探究降雨條件下路基邊坡滲流情況

李 樹 軍

(太原市城市規劃設計研究院，山西 太原 030002)

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探究降雨條件下路基邊坡滲流情況

李 樹 軍

(太原市城市規劃設計研究院，山西 太原 030002)

結合巖土飽和—非飽和滲流理論，并采用有限元軟件，模擬分析了不同降雨條件下路基邊坡的孔隙水壓力變化、滲流場和含水率的分布情況，結果表明：當降雨強于飽和滲透系數時，隨時間的增加入滲深度逐漸向下推移，而推移深度也會不斷加大；當降雨強度小于土壤入滲能力時，入滲速度慢；裂縫的存在對降雨入滲過程中孔隙水壓力和含水率分布有很大的影響。

路基邊坡，降雨入滲，有限元分析，裂隙

1 概述

路基邊坡在降雨條件下，雨水直接沖刷路基，還可以通過路基肩部和路面裂縫滲透土壤，很有可能會引起土壤吸力消失或削弱，邊坡土體的抗剪力也會隨之減小，從而導致塌方、滑坡等一系列災害出現。由此可以看出，雨水下滲會改變流場及土體抗剪強度。所以需要建立雨水下降模型，研究邊坡變化規律，這對于路基邊坡的塌方、滑坡的預防與應對，提高路基邊坡的穩定性與安全性均具有積極的參考意義。例如，其對邊界條件、坡形、降雨強度以及歷時都有詳細的記載。非飽和降雨入滲的研究共經歷一維、二維和三維三個階段。首先是由Richards將Darcy 定律引用至非飽和滲流的研究中，并結合質量守恒定律,建立了非飽和滲流的Richards模型。張華模擬一維，二維數值，論證在降雨過程中的變化和水的孔隙壓力的再分配。劉建軍對影響降雨的主要因素進行研究，在飽和—非飽和滲流理論的基礎上，通過有限元形式模擬地下水。如果在降雨較強的情況下，邊坡地下水壓力水頭、水頭變化、滲流量以及路基邊坡穩定系數的變化都會很大。通過研究得出的結論是，上述指標在不考慮干燥土壤裂縫條件下，降雨并未對路基邊坡面造成明顯影響。在建立降雨入滲模型時，必須將裂縫分析也納入考慮范圍內。并結合模擬降雨條件下路基邊坡滲流場和水分分布的有限元軟件，基于飽和—非飽和滲流理論，加之已有的理論和參數輔導，降雨持續時間、強度、孔隙水壓力以及含水率之間的聯系變化進行比較分析，并就邊坡滲流場的變化規律進行深入探討。

2 飽和—非飽和滲流理論

2.1 飽和—非飽和土滲流基本方程

路基邊坡通常情況下可分為兩個區域，即地下水位之上的非飽和區及水位處的飽和區,如果邊坡區域存在雨水下滲情況，在對水土移位過程中的滲流問題處理時，又需分成非飽和及二維飽和兩種情況分別進行考慮。令mw=δθw/δuw，其中控制變量為總水頭ψw,那么二維Richards滲流控制方程表示如下：

其中，ψw為非飽和土總水頭；θw為土壤體積含水量，cm3/cm2；Kx(θ),Ky(θ)均為非飽和土壤導水率,cm2/min；ρw為水的密度。

2.2 降雨入滲研究理論

降雨入滲是動態、持續不斷的過程，與土壤初始水分、降雨持續時間、強度、土壤性質、吸水條件以及入滲坡度等均有密切的關聯。通過對土壤性質與降雨強度之間聯系的分析研究，可以得出多種滲流形式，并為邊坡上水壓力、初始含水量以及流量的確定提供有效的參考依據。邊界條件模式一般情況下主要有以下兩種：第一種情況是當土壤入滲能力大于降雨強度時，總降雨入滲。第二種情況是土壤入滲能力小于降雨強度時，局部降雨入滲。降雨初始期間，由于地表水梯度較大，降雨入滲率較高。這個期間段也可看作是流量控制段，能夠將雨自由或無壓進行滲透；并隨水體梯度不斷變化。如果土壤區域飽和，坡度也不斷縮小，則會使水頭邊界條件發生轉變，形成地表徑流。所以，降雨具體入滲量在很大程度上是由土壤初始水分、降雨持續時間、強度、土壤性質、吸水條件以及入滲坡度所決定。詳情如圖1所示。

3 數值模擬與分析

3.1 計算模型、邊界條件

如圖2所示，以某路基邊坡剖面為對象，作有限元處理。其中邊坡為分臺階填筑,邊坡比例為1∶1。圖中為高填邊坡，高度可達20 m。路基土體全都采用均質土。路基底部為地下水位,土體飽和含水率達到38%。一般情況下，路基邊坡坡頂及坡面含水率為20%。

