不同降雨模式下的土質路基邊坡滲流場探索

施汝軍，趙 云，羅 瑛，蔡一超

1.云南云嶺公大公路工程有限公司，云南 昆明 650034

2.楚雄公路局元謀分局（格巧高速公路建設指揮部），云南 楚雄 651301

3.保山公路局，云南 保山 678000

4.云南省公路科學技術研究院，云南 昆明 650011

1 降雨入滲理論

路基滲流是集空間與實踐為一體的動態化變化過程，對于雨水滲透量而言，存在較多的影響因素，包括土壤性能、降雨的時間及強度等。基于降雨強度與土體滲透性兩者之間存在的關系，通常降雨形式的邊界條件包括以下兩種情況：第一，當降雨強度超過路基土體入滲能力時，雨水不會完全滲入土體中，會形成相應積水或者地表流經；此時需要應用到頂水頭邊界條件[1]；第二，土體滲透能力高于降雨強度時，降雨會全部滲入于路基土體中，此時的邊界條件為流量一定。一般降雨主要包括兩個過程：首先，地表水勢存在較大的梯度，并且雨滲度較高，該環節是流量控制階段，不存在自由入滲或壓力入滲情況；其次，長時間的雨水入滲，水勢梯度及入滲率均會逐漸降低，小雨降雨情況下，路基土體會逐漸飽和，進而會形成地表積水，為了避免出現水體壓力入滲情況，需要修改為水頭邊界條件[2]。

2 不同降雨模式下的土質路基邊坡滲流場分析

2.1 工程概況

案例工程為省級公路工程，該項目為新建路段，公路全長10.167km，路面寬度為7.5m，路基寬度為8.5m，以二級公路設計標準進行建設，設計時速為40km，線路中共有38處涵洞、2座橋梁、19出深路、10處高路堤，填挖基本平衡，填方高度超過20m的路堤為10段，文章以某高路堤邊坡為研究對象，其高度約26.8m，為3級邊坡。

2.2 數值模擬分析

（1）模型介紹。在軟件數值分析中，確定邊坡分析模型尺寸尤為重要，若模型尺寸較小，會在一定程度上限制實際的計算結果，精度很難保證；若模型尺寸過大，會使軟件面臨較大的計算量，相對計算時間會很長，同時會對計算機運行速度有更高的要求，這種情況下會增加軟件的出錯率。從以往類似工程研究成果中可以得出，通常邊坡會利用2D模型進行計算，橫向分析尺寸是邊坡高度的6倍，豎向分析尺寸為邊坡高度的3倍。通過MIDAS/GTS軟件進行模擬分析，各土層物理參數如表1所示。

表1 各土層物理參數表

（2）滲流控制方程。滲流控制公式如下：

式中：kx、ky分別為x方向與y方向上的滲透系數；Q為邊界上的流量；γw為水的容重；t為時間；mw為阻流系數；H為總水頭。

（3）數值模擬。基于穩態滲流分析下，獲得初始滲流場，得出穩態分析邊界條件：節點流量q=0，總水頭Hw=4m。水土特征曲線模型如下：

式中：θ為體積含水率；φ為吸力水頭，cm；θr為剩余體積含水率，取值為0；θs為飽和體積含水率，取值為0.45；α、n、m均為擬合參數，分別取值為0.018、1.179、0.152。

式中：ks為飽和滲透系數，取值為0.001m/h；k為非飽和土滲透系數。

3 不同降雨模式下滲流場的變化規律

3.1 降雨時間及雨量的影響

文章選擇四種有代表性的降雨模式，分別為均布型、前峰型、中峰型及后峰型。模擬某次降雨持續時間為120h，降雨總量達到480mm，得出均布型降雨平均強度為4mm/h，其余降雨模式降雨強度為8mm/h。持續降雨時，會逐漸延長路肩處最大孔隙水壓力的發生時間，前峰型的發生時間是在降雨時程4/10時；中峰型發生時間是在降雨時程6/10時；降雨時程8/10～9/10是前峰型最大飽和深度發生時間。在降雨持續時間的不斷延長下，總水頭會逐漸減小。即便總降水量均為480mm，但由于降雨持續時間的延長，減弱了降雨的平均強度以及峰值強度，這為水分向路基深處滲透提供了充足的時間，進而減少了路基表層可以達到的最大飽和深度。短暫暴雨時，峰值及降雨強度很快會超過土體滲透能力，此時形成的孔隙水壓力會更大。

