蓄滞洪区高速公路粉砂土路基渗流特征与稳定性分析

许忠印，高新文，赵彦生

（河北雄安京德高速公路有限公司，河北 保定 071700）

0 引言

修建在行、滞洪区内的路基在使用过程中可能会受到行洪时的冲刷与滞洪时的浸泡，对路基的稳定性有较大影响，路基除满足强度、刚度要求外，还应具备渗透稳定性和增湿及干湿循环条件下结构与材料的耐久性。因此，进行蓄水时路基的渗流特征和稳定性分析具有重要意义。

学者们对水位变化时路基的渗流场与稳定性开展了诸多研究。李清华等[1]基于饱和-非饱和渗流理论分析了洪水作用时路基边坡浸润线随水位变化时的分布规律，指出渗流作用时，通过减缓坡度可以有效提升边坡的稳定性。楼晓昱等[2]研究了沿湖路基边坡的渗流特征，指出孔隙水压和含水率均随水位上升而增大，随水位下降而减小。张文杰等[3]基于有限元法模拟了岸坡内孔隙水压的分布情况，并利用极限平衡法对边坡的稳定性进行了分析。翟自强[4]采用试验方法模拟强降雨条件，分析了降雨过程中黄土渗透特性的变化规律，指出距离黄土边坡坡面越近，渗透性越强。陈亨庄[5]通过数值模拟研究了不同降雨条件对边坡渗流场要素的影响规律，指出孔隙水压与边坡深度成正比。杨煜等[6]依托临长高速公路，研究了不同降雨条件下含软弱夹层土坡的渗流特性。施汝军等[7]采用MIDAS/GTS软件研究了降雨时间、雨量、降雨强度等对路基边坡稳定性的影响，并给出了土质路基边坡加固的建议。刘向南等[8]采用传递系数法建立了渗流作用下的路基边坡模型，研究了传递系数法的隐式解法、显式解法，并分析了路基边坡条块间力倾角变化对稳定性的影响。由以上分析可知，既有研究对水位变化下路基的渗流场与稳定性开展了诸多工作，但当前对蓄滞洪区粉砂土路基水位变化时渗流场与稳定性影响的研究仍不多见。为保障蓄滞洪区内高速公路粉砂土路基的运营安全，研究蓄滞洪区内水位升降对路基渗流场与稳定性的影响十分必要。

本文以蓄滞洪区粉砂土路基为研究对象，利用GeoStudio软件建立有限元模型，基于渗流理论研究水位变化方向、变化时间等因素对路基渗流特征和稳定性的影响，为蓄滞洪区内高速公路路基的安全运营提供参考。

1 渗流理论

1.1 达西定律

水在土中的渗透关系可以用达西定律表示，如式（1）所示。

式（1）中：υ为渗透速度；Q为流量；k为渗透系数；A为过水断面面积；i是水力梯度。

1.2 渗流基本微分方程

土体渗流连续方程如式（2）所示。

式（2）中：α为介质压缩系数；ρ为流体密度；β为水的压缩性；H为水头；υx，υy，υz分别为x，y，z方向的渗流速度。

结合达西定律，将υx=-kx∂h∂x，υy=-ky∂h∂y，υz=-kz∂h∂z代入式（2）可得：

式（3）～（4）中：kx，ky，kz分别为x，y，z轴方向的渗透系数；Ss为单位贮存量（尺度为1/L）；H为水头。当Ss不为零时，水头随时间变化，渗流属于瞬态渗流；当Ss为零时，水头不随时间变化，渗流属于稳态渗流。

1.3 渗流边界条件

渗流边界条件主要由水头边界条件、流量边界条件和混合边界条件确定。水头边界条件由式（5）确定：

式（5）中：H为总水头；u为孔隙水压力；h为位置水头。

流量边界条件由式（6）确定：

式（6）中：υn为单位面积边界上穿过的流量；t为时间。

混合边界条件由式（7）确定：

式（7）中：α、β为边界各点的已知数；h为边界水头；n为外法线。

2 模型建立

2.1 工程概况

北京新机场至德州高速公路京冀界至津石高速段是《河北雄安新区规划纲要》中“四纵三横”区域高速公路网的重要组成部分，为纵四线的一期工程，是雄安新区使用北京新机场最主要的高速公路，也是雄安新区与冀东南、鲁西之间的重要联系通道。路线穿过大清河东淀和文安洼蓄滞洪区。

