極端降雨條件下黃河淤背區路基濕度場模擬與特征分析

中圖分類號：U418.5;TV882.1 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2025.08.025

1用格式：，，.極端降雨條件下黃河淤背區路基濕度場模擬與特征分析[J].人民黃河，2025，47（8）：153-158

Simulation and Characteristic Analysis of Subgrade Humidity Fieldin in the Back Silted Area of the Yellow River Dikes Under Extreme Rainfall Conditions

ZHANG Yuanlong'，ZHANG Tianhang2，GUO Yaofeng2 （1.Construction Center of Yellw River Henan Bureau， Zhengzhou 45Ooo3，China; 2.Collge of Water Conservancyand Transportation，Zhengzhou University，Zhengzhou 45oo01，China） Abstract：Inordertoinvestigatetheifuenceofwaterinfiltrationoothsidesoftesugaeotheumidityfieldofthsiltsubraden thebacksiltedareaoftheYelowRiverdikesduringextremerainfall，GSndMKEwereusedtosimulatetedepthofwateronbothsides ofthesubgradeundertheinfalconditiosinZengzouocuedonJulyO，O1basedontheprovincialhghay312Zhengzoboder reconstructionproject.GoStudiowasusedtosimulateandanalyethevariaioncharacteristsofteumidityfeldofthesubgadewithdifferentgroundwaterdepts，sopeatiosandopeeightsunderteaifalliiltratio.Teresultssowthattewatercontentisedby thegroundwatrvelandsoilqualityndasnexpoentialrelatiospiteeightofsubgadesoilTevarationangeofatero tentinachlaoftsiallifixpotalladtoueefiaot tomlayeroftheleftslopeembankmentdecreasswithtedecraseoftesloerate，hilethetrendofterightslopeisopposite.Thriation range of water content and slope height on the right side of the slope meet the linear variation law.

Key words： silted area in the back of the Yellw River dikes；silt subgrade；rainfall ponding；humidity field

0 引言

黃河淤背區是含沙量大的黃河水引至黃河堤防工程背河側沉沙落淤形成的區域。其粉土含量較大，因此浸水滲透易形成流體狀態，穩定性差[]。省道312鄭州境改建工程利用黃河淤背區建設，在高等級公路建設中尚屬首次。道路路基直接填筑在淤背區上，與黃河大堤緊密連接，其穩定性對黃河大堤安全影響巨大。對于土質路基，濕度是影響路基土強度的主要指標[2]，也是誘發路基和邊坡病害的主要因素[3-4]。雨水滲透會不同程度地改變路基濕度場[5-7]，胡慶等[8]對黃河下游灘岸土體進行試驗，發現其含水率從 18% 增大到 40% 時，黏聚力降低 80% 、內摩擦角降低 87% ，岸坡穩定系數隨著含水率的增大先增大后減小，表明含水率對黃河淤背區路基與大堤安全影響顯著；陳康等[9通過試驗發現填料黏聚力隨含水率的增大而減小，內摩擦角則隨含水率的增大先增大后減小。大量研究和工程實踐表明，濕度變化極易引發路基不均勻沉降、路面開裂和邊坡滑塌等病害。因此，研究極端降雨條件下淤背區路基濕度場變化規律是防治路基病害、保證黃河大堤安全的重要課題。

近年來國內外學者對路基濕度場進行了大量研究。劉展瑞等[\"]研究發現全風化花崗巖路基土的濕度場主要受地下水和氣候影響，路基含水率在水平方向由內到外逐漸增大;蔣紅光等[\"建模分析了黏質粉王的濕度場和降雨人滲規律，發現入滲深度隨降雨強度增大而增大且下路堤的降雨入滲僅發生在坡面；黃明奎等利用數值模擬方法分析了極端降雨對邊坡土體基質吸力的影響，發現降雨入滲過程中基質吸力呈現降—升—降最后趨于穩定的特征；樓曉昱等[]研究指出地下水位升降會造成路基邊坡一定范圍孔隙水壓力和含水率的降升；胡旭東[14通過室內試驗，研究了邊坡入滲對路基濕度場的影響，發現邊坡水分入滲過程中水分遷移以橫向為主；劉軍勇等[15]通過實地監測和室內試驗發現濕度場受季節更替影響，其影響深度范圍為 1.5～2.0m ，此范圍以下的濕度場主要受地下水控制。