3.2 計算參數

依據Fredlund 數據庫，計算模型的滲透性與土水特征曲線，其中飽和的滲透系數為1×10-6m/s。

3.3 計算結果與分析

3.3.1 邊坡無裂隙條件

1)非飽和降雨情況下, 流量邊界降雨強度為R=1×10-7m/s,孔隙水壓力土體含水率均無明顯變化,降雨歷時如果達到9 d，則水氣遷移深度可達4 m,遷移速度也會變小，從而導致下浸潤速度放緩。水分變化率會降低至21.5%～23%,入滲量也會不斷減少。由此可以看出，影響邊坡安全性與穩定性的主要因素在于隨降雨入滲土體重度變化而變化的土壓力。非飽和降雨情況下，并未對路基邊坡造成很大影響。2)靜水情況下，路基邊坡降雨入滲飽和深度達到2 m,2 m以下孔隙水壓力及含水率有很大起伏。含水率與初始孔壓分布為3 d，到達9 d后路基邊坡飽和區域土層能夠達到3 m。

3.3.2 邊坡有裂隙條件

如果邊坡已有裂縫出現，此時就需通過路肩排水溝對裂縫的具體情況進行模擬。雨水剛降時就需考慮裂縫的設計，使其能夠始終處于飽和狀態，以確保降雨時能夠通過裂縫先行下滲到土壤中。結果表明：1)降雨時，通過裂縫下滲能夠在2 h內使裂隙達到飽和狀態。一般情況下，孔隙體積往往在1內，含水率通常在28%～22%上下波動。而在1.8內，其含水率與水壓力均有較大起伏。且如果降雨歷時較長，受水分分布區域的制約，濕峰將會不

斷向下位移，此時對比非飽和土壤，排水溝裂隙滲流情況就會不斷削弱，從而使得雨水不斷向裂隙水下滲。如果滲流情況已經持續到10 h，孔隙壓力與斷裂帶水分分布情況的聯系也會越發緊密。其中，飽和裂隙對于雨水下滲過程中的水分坡度也有著直接的關聯。2)非飽和土在降雨入滲條件下，小路基邊坡水分分布變化所引起的流量邊界條件。如果排水溝內的積水向裂隙中下滲，則會使得路基內的水分分布情況發生改變，其中坡頂向下5 m處時間的變化最為明顯。 此時對土質邊坡穩定性的影響是受入滲影響土體重度由含水量增加而增長的主動土壓力，其增長量大于無裂隙條件下，裂隙處的靜水壓力及揚壓力，以及達到飽和時抗剪強度指標的降低。

1)路基邊坡降雨滲流規律與土壤性質、降雨持續時間、強度均有著直接的關聯。初期干土往往具有很強的滲透速度及基質，而由于時間的推移，路基表面土壤不斷趨于飽和狀態，水分梯度減小，土壤入滲力及吸力均不斷下降，出現積水狀況。隨著降雨歷時的增加，土壤飽和區的膨脹，會影響路基邊坡的穩定性。2)當邊界條件的變化，即低滲填土的流動邊界條件，在路基邊坡含水量變化不大的情況下，短期降雨強度的分布對于路基的安全性不會產生很大的不利影響。3)路堤較高時，如果降雨歷時較長，很容易形成滲流場，水位會上升使邊坡不利于穩定性，會加速過渡飽和區的形成。上排水與土壤軟化會造成山體滑坡等災害。所以在高填方路基施工應設計排水管道及排水墊層。4)如果路基開裂產生裂隙，在雨水的作用下，會使得裂隙周邊土壤發生巨大轉變，直接影響到邊坡的安全性與可靠性。所以，第一次填筑路基時，完成開挖后，即可對路基表面進行封閉處理，以免因降雨滲流導致路基膨脹，產生裂隙。此外，還需做好路基的日常保養與維護工作，加強巡視與檢查，對于路面開裂情況早發現早處理，盡可能的避免出現因路面開裂損害路基的情況，以提高路基的安全性與穩定性。

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Inquiry on subgrade slope seepage conditions under rainfall condition

Li Shujun

(TaiyuanAcademyofCityPlanning&Design,Taiyuan030002,China)

Combining with geotechnical saturated and unsaturated infiltration theory, applying finite element software, the paper simulates and analyzes subgrade slope pore-water pressure change, seepage field and moisture ratio distribution conditions under different rainfall conditions. Results show that: when the rainfall is stronger than saturated seepage coefficient, the infiltration depth will gradually develop with the time increasing, while the developing depth will gradually increase, when the rainfall strength is smaller than soil infiltration capability, the infiltration speed will reduce, and the cracks will have great impact upon pore-water pressure and moisture ratio distribution in rainfall infiltration process.

subgrade slope, rainfall infiltration, finite element analysis, crack

1009-6825(2016)28-0132-02

2016-07-20

李樹軍(1983- )，男，工程師

U416.1

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