨将对边坡内基质吸力产生较响区域出现孔隙水压力升高、含水量增大，甚至在边大的影响。徐晗对降雨入渗条件下的非饱和土坡表层出现暂态饱和区，而上述几个方面都是引起坡稳定性进行了研究，得到了非饱和土边坡变形与【收稿日期]2012—11—09[基金项目】国家自然科学基金项目(51278067、51278067)；湖南省研究生科研创新项目(CX2012B353)；广西科学研究与技术开发计划项目(1298011—2)(作者简介】李涛(1974一)，男，湖南岳阳人，博士研究生，主要从事公路工程方面的科研工作。 2公路工程38卷应力的若干重要规律，研究成果为降雨入渗条件下≥0．hl=0f3lr3非饱和土边坡的稳定性分析提供了参考。以上研究主要集中在路堑边坡上，然而路堤高边坡在降雨影厂≥0，hI=0，响下的失稳也时有发生，但相关研究还比较欠4l厂4缺一引。(7)鉴于此，本文在已有土质边坡降雨人渗的研究式中：q、q’分别为法向流量，向外为正，向内为负；基础上，基于饱和一非饱和渗流理论对路堤边坡渗n为外法线方向余弦；t。为初始时刻；厂。为水头边流场及稳定性进行进一步探讨，以期为实际工程的界；厂为流量边界；F，为饱和溢出边界；F为非饱治理提供参考。和溢出边界。1饱和一非饱和渗流理论2数值计算模型及渗流计算参数土体属于典型的多孔介质，因此对于土体而言2．1计算模型其饱和一非饱和渗流连续方程满足质量守恒原在建某高速公路面路面宽60111，填方高度为l2理：m。路堤中使用典型的土一石混填粗粒土填料，由一蠹()+S杀(pnS)。(1)于路堤两侧对称，故选取半剖面作为研究对象。路堤典型剖面二维有限元网格如图1所示。为了研究根据达西定律：路堤在降雨入渗条件下的渗流特征，设置点A～E一一一为监控单元，监控单元位于路堤坡面以下lm处。¨V—)kq。(2)计算模型单元数量为4405，节点数量为4536，为了将上文所述式(2)代人式(1)即可得到饱和一非保证计算的精度，通过设置辅助线的方法将网格划饱和渗嗡流场微分畸方程：分为4边形单元。计算方法采用暂态分析方法进++毒[k~i后krhho小5一行，设定边坡长期未降雨状态下的稳定流状态为初始孔隙水压力分布状态为初始状态，该状态下地下矗水位以上区域孔隙水压力为负值，分布符合V—G[c(^)十Oh=0，(3)n模型，地下水位以下孔隙水压力为正值。式(1)～式(3)中：P为流体密度，雨水取9．8g／cm；u为水的流速；n为土体在饱和状态下的含水率；S为源汇项，s为土体的饱和度；H为总水头，为昌、位置水头与压力水头之和；，(h)为土体的相对渗透惶率；f介质饱和渗透张量，C为容水度，参数在饱和区为1，非饱和区为0；S为单位贮水系数；t为50510152025303540455055606570时间变量。宽度／m二维非饱和条件下降雨入渗的模拟需满足其特图1有限元计算模型FigurelThefiniteelementmodel定的定解条件，定解条件分别为：初始条件：2．2水力特征曲线h(，Y，to)=ho(，Y，to)。(4)一般来说，饱和区内土体渗透系数与含水量为常量，在非饱和区渗透系数大小则与基质吸力、体积初始水头边界条件：含水量相关，本文依据文献[10]所述V—G模型定义(，y,to)l，．．=．(，y,to)。(5)其相互之问的关系，如下式：降雨单位流量边界：=。．i}／[。+{b(“。一“))。]，(9)一【，()hdO+ki3kr()]ni}=q。(6)S：Si+(S一Si)0s／(10)溢出边界： 第4期李涛，等：强降雨对路堤边坡渗流场及稳定性影响研究3式中：J}为渗透系数，o、bc为计算参数，k为的同时引起路堤中部地下水位也有一定的升高。引饱和土渗透系数(u。一“)为基质吸力，S，为饱和起降雨后期路堤边坡表层地下水位上升缓慢的另一度；|s为残余饱和度；s为最大饱和度；0、b、c为计个原因在于：路堤内水位升高导致路堤内部地下水算参数。