目前，對于路基濕度場已有部分研究，但我國沒有在黃河淤背區建設高等級公路的先例，對黃河淤背區特殊地形和地質條件下路基濕度場的研究尚無。濕度場是路基強度、邊坡穩定性計算和模擬的基礎。以往針對路基與邊坡病害的安全模擬與計算均采用近似參數，無法真正貼合工程實際。鑒于此，本文通過GIS和MIKE模擬淤背區路基在極端降雨下的積水分布，選用積水深度作為入滲模擬邊界，使用GeoStudio建立路基積水滲流模型，模擬不同地下水埋深、邊坡坡比和邊坡高度的淤背區路基降雨入滲過程，分析淤背區濕度場變化規律，以期為淤背區路基水損害防治和黃河大堤安全性評估提供理論參考，同時為今后淤背區道路的建設與養護、管理提供數據支撐

1工程背景

省道312是河南省建設黃河流域生態保護和高質量發展核心區的重要通道，其中樁號 K39+100-K52+ 700段利用黃河大堤淤背區進行建設，路基寬度為33.5m 。道路建成3個月后遭遇鄭州市‘ 7?20^′′ 特大暴雨，淤背區路段出現邊坡沖塌、路面損毀等病害。本文以鄭州“ 7?20^′′ 特大暴雨數據為依據，對黃河淤背區道路在極端降雨下的積水情況進行模擬分析。

2積水深度模擬分析

2.1 數值模擬

MIKE作為一款水力、水文模擬軟件，能進行降雨積水深度、城市內澇和河流沖刷等模擬，在國內外有廣泛的應用。本文利用鄭州地形數據，通過GIS繪制淤背區區域輪廓，選擇道路兩側 1km 范圍為模擬邊界，根據地表情況和文獻[16]確定不同下墊面的不透水系數，見表1。結合道路建設情況布設管涵，選擇鄭州（ 7?20^′′ 特大暴雨數據進行降雨徑流和降雨管流模擬，降雨歷程如圖1所示。采用MIKEFLOOD進行降雨徑流和降雨管流耦合，對淤背區道路進行極端降雨天氣模擬。

表1不同類型土地不透水系數取值

Tab.1Different Types of Land Impervious Coefficient Value

圖1鄭州\"7·20\"特大暴雨降雨歷程 Fig.1Rainfall Course of the“ July 20\" Heavy Rainstorm in Zhengzhou

2.2 結果分析

模擬極端降雨條件下研究區積水深度，其中降雨6，23h 積水深度見圖2。可以看出，極端降雨條件下，道路兩側存在積水，且隨著降雨時間的延長，積水深度和范圍不斷增大，在部分低邊坡路段，積水淹沒路基邊坡并跨越道路，對兩側邊坡產生沖刷，與‘ 7?20^′′ 特大暴雨道路邊坡實際沖刷位置相符。整個模擬區域最大積水深度為 7m ，遠離路基邊坡和淤背區路基兩側最大積水深度分別為 2.1m 和 0.5m 。

圖2極端降雨積水深度 Fig.2Depth of Extreme Rainfall Ponding

3積水入滲全過程路基濕度場分析

基于上述數據，選取最大積水深度為最不利工況，采用GeoStudio對淤背區路基進行滲流模擬。

3.1 飽和-非飽和控制方程

積水入滲過程為瞬態飽和-非飽和土的滲流過程，假設土體不發生變形，水流不可壓縮。其二維控制方程為

式中 Ω_：ρw 為水密度； K_x（θ），K_y（θ） 為路基非飽和土在坐標 x，y 方向上的滲透系數，隨體積含水率 θ 變化，在本模型中取 K_x（θ）=K_y（θ）：H 為總水頭； m_w 為與基質吸力有關的水的體積變化系數； Ψ_tΨ_t 為時間， g 為重力加速度。

3.2 數值模型

根據路基斷面形式，設置路基寬 33.5m ，地基下部寬 62.5m ，模擬工況見表2，路基數值模型見圖3，材料參數見表3。在非飽和路基的滲透模擬中，土體含水率函數根據飽和土含水率和土質確定，水力傳導函數采用VanCenuchten模型由土體的含水率函數和飽和滲透系數確定。以地下水的穩態滲流場為初始滲流場，左右兩側邊坡與地面線采用總水頭函數控制。游背區地下水位較低，模擬土層高度設為 10m ，前期模擬發現水位升降對路基和大堤濕度場在3個月的影響范圍為 15m ，淤背區路基與黃河大堤的距離最近處53m ，且極端降雨在短期內完成，所以黃河水位升降對路基濕度場沒有影響。本文分析路基濕度場在一個月內變化規律，滲流影響區域為 7～8m ，因此模型邊界取 10m 。

