蓄洪期路基邊坡的含水特性

賀煒，付宏淵，嚴志偉

(長沙理工大學 巖土與隧道工程系，湖南 長沙，410114)

隨著國家西部大開發戰略、中部崛起戰略的實施和交通事業的飛速發展，交通路線經常經過湖區洪災易發地段，為了使洪峰順利通過，這些地區常借用河道周邊區域蓄洪，起到緩沖的作用。如湖南省漢壽縣省道 S205津武線倉兒總渡口處有較大區域在洪澇季節預備作為蓄洪區，屆時該區域的公路路基將受到洪水的浸泡。長時間受到洪水的浸泡可能引起2個問題：一是路基發生非飽和滲流，有滲流力作用于路基邊坡；二是路基及其下地基浸水后抗剪強度降低。這2個因素均有可能降低路基的穩定性[1-2]。徐光明等[3]通過模擬短期雨水入滲及長期入滲條件對邊坡進行了離心機試驗，結果表明：長期入滲條件將使淺層土體強度顯著降低，臨界坡高明顯減小。由此可見，研究蓄洪條件引起的路基邊坡問題十分必要。由蓄洪條件引起的路基邊坡問題是典型的非飽和土問題，對于工程采用土體含水量間接分析其特性是有效手段[4-5]。在此，本文作者擬采用非飽和土非穩態流分析方法對洪水浸泡條件下路基邊坡及地基含水量變化規律進行研究。

1 蓄洪區環境對路基邊坡的影響

蓄洪區路基邊坡填筑完成后，路基填料均處于最佳含水量狀態，在水頭梯度的作用下，地下水位以上的路基與地基土各點孔隙水壓力水頭逐漸與地下水位平衡(如圖1(a)所示)。在蒸騰作用的影響下，地表孔壓進一步下降，為地下水逸出提供了源動力。通常，在正常使用期也有降雨發生，其雨水會以地表流量的形式滲入地表，超過地基土滲透系數的流量以地表徑流的形式由路基排水系統排出，保持地表處水頭為0[6]。

圖1 蓄洪區路基邊坡環境影響示意圖Fig.1 Schematic map of embankment in district storage floodwater

水頭差是土體內部發生滲流的直接原因，若地表排水不暢，則可能引起地表處水頭差不為 0，且地基土較長時間處于地表滲入狀態，對路基穩定性不利。而在蓄洪期，洪水的來臨與消退往往經歷較長時間，這意味著路基可能在汛期受到洪水的浸泡(如圖 1(b)所示)。在較長一段時間內，地表水頭均大于0，這對路基穩定性很不利。由于地基土應力狀態的改變，其含水量將發生變化[6]，導致地基土變軟，抗剪強度下降。可能影響地基土含水量變化規律的因素如下。

(1) 土體應力狀態。土體單元所受的應力狀態是導致含水量變化的根本原因，但對其進行分析十分困難。通常認為，土體單元上作用的基質吸力是引起含水量變化的主要因素[7]。

(2) 土水特征曲線的斜率。土水特征曲線在描述非飽和土工程性質起著非常重要的作用[8-10]，土水特征曲線的斜率是將基質吸力與土體含水量聯系起來的特征參數。

(3) 作用時間。對于非穩態流，作用時間是土體含水量變化的關鍵因素，但當滲流達到穩態條件后，土體含水量不再改變，與作用時間無關。

此外，水頭差是引起非飽和土滲流的決定性因素，但對于土體含水量的改變，水頭差并不是直接因素。例如，對于穩態流，水頭差依然將引起土體滲流，但土體內部各點含水量保持不變。鑒于蓄洪區特點，本文著重探討作用時間的影響。

2 基本方程與土性參數

2.1 控制微分方程

與非穩態流相比，穩態流符合達西定律，與飽和土理論一致，所不同的是土體滲透系數除與孔隙比、土體級配有關之外，還受到土體中基質吸力的影響[5]。而對于非穩態流，應力狀態(基質吸力為主要因素)會改變土體含水量，土體中滲流狀態會隨著時間發生改變。目前，對土體非穩態流的研究多基于經典的Richards方程進行。二維非飽和土單元的控制方程為[8]：

式中：h為總水頭；kx為x方向土體滲透系數；ky為y方向土體滲透系數；mw為土水特征曲線斜率；γw為水的重度。

其有限元格式可根據Galerkin加權殘量原理，由三角形單元的面積和邊界表面積分得到，其表達式為：

結合Dirichlet條件規定邊界節點處水頭，即得到可考慮洪水浸泡作用的非穩態滲流有限元解法。

2.2 土性參數分析方法

由式(1)可知：對非穩態滲流問題進行分析，需先確定土體的土水特征曲線及飽和-非飽和滲透系數曲線。國內外許多學者對其進行了研究，如：Pham等[9-11]提出土水特征曲線預測模型；Fredlund等[12]提出基于土水特征曲線的土體非飽和滲透系數預測方法，其預測模型可寫為：

