探究降雨条件下路基边坡渗流情况

李 树 军

(太原市城市规划设计研究院，山西 太原 030002)



探究降雨条件下路基边坡渗流情况

李 树 军

(太原市城市规划设计研究院，山西 太原 030002)

结合岩土饱和—非饱和渗流理论，并采用有限元软件，模拟分析了不同降雨条件下路基边坡的孔隙水压力变化、渗流场和含水率的分布情况，结果表明：当降雨强于饱和渗透系数时，随时间的增加入渗深度逐渐向下推移，而推移深度也会不断加大；当降雨强度小于土壤入渗能力时，入渗速度慢；裂缝的存在对降雨入渗过程中孔隙水压力和含水率分布有很大的影响。

路基边坡，降雨入渗，有限元分析，裂隙

1 概述

路基边坡在降雨条件下，雨水直接冲刷路基，还可以通过路基肩部和路面裂缝渗透土壤，很有可能会引起土壤吸力消失或削弱，边坡土体的抗剪力也会随之减小，从而导致塌方、滑坡等一系列灾害出现。由此可以看出，雨水下渗会改变流场及土体抗剪强度。所以需要建立雨水下降模型，研究边坡变化规律，这对于路基边坡的塌方、滑坡的预防与应对，提高路基边坡的稳定性与安全性均具有积极的参考意义。例如，其对边界条件、坡形、降雨强度以及历时都有详细的记载。非饱和降雨入渗的研究共经历一维、二维和三维三个阶段。首先是由Richards将Darcy 定律引用至非饱和渗流的研究中，并结合质量守恒定律,建立了非饱和渗流的Richards模型。张华模拟一维，二维数值，论证在降雨过程中的变化和水的孔隙压力的再分配。刘建军对影响降雨的主要因素进行研究，在饱和—非饱和渗流理论的基础上，通过有限元形式模拟地下水。如果在降雨较强的情况下，边坡地下水压力水头、水头变化、渗流量以及路基边坡稳定系数的变化都会很大。通过研究得出的结论是，上述指标在不考虑干燥土壤裂缝条件下，降雨并未对路基边坡面造成明显影响。在建立降雨入渗模型时，必须将裂缝分析也纳入考虑范围内。并结合模拟降雨条件下路基边坡渗流场和水分分布的有限元软件，基于饱和—非饱和渗流理论，加之已有的理论和参数辅导，降雨持续时间、强度、孔隙水压力以及含水率之间的联系变化进行比较分析，并就边坡渗流场的变化规律进行深入探讨。

2 饱和—非饱和渗流理论

2.1 饱和—非饱和土渗流基本方程

路基边坡通常情况下可分为两个区域，即地下水位之上的非饱和区及水位处的饱和区,如果边坡区域存在雨水下渗情况，在对水土移位过程中的渗流问题处理时，又需分成非饱和及二维饱和两种情况分别进行考虑。令mw=δθw/δuw，其中控制变量为总水头ψw,那么二维Richards渗流控制方程表示如下：

其中，ψw为非饱和土总水头；θw为土壤体积含水量，cm3/cm2；Kx(θ),Ky(θ)均为非饱和土壤导水率,cm2/min；ρw为水的密度。

2.2 降雨入渗研究理论

降雨入渗是动态、持续不断的过程，与土壤初始水分、降雨持续时间、强度、土壤性质、吸水条件以及入渗坡度等均有密切的关联。通过对土壤性质与降雨强度之间联系的分析研究，可以得出多种渗流形式，并为边坡上水压力、初始含水量以及流量的确定提供有效的参考依据。边界条件模式一般情况下主要有以下两种：第一种情况是当土壤入渗能力大于降雨强度时，总降雨入渗。第二种情况是土壤入渗能力小于降雨强度时，局部降雨入渗。降雨初始期间，由于地表水梯度较大，降雨入渗率较高。这个期间段也可看作是流量控制段，能够将雨自由或无压进行渗透；并随水体梯度不断变化。如果土壤区域饱和，坡度也不断缩小，则会使水头边界条件发生转变，形成地表径流。所以，降雨具体入渗量在很大程度上是由土壤初始水分、降雨持续时间、强度、土壤性质、吸水条件以及入渗坡度所决定。详情如图1所示。