3.2 降雨強度的影響

在降雨過程中，雨水會不斷滲入路基中，孔隙水壓力與飽和深度會逐漸增加，直至達到最大值，進而使路基邊坡處于最不穩定狀態。降雨結束時，均布型及后峰型降雨模式邊坡最不穩定；前峰型及中峰型的降雨模式會在降雨某一時刻達到最大飽和深度及最大孔隙水壓力。四種降雨模式下，后峰型降雨模式導致的孔隙水壓力是最大的，位列第二的是中峰型，隨后是均布型，最小的是前峰型。隨著降雨強度的增加，后峰型的路肩處最大孔隙水壓力會迅速增長，增長速率最慢的則是前峰型。產生最大飽和深度的是后峰型降雨模式，最小的是前峰型降雨模式，均布型與中峰型相比，均布型對應的最大飽和深度較大，尤其是隨著降雨強度的不斷增大，這種差異會更為明顯。由此可知，不同降雨模式下，對路基邊坡產生的影響也有所不同，導致邊坡穩定程度存在差異。后峰型降雨模式對路基邊坡穩定性產生的影響最大，產生影響最小的是前峰型降雨模式，在降雨強度不斷增大的情況下，兩者會有更為明顯的差異，出現這種情況的原因主要是降雨強度峰值出現早，水分滲入路基內的時間延長，路基表層的飽和深度及孔隙水壓力會相對較小，產生的影響也最小。

3.3 飽和滲透系數與路基邊坡最不穩定時段間的關系

當飽和滲透系數位于敏感區域及敏感區域外相對較小的一側時，若降雨模式相同，則路肩處的孔隙水壓力基本會在同一時刻達到最大值，與飽和滲透系數并不存在較強的相關性；當飽和滲透系數處于敏感區之外較大一側時，中峰型及前峰型降雨模式在飽和滲透系數增大的情況下，路肩處孔隙水壓力最大值時間有所提前，故可以在短時間內達到最大的孔隙水壓力，但此時孔隙水壓力仍為0。可見，飽和滲透系數在敏感區內，路基邊坡穩定性所處時段與飽和滲透系數之間存在較為顯著的相關性，具體而言，當飽和滲透系數發生改變時，達到路基邊坡穩定性最不利階段的初始時間未出現變化，但降雨模式為前峰型與中鋒型時，當飽和滲透系數增加時，最不利時段的終點會提前到來。

4 土質路基邊坡加固的具體建議

邊坡防護與加固是保證邊坡穩定、維持與恢復因公路建設而破壞的生態系統平衡、改善沿途景觀的重要措施。目前，常見的邊坡防治措施根據防治目的不同可以歸納為三種：排水措施、防護措施、加固措施。例如在邊坡坡腳位置處設置擋土墻，進而抵抗坡體產生的水平位移，可以根據實際情況選擇擋土墻的結構形式[3]；也可以在坡腳或者坡面處設置抗滑樁，利用抗滑樁的受荷段與樁背土體、樁側阻力間的土拱效應，有效防止滑坡體從抗滑樁間滑出[4]，但其造價較高，通常在大型邊坡體抗滑中應用較為廣泛。排水措施又可分為邊坡表面的截排水措施及坡體內的截排水措施。云南地處亞熱帶多雨地區，公路邊坡工程地質條件復雜，應著重關注公路邊坡的穩定性問題，做好邊坡防護及加固工作，從實際出發，制訂出科學合理的加固措施，減少邊坡病害的發生。

5 結束語

綜上所述，不同降雨模式下，短時強降雨產生的孔隙水壓力更大，但減小速率越來越小。文章提出的四種降雨模式均會對土質路基的穩定性產生相應影響，影響最大的是后峰型降雨模式，影響最小的是前峰型降雨模式，一旦土質路基的穩定性降低，則會降低其使用性能，極易產生路基邊坡地質災害，因此需要采取有效手段，并做好路基邊坡加固工作，以確保土質路基具備較高的穩定性。