圖3淤背區路基數值模型

Fig.3Numerical ModelofSubgradein SiltBack Area

表3材料參數

Tab.3MaterialParameters

3.3地下水位對路基濕度場的影響

積水人滲導致路基濕度場發生變化，隨人滲時間推移，水分不斷遷移，使路基濕度場處于動態變化過程。降雨發生前，路基濕度主要受地下水影響，道路中線含水率如圖4所示。

圖4降雨前道路中線含水率Fig.4Water Content of Road Midline

地下水位線以下路基土處于飽和狀態，不隨路基高度變化。地下水位線以上路基土的體積含水率隨路基高度的增加而減小，變化趨勢擬合公式為

式中： W 為土體含水率， h₁ 為路基高度， W₀?A₁ 和 t₁ 為擬合參數（ W₀ 變化范圍為 0.07～0.08 ，地下水位和路基高度對其影響較小； A₁ 隨地下水位的升高而增大，變化范圍為 0.71～5.11;t₁ 隨地下水位升高而減小，變化范圍為3.0～3.7）。

路基土含水率在上下層粉土交界面處出現突變，突變現象在低地下水位更明顯。

基于MIKE模擬結果，考慮人滲和蒸發作用，積水以 0.3m/d 回落，對工況1～4進行滲流模擬。地下水埋深對左側上路堤底土體的影響如圖5所示，在積水入滲后，地下水埋深為 2，4，6，8m 時，含水率分別增大0.030、0.029、0.028、0.031，積水入滲至左側路堤的時間逐漸縮短，分別為 6.2，5.0，3.8，2.5d ，人滲時間與地下水埋深為線性關系，人滲速度與地下水位為反比例關系。

地下水位的高低影響積水入滲過程中土的孔隙水壓力，初始地下水位越低，孔隙水壓力差值越大，積水入滲速度就越快。為保證路基和大堤安全，可在積水初期進行排水處理，防止積水大規模入滲。

左側下路床含水率如圖6所示。當地下水埋深為8m 時，積水人滲使下路床含水率隨時間延長而略微增大，對濕度變化影響微小；當地下水埋深為 2，4，6m 時，下路床含水率不受積水影響。可見，地下水位對左側邊坡下路床含水率影響較小。

圖9含水率變化幅度與地下水埋深關系Fig.9Relationship Between Variation RangeofWater Content and Groundwater Depths

右側土路肩處上路堤底含水率見圖7。地下水埋深為 2，4，6，8m 時，邊坡上路堤底最大含水率較初始含水率分別增加 0.092，0.088，0.083，0.077 ，含水率變化幅度呈下降趨勢。右側土路肩處下路床底含水率見圖8。地下水埋深為 2，4，6，8m 時，下路床底最大含水率較初始含水率分別增加 0.085，0.082，0.078， 0.073，與上路堤底變化規律相同，但變化幅度較小。積水對上路堤底影響較大。

圖7右側土路肩處上路堤底含水率 Fig.7 WaterContentofUpperEmbankmentBottom atRightSoil Shoulder

含水率變化幅度與地下水埋深關系見圖9，可以看出地下水位對上路堤濕度影響較大。含水率變化幅度與地下水埋深關系的擬合公式為

式中： ΔW 為含水率變化幅度， h₂ 為地下水埋深， W₁?t₂ 和 A₂ 為擬合參數。

圖8右側土路肩處下路床底含水率 Fig.8Water Content at the Bottom oftheRightSoilRoadShoulder

3.4邊坡坡比對路基濕度場的影響

對工況2、工況5～8進行模擬分析，上路堤底水平入滲距離見表4。積水入滲后左側邊坡上路堤底入滲距離隨邊坡坡率的減小而減小；右側邊坡入滲距離隨著坡率的減小而略有增大，人滲距離為 3.98～4.28m 。究其原因，主要是右側屬于低矮邊坡，積水導致邊坡大部分處于浸潤狀態，改變坡比對防止積水入滲作用相對較小。左側邊坡填筑較高，坡比從 1：1.00 變化到 1： 2.00時積水水平入滲距離降低了 48.6% ，可見減小坡比會增加邊坡水平長度，入滲至路床相同距離土體體積增加，因此在相同入滲條件下，坡比越小入滲距離越小。