3 数值模拟与分析

3.1 计算模型、边界条件

如图2所示，以某路基边坡剖面为对象，作有限元处理。其中边坡为分台阶填筑,边坡比例为1∶1。图中为高填边坡，高度可达20 m。路基土体全都采用均质土。路基底部为地下水位,土体饱和含水率达到38%。一般情况下，路基边坡坡顶及坡面含水率为20%。

3.2 计算参数

依据Fredlund 数据库，计算模型的渗透性与土水特征曲线，其中饱和的渗透系数为1×10-6m/s。

3.3 计算结果与分析

3.3.1 边坡无裂隙条件

1)非饱和降雨情况下, 流量边界降雨强度为R=1×10-7m/s,孔隙水压力土体含水率均无明显变化,降雨历时如果达到9 d，则水气迁移深度可达4 m,迁移速度也会变小，从而导致下浸润速度放缓。水分变化率会降低至21.5%～23%,入渗量也会不断减少。由此可以看出，影响边坡安全性与稳定性的主要因素在于随降雨入渗土体重度变化而变化的土压力。非饱和降雨情况下，并未对路基边坡造成很大影响。2)静水情况下，路基边坡降雨入渗饱和深度达到2 m,2 m以下孔隙水压力及含水率有很大起伏。含水率与初始孔压分布为3 d，到达9 d后路基边坡饱和区域土层能够达到3 m。

3.3.2 边坡有裂隙条件

如果边坡已有裂缝出现，此时就需通过路肩排水沟对裂缝的具体情况进行模拟。雨水刚降时就需考虑裂缝的设计，使其能够始终处于饱和状态，以确保降雨时能够通过裂缝先行下渗到土壤中。结果表明：1)降雨时，通过裂缝下渗能够在2 h内使裂隙达到饱和状态。一般情况下，孔隙体积往往在1内，含水率通常在28%～22%上下波动。而在1.8内，其含水率与水压力均有较大起伏。且如果降雨历时较长，受水分分布区域的制约，湿峰将会不

断向下位移，此时对比非饱和土壤，排水沟裂隙渗流情况就会不断削弱，从而使得雨水不断向裂隙水下渗。如果渗流情况已经持续到10 h，孔隙压力与断裂带水分分布情况的联系也会越发紧密。其中，饱和裂隙对于雨水下渗过程中的水分坡度也有着直接的关联。2)非饱和土在降雨入渗条件下，小路基边坡水分分布变化所引起的流量边界条件。如果排水沟内的积水向裂隙中下渗，则会使得路基内的水分分布情况发生改变，其中坡顶向下5 m处时间的变化最为明显。 此时对土质边坡稳定性的影响是受入渗影响土体重度由含水量增加而增长的主动土压力，其增长量大于无裂隙条件下，裂隙处的静水压力及扬压力，以及达到饱和时抗剪强度指标的降低。

1)路基边坡降雨渗流规律与土壤性质、降雨持续时间、强度均有着直接的关联。初期干土往往具有很强的渗透速度及基质，而由于时间的推移，路基表面土壤不断趋于饱和状态，水分梯度减小，土壤入渗力及吸力均不断下降，出现积水状况。随着降雨历时的增加，土壤饱和区的膨胀，会影响路基边坡的稳定性。2)当边界条件的变化，即低渗填土的流动边界条件，在路基边坡含水量变化不大的情况下，短期降雨强度的分布对于路基的安全性不会产生很大的不利影响。3)路堤较高时，如果降雨历时较长，很容易形成渗流场，水位会上升使边坡不利于稳定性，会加速过渡饱和区的形成。上排水与土壤软化会造成山体滑坡等灾害。所以在高填方路基施工应设计排水管道及排水垫层。4)如果路基开裂产生裂隙，在雨水的作用下，会使得裂隙周边土壤发生巨大转变，直接影响到边坡的安全性与可靠性。所以，第一次填筑路基时，完成开挖后，即可对路基表面进行封闭处理，以免因降雨渗流导致路基膨胀，产生裂隙。此外，还需做好路基的日常保养与维护工作，加强巡视与检查，对于路面开裂情况早发现早处理，尽可能的避免出现因路面开裂损害路基的情况，以提高路基的安全性与稳定性。

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[7] 姚祖康.公路排水设计手册[M].北京:人民交通出版社,2002.

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

李树军(1983- )，男，工程师

U416.1

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