式中：w為非飽和土體含水量；ws飽和狀態土體含水量；ψ為土體吸力；ψr為殘余含水量對應的土體吸力；a，n和m為土水特征曲線的形狀系數，其中，a與土體進氣點有關，n和m與土水特征曲線斜率有關。以文獻[13]中的土水特征曲線實測數據為例，用上述方法進行分析，結果如圖2所示。

由圖 2可得擬合相關系數為 0.97，由此可知：Fredlund, Xing模型用于預測水土特征曲線效果較好，但由實測曲線后段與擬合曲線的后段下降趨勢稍有不同。可見：要使計算結果精確，樣本范圍需要覆蓋整個可能發生的吸力區間。

圖2 水土特征曲線擬合曲線Fig.2 Fitting curve and measured SWCC

基于土水特征曲線與Mualem提出的預測理論，Fredlund等[11]建立了預測非飽和土滲透系數方程：

式中：ks為飽和時土的滲透系數；y為積分變量，對應于圖 3中的橫坐標；Ψaev為土體進氣點吸力；θ′(y)為水土特征曲線的導數，其物理意義為圖3所示的水土特征曲線的斜率。

圖3 水土特征曲線Fig.3 Soil-water characteristic curve

大量研究表明，該模型可較好地反映非飽和土滲透特性。由于文獻[14]并未給出相應滲透系數實測值，本文未對該模型進行驗證。

3 路基含水量變化規律的有限元分析

取路基尺寸如圖4所示。假定蓄洪水位與路基頂面一致，采用文獻[12]中所述土類進行分析，飽和時滲透系數取10-7cm/s[15]，結合Fredlund非飽和滲透系數預測方法及文獻[13]中計算結果綜合確定非飽和滲透曲線。

采用本文所述有限元方法分析蓄洪條件下公路路基含水量隨蓄洪時間的變化規律，計算結果如圖5和圖6所示。未蓄洪前假定路基達到穩定狀態，由于在穩定狀態路基中無滲流發生，因此，截面各點總水頭相等，土體孔壓為負值。而蓄洪時，土體表面受到常水頭作用，水在邊坡內部發生非穩態滲流，改變土體內部孔壓分布與含水量分布。由圖5與圖6可知：蓄洪條件下土體含水量的影響深度可達3～4 m，但對深部土體基本無影響。

提取距邊坡坡頂3 m處截面數據，得孔壓與土體飽和度隨深度與蓄洪時間的變化關系如圖7與圖8所示。由圖7與圖8可知：蓄洪期達到穩定后計算截面地表總水頭為原負孔壓水頭加洪水引起的水頭，蓄洪時間為40 d與90 d時孔壓及飽和度基本相同，說明蓄洪時間不用太長，路基邊坡即可達到穩態流狀態；此外，孔壓先高于原穩定態孔壓線，在深度2～4 m之間與穩定態孔壓線相比略低。這是由于邊坡表面的常水頭分布改變了邊坡表層孔壓原有的分布形式，使邊坡沿坡面方向一定深度范圍內孔壓略減小，如圖5(b)所示。

圖4 蓄洪條件下路基分析模型示Fig.4 Sketch map of embankment when storaging floodwater

圖5 路基邊坡孔壓分布圖Fig.5 Pore-water pressure distribution in embankment

圖6 路基邊坡體積含水量分布Fig.6 Water content distribution in embankment

從圖8可見：表層土飽和度改變不大，但這一改變量與表層孔壓有關，越靠近邊坡坡趾的點表層土飽和度越大，該例中坡址表層土已達到最大飽和度；越靠近邊坡下部，土體的軟化效應越明顯，這對邊坡穩定性十分不利。而淺層地基受到洪水浸泡作用含水量變化較大，亦有可能發生淺層滑動。因此，洪水消退后需注意防止邊坡的整體與淺層滑動。

本文未考慮正常使用期的蒸騰作用影響，因此，初始狀態的孔壓場略高，若計入其影響，蓄洪對邊坡及地基含水量的影響將增大，有必要對其進行進一步研究。

圖7 計算截面孔壓隨蓄洪時間的變化Fig.7 Variation of pore water pressure with time

圖8 計算截面飽和度隨蓄洪時間的變化Fig.8 Variation of saturated degree with time

4 結論

(1) 蓄洪條件下路基邊坡可在較短的時間(40 d之內)基本達到穩態流條件，這意味著邊坡含水量的改變將在較短時間內完成。因此，在蓄洪區路基邊坡設計時，不應認為汛期較短而不考慮浸水的影響。

(2) 蓄洪條件下路基表層以下3～4 m含水量變化較明顯，洪水消退后應注意防止邊坡的淺層滑動。

(3) 邊坡表層土的最終飽和度與其所處的位置有關，位置越低，最終飽和度越大，這不利于邊坡整體穩定。

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