表4上路堤底水平入滲距離

Tab.4Horizontal Infiltration Distance ofEmbankment Bottom

3.5 邊坡高度對路基濕度場的影響

分析圖10、圖11發現：兩側路基在積水影響下，原地面線和邊坡積水線以下形成暫態飽和區，積水以垂直入滲為主，伴隨水平滲流，此時積水入滲主要受自重和孔隙水壓力影響。降雨入滲后積水深度減小，兩側邊坡及右側地面線暫態飽和區逐漸消散，但人滲狀態保持不變；左側地面線以下區域在積水入滲下地下水位拾升，人滲變為以水平滲流為主，導致滲流狀態發生變化的主要原因是積水入滲至地下水位，土體在垂直方向上均處于飽和，土體所有孔隙被水占據，此時水在孔隙水壓力作用下向水平方向移動。

圖10工況9第2天路基飽和度

圖11工況9第8天路基飽和度

對比圖11、圖12和圖13可知：邊坡高度對積水入滲后的路基濕度場影響顯著。工況9左側 3m 高度邊坡飽和度在積水人滲后出現較大變化，人滲高度和坡腳水平人滲距離分別為 3.00m 和 9.80m 。隨路基高度的增大，工況2中 5m 邊坡和工況10中 7m 邊坡濕度場變化只發生在路基坡腳處，為保證路基與大堤安全，應對路基坡腳進行防滲和加固處理。右側邊坡在積水影響下人滲至路面結構層，邊坡高度為3、5、7m 時入滲至路面內側 1.90，1.00，0.25m 處。此時路基濕度場改變，土體強度降低，對路面結構支撐減弱，在車輛荷載作用下，路面易產生裂縫，與鄭州“ 7?20^′′ 特大暴雨實際觀測病害相符，應在右側邊坡坡面和右側邊坡坡腳處設置防水層，或采取換填等加固措施。

圖12工況2第8天路基飽和度

Fig.12Working Condition 2 Subgrade Saturation on the 8th Day

不同邊坡高度左側上路堤底內側 50cm 床底含水率如圖14所示。可見，邊坡高度對左側上路堤底的含水率有顯著影響，積水對 5m 和 7m 高度邊坡的上路床底土體含水率沒有影響，對 3m 高度邊坡濕度場影響顯著。因此，在淤背區左側邊坡設計和建設中，應注意 3m 以下邊坡的防水設計和施工。對于 3～5m 高度邊坡，有條件時可適當增加邊坡高度，以減少降雨積水對邊坡的影響

圖13工況10第8天路基飽和度 Fig.13 Working Condition 10 Subgrade Saturation on the 8th Day

圖14不同邊坡高度左側上路堤底、床底含水率Fig.14Water ContentofEmbankmentBottomandRoadbedBottomontheLeft Sideof DifferentSlope Heights

右側上路堤底含水率增幅如圖15所示，含水率增幅隨邊坡高度增加而減小，近似為線性關系，擬合公式為 ΔW=0.204–0.115h 。預測結果表明，當右側邊坡高度達到 1.77m 時，土路肩上路堤底含水率不受降雨積水影響，水分不會繼續向路基內部滲透，此時大堤受路基高度影響較小。

4結論

黃河淤背區路基緊鄰黃河大堤，斷面形式和工程特性有鮮明特點，其穩定性與大堤安全緊密相關。通過對極端降雨條件下積水深度模擬及路基積水人滲后濕度場的特征分析，得到以下結論：

1）在積水影響下，淤背區左側邊坡地下水位的變化對上路堤底層影響顯著，對上路床影響較小。右側邊坡含水率變化幅度與地下水埋深關系擬合公式為 2）淤背區左側路堤底層入滲距離隨坡比減小而減小，右側路堤隨著坡比的減小而略有增大。3）積水入滲前期以垂直入滲為主，伴隨水平滲流。后期積水入滲引發左側地下水位抬升，左側地面線以下入滲演變為以水平滲流為主。4）淤背區左側路基邊坡高度小于 3m 時受積水入滲影響劇烈， 3～5m 高度邊坡濕度場隨邊坡高度變化而改變， 5～7m 高度邊坡受降雨積水影響較小。右側邊坡含水率增幅與邊坡高度關系的擬合公式為 ΔW= 0.204-0.115h 。

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