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。