与边坡坡面水力梯度增大，从而引起路堤边坡表面依据公式9一l0拟合的孔隙水压力一渗透系数雨水出渗量增大。关系曲线与含水量一孑L隙水压力关系曲线见图2、图3。：、5．O●曼、I者赧图4降雨过程中地下水位变化螂Figure4Changelawofundergroundwatertableduringthe然100．．80．60—．40—．200rainfallprocess孔隙水压力／kPa图5～图6为降雨12h与24h时刻边坡孔隙图2孔隙水压力一渗透系数关系曲线水压力分布，由图可知：在降雨影响下边坡坡面中下Figure2Curveofpre~sureandConductivity部已经形成连续的浸润面，表明在边坡坡面中下部已形成雨水溢出面，对比图5与图6还可知，降雨持续时问越长路堤顶部负压力值越小，非饱和区也相应减小。26221814l06图3孔隙水压力一含水量关系曲线2Figure3CurveofpressureandVo1．watercontent-20宽度／Ill2．3降雨计算参数图5降雨12h后路堤边坡孑L隙水压力分布该地区有历史记录以来的最大日降雨量为Figure5Thedistributionofporewaterpressureof350mm，经换算为单位降雨强度则为：q=4．05×embankmentin12hoursafterrainfa1110～m／s。土体粘聚力25kPa，内摩擦角30。，土体2622密度为22kN／m，饱和渗透系数取5．0x10～m／s，饱和含水量取0．1。tt~1o任．63边坡渗流场及稳定性分析2—23．1渗流场计算结果分析图4为边坡在降雨过程中路堤边坡内部地下水图6降雨24h后路堤边坡子L隙水压力分布位变化过程示意图。由图4可知：随着降雨的持续Figure6Thedistributionofporewaterpressureofembankmentin24hoursafterrainfa11人渗，地下水位逐渐升高。降雨9h时地下水上升到坡趾以上，降雨前12h地下水位上升速率明显，图7、图8为路堤在降雨过程中监控单元A—E降雨12～24h时间段降雨地下水位上升缓慢。这孔隙水压力与体积含水率在降雨过程中的变化规律是由于靠近路堤坡面附近较高地下水区域与路堤中图。由图7可知，边坡各监控单元孑L隙水压力随着部位置形成一定的水头差，因此人渗雨水向路堤中降雨的持续都表现出逐渐增大的趋势，位于较低高部补给，从而导致路堤坡面附近地下水位升高缓慢程的监控单元孔隙水压力上升幅度大于相对较高高 第4期晏启祥，等：非对称建筑荷载作用下小净距隧道施工模拟分析39重点监控的部位。6结论通过对非对称建筑荷载作用下小净距隧道施工[参考文献]采用两种施工方案的对比分析可得到如下结论：[1]刘正刚．浅埋偏压小净距隧道施工过程数值模拟研究[J]．公①2种方案相同洞室洞周的竖向变形呈现相．路工程，201l，36(2)：120—123．[2]胡元芳．小线问距城市双线隧道围岩稳定性分析[J]．岩石力似的变化规律，同一种方案右洞洞周竖向变形整体学与工程学报，2002，21(9)：1335—1338．上大于左洞洞周竖向变形，而在中夹岩柱左右两侧[3]徐搴，赵德安，余云燕，等．城市超小净距暗挖隧道施工动态位置处的洞周变形，左洞大于右洞。两种方案右洞数值模拟分析[J]．兰州交通大学学报，2010，29(1)：112一最大拱顶沉降均出现在拱顶顶点位置，而左洞则均ll7．[4]李云鹏，王芝银，韩常领，等．不同围岩类别小间距隧道施工过出现在拱顶顶点偏右2O。～30。的位置处；两种方案程模拟研究[J]．岩土力学，2006，27(1)：11—16．拱底最大隆起值均出现在拱底顶点。[5]刘胜利，施成华，彭立敏，等．