东淀是大清河南北支洪水汇流后的缓洪滞沥区，地势西高东低，1966年以前，东淀内常年积水，是一个行洪滞沥洼淀，也是个渔苇生产综合利用洼淀。目前由于水源短缺，生产方式改为以农作物种植为主。文安洼位于大清河下游，处于平原区，其上游来水均来源于太行山区。暴雨多集中于太行山迎风坡，山区下垫面上溪流纵坡大，南拒马河、北拒马河、白沟河、沙河、储龙河等上游河道坡降大。由于坡度较陡，河系发育树枝状不明显，而平行状占优势，大部分河系都成平行状分布。因此，河道上游各支流源短流急，洪水来势迅猛，暴雨之后1～2h河道即产生洪水。

2.2 几何模型

针对京德高速公路文安洼蓄滞洪区路基工程，采用GeoStudio软件建立路基有限元模型。路基顶面宽度为34m，高度为9m，坡率为1∶1.5，地基高度为5m。模型网格单元设置为0.5m，共划分2 943个单元、3 090个节点，路基断面图见图1。

2.3 填料参数

模型中地基土体参数主要通过地勘报告获得，路基填料主要为粉砂土，粉砂土的土水特征曲线与渗透系数主要根据Fredlund and Xing理论获得，粉砂土的土水特征与渗透系数见图2。

图2 粉砂土的土水特征与渗透系数

粉砂土的基本物理力学材料参数见表1。

表1 粉砂土物理力学参数

2.4 研究工况

假定蓄滞洪区水位仅在路基左侧发生变化，路基右侧无水位，水位的上升与下降均为匀速变化。根据水位的变化方向和变化时间，分为六种计算工况，研究工况见表2。

表2 研究工况

3 结果与分析

3.1 路基渗流场变化规律

以未发生渗流时路基与地基内孔隙水压力为初始值，分别分析水位变化方向、时间等因素对路基孔隙水压的影响。水位变化时，粉砂土路基孔隙水压分布见图3。由图3可知，当水位由路基底部上升时（工况一），由于变化时间较短，路基内孔隙水压呈凹形分布，变化值集中在路基左侧；当水位由路床地面下降时（工况四），路基内孔隙水压呈凸形分布，由于路基由饱和状态变为非饱和状态，孔隙水压变化值分布较均匀。

图3 粉砂土路基孔隙水压分布

六种计算工况下路基内部同一位置处的孔隙水压随时间变化规律见图4。由图4可知，水位上升时路基内孔隙水压与时间变化呈正比，时间达到最大时，孔隙水压达到最大值；水位下降时，孔隙水压与时间呈反比。此外，当水位上升时间越长，路基内部达到的孔隙水压越大；水位下降时间越长，路基孔隙水压越小。因此，与工况一和工况二相比，工况三对边坡的稳定性最差。与工况四和工况五相比，工况六中路基边坡的稳定性最好。

图4 路基孔隙水压随时间变化规律

水位变化时六种工况下路基内的浸润线分布规律见图5。由图5可知，工况一中路基内部浸润线呈凹形分布，工况二与工况三中的浸润线分布较平缓。主要原因是水位上升会使路基土体由非饱和状态变为饱和状态，当水位上升速度较快时，土体的渗透特性使浸润线存在一定的滞后效应，当水位上升速度缓和时，滞后效应则不再明显。工况四中路基内部浸润线呈凸形分布，工况五与工况六中的浸润线分布较平缓。主要原因是水位下降使路基土体由饱和状态变为非饱和状态，当水位下降速度较快时，土体的渗透特性使浸润线存在一定的滞后效应，当水位下降速度缓和时，滞后效应则不再明显。

图5 浸润线分布规律

图5 续

3.2 路基稳定性变化规律

六种工况下的路基边坡稳定安全系数见表3。由表3可知，在水位上升的三种工况中，工况三的安全系数最小，为2.105；在水位下降的三种工况中，工况六的安全系数最大，为2.155。进一步说明，当水位上升时，水位变化时间越长，路基稳定性越差；当水位下降时，水位变化时间越长，路基稳定性越好。

表3 不同工况下路基边坡安全系数

4 结语

本文采用GeoStudio软件对蓄滞洪区粉砂土路基的渗流特征与稳定性开展了研究，分析了水位变化方向、变化时间对路基渗流和稳定性的影响。当水位上升时，水位变化时间越慢，路基内孔隙水压力越大，路基安全系数越小，稳定性越差；当水位下降时，水位变化时间越慢，路基内孔隙水压力越小，路基安全系数越大，稳定性越好。