小间距隧道施工期间洞室与结构②2种方案地中变形呈现相同的变形规律，在的稳定性评判[J]．西部探矿工程，2003，82(3)：108—111．非对称荷载作用下，地层沉降曲线呈非对称分布，随[6]何小龙，何成，乔春江，等．城市复杂地质与环境条件下小净着埋深的增大不同区域的地中沉降变化呈现不同的距隧道设计[J]．武汉工程大学学报，2011，33(5)：41—45．变化规律，中间岩柱上方的围岩随着埋深的增大地[7]晏启祥，何川，姚勇，等．软岩小净距隧道施工力学效应研究[J]．地下空间与工程学报，2005，1(5)：693—697．中沉降逐渐减小，而两侧的围岩随着埋深的增大而[8]章慧健，仇文革．小净距隧道城市浅埋隧道夹岩力学特征的数逐渐增大。同一埋深高度岩层沉降峰值位置随着埋值模拟研究[J]．现代隧道技术，2009，46(3)：22—26．深增大由右洞拱顶顶点右侧逐渐向顶点位置偏移。[9]靳晓光，刘伟，郑学贵，等．小净距偏压公路隧道开挖顺序优③施工过程中应力较集中、变形较大且可能易化[J]．公路交通科技，2005，22(8)：61—64．发生破坏失稳的部位是：两隧道的外侧壁、拱顶点、[1O]杨小礼，眭志荣．浅埋小净距偏压隧道施工工序的数值分析[J]．中南大学学报(自然科学版)，2007，38(4)：764—770．小间距岩柱侧壁及与底板的连接处。在施工过程中应重点关注这些部位，这也是信息化反馈施工必须(上接第4页)李兆平，张弥．降雨入渗对基坑工程安全性影响的研究[J]．中国安全科学学报，2000，10(3)：16—22．边坡在强降雨条件下的边坡渗流场及安全系数变化[2]罗先启，刘德富，吴剑，等．雨水及库水作用下滑坡模型试验规律进行了研究，得到如下结论：研究[J]．岩石力学与工程学报，2005，24(14)：2476—2483．①降雨的人渗将引起路堤内部地下水位线上[3]吴长富，朱向荣，尹小涛，等．强降雨条件下土质边坡瞬态稳定升，降雨前期上升速率大于降雨后期，降雨停止后地性分析[J]．岩土力学，2008，29(2)：386—391．下水位线缓慢降低，在路堤边坡表面形成连续的出[4]谭新，陈善雄，杨明．降雨条件下突破饱和一非饱和渗流分析[J]．岩土力学，2003，24(3)：38l一384．渗面。[5]徐晗，朱以文，蔡元奇，等，降雨入渗条件下非饱和土边坡稳②降雨人渗作用下边坡体内孔隙水压力及体定分析[J]．岩土力学，2005，26(12)：1957—1962．积含水率都逐渐增大，降雨停止后由于雨水的出渗[6]陈汗平．降雨人渗引起边坡破坏机制之探讨[D]．台湾：台湾而缓慢降低。孔隙水压力与体积含水率受降雨影响大学土木工程研究所，2003．变化幅度最大的位置位于边坡坡脚处，因此其非饱[7]王一汉，陈云鹏，刘建华．降雨人渗对土石坝边坡稳定性影响的分析研究[J]．公路工程，2012，37(3)：99—102．和抗剪强度下降越明显，最容易在该位置出现边坡[8]郭爱斌，万智．考虑降雨入渗的非饱和边坡稳定分析[J]．公滑移剪出面。路工程，2OlO，35(3)：lI9一l22．③降雨将导致路堤内基质吸力降低、岩土体重[9]雷志栋，杨诗秀，谢森传．土壤水动力学[M]．北京：清华大学度增大，在此共同作用下，边坡安全系数在降雨过程出版社，1998．中逐渐降低，降雨停止后由于雨水的出渗，安全系数[1O]VanGenuchten，M．T．Aclosedformequationforpredictionthehydraulicconductivityofunsaturatedsoils．SoilSci．Soc．将得到缓慢的恢复，由此可见，有效的边坡防排水设Am．，J．44，1980：892—898．施对保持边坡的稳定性的十分必要的FredlundDG，非饱和土力学[M]．陈仲颐译．北京：中国建筑工业出版社，1997．[参考文献]