降雨诱发岗头隧洞工程边坡坡角渗透破坏研究

作者：吴竞易宝龙王若晗胡淼刘勇来源：《武汉大学学报（工学版）》日期：2022-09-24人气：547

我国大部分地区夏季多为暴雨期，剧烈的降雨入渗会导致边坡坡脚处孔隙水压力急剧升高，进而降低土体的有效应力，使土体的黏聚力及抗剪强度降低，这是导致滑坡等一系列工程地质问题的重要因素^［1］。边坡失稳受到多重不确定性因素影响^［2］，降雨入渗使岩土体下滑力增大^［3-5］，当边坡具有较大的软弱夹层时，相对于底层较坚硬的基岩，将较大幅度地削弱岩土体的抗滑力，且由于软弱夹层具有较高的渗透性，遇水极易软化，软化后其抗滑能力将逐渐降低^［6］，导致边坡的安全系数降低，从而造成滑坡、泥石流等工程地质问题发生。

三维有限元模型分析已经成为国内对边坡地貌地质灾害的危险程度进行评估的重要手段^［7，8］，本研究基于河北省南水北调中线边坡地质滑坡防护工程背景，结合具体工程实例和施工情况，以三维模型模拟降雨、坡面、复杂节理裂隙条件下边坡地貌地质灾害形成过程，为实际工程的边坡提供三维模型指导。如图1所示，以岗头隧洞进口闸旁侧的复杂边坡为主要分析区域，该边坡岩土体为弱风化燧石条带白云岩，存在较多节理裂隙发育及较多以碎石、土等成分的软弱夹层。图2为含软弱夹层边坡的二维断面图。

图1 分析区域（虚线框内）平面示意图

Fig.1 Plane sketch of research area(area in dotted box)

图2 含软弱夹层边坡破碎带示意图

Fig.2 Schematic diagram of slope fracture zone with weak interlayers

为保证边坡稳定性，南水北调中线工程漕河段岗头隧洞周围边坡大多采用喷锚支护，喷锚支护借高压喷射水泥混凝土和打入岩层中的金属锚杆的联合作用加固岩层，以防止岩体松动分离^［9］。由于混凝土喷锚层的渗透系数很低，入渗的雨水难以排出会导致坡脚处的孔隙水压力无法消散，孔隙水压的存在一方面会导致土体有效应力降低，另一方面孔隙水压导致的渗透力会将喷锚层下方的土体从排水设施中冲出，导致喷锚层下方出现大量的空洞，同样也会进一步诱发边坡失稳。因此，探究降雨入渗对边坡安全性影响以及设计合理的排水措施是保证边坡安全稳定的重要因素。现场因土体流失导致喷锚层的下方空洞问题如图3所示，该工程涉及的岩土特性如表1所示。

图3 土体流失导致喷锚层的下方出现空洞

Fig.3 The loss of soil results in a cavity below the spray anchor layer

表1 岩土体力学参数

Table 1 Mechanical parameters of rock and soil mass

岩体类型	重度γ/（kN·m^-3）	杨氏模量/MPa	泊松比	摩擦角/（°）	黏聚力/kPa
弱风化燧石条带白云岩	28.0	90 000	0.25	30	15.00
破碎带	18.0	90 000	0.30	20	10.73

1 有限元模型

1.1　剖面选取

本文分析了漕河段岗头隧洞边坡的地质结构，为便于有限元模型的建立及剖面的选取，将涉及的剖面简化为均质岩土体，选取岗头隧洞所在边坡的3个典型剖面进行分析计算，图4（a）为岗头隧洞整体几何示意图，剖面位置如图4（b）所示。本文对喷锚支护后的边坡在降雨入渗条件下孔压的大小与分布情况进行了系统研究，深入探索该边坡发生破坏的深层原因。图5为该模型软弱夹层的分布示意图，其中蓝色区域为破碎带，红色区域为岩体。

图4 岗头隧洞整体及剖面选取示意图

Fig.4 Schematic diagram of the selections of overall and sections of the Gangtou tunnel

图5 含软弱夹层边坡的破碎带三维图（蓝色区域为破碎带）

Fig.5 Three-dimensional distribution diagram of the fracture zone of the slope with weak interlayers (the blue area represents the fracture zone)

1.2　模型建立

使用有限元软件ABAQUS 2018分别对3个剖面建立模型，以模拟降雨入渗条件导致边坡的渗流场及应力场的变化。图6为3个模型的网格划分，3个模型的边界条件、几何尺寸均根据实际工程取定，模型的岩石力学参数如表1所示。土体采用摩尔-库仑塑性本构模型，针对本研究的实际情况，降雨条件的设置边界ABCDE有混凝土护坡，故将其设置为不透水边界，而坡顶未设置混凝土护坡，降雨从坡顶EF段渗入，降雨强度为0.02 m/h，模型的下边界为岩石层，故将其设置为不透水边界。以剖面1为例，模型降雨边界的设置如图6（a）蓝色箭头所示，所采用的降雨强度幅值曲线如图7所示。针对剖面1建立的有限元模型有3 143个四边形4节点单元，针对剖面2建立的有限元模型有4 014个四边形4节点单元，针对剖面3建立的有限元模型有4 020个四边形4节点单元，均采用CPE4RP单元类型进行流固耦合分析计算。

图6 网格划分示意图

Fig.6 Grid division diagram

图7 本文采用的降雨强度幅值曲线

Fig.7 The amplitude curve of rainfall intensity adopted in this study

2 有限元分析

2.1　渗透力

为更好地评估渗流对边坡稳定性的影响，引入渗透力的概念对边坡的渗流过程和稳定性进行研究。Shin等^［10］采用流固耦合分析方法对某地基反力曲线进行分析，发现渗流力对隧道及边坡的稳定性有显著影响。渗透力是作用在土颗粒上的体积力，对土体发生渗透变形起着重要作用，同时揭示了管涌发生的机理和渗流形成的潜在路径，其方向与渗流方向相同，有使土颗粒发生沿渗流方向运动的趋势，其值等于土粒对水流的阻力^［11］。单位渗透力是作用在单位体积上的渗透力，计算公式为

f=γ_w×i

(1)

式中：f为单位渗透力；γ_w为水的容重；i为渗透坡降。

2.2　剖面1有限元计算结果

通过降雨入渗条件下的边坡模拟，得到降雨70 h后的计算结果，剖面1的渗流场计算云图如图8所示，图8（a）为该剖面的孔隙压力分布云图；图8（b）为该边坡的渗透系数分布情况，本文中渗透系数采用沿深度线性增加的分布，底层土由于长年受到来自上层覆土的压力，相较上层土体更为密实，渗流流体通过的能力也相应较小，其渗透系数也会相较于上层土更小；图8（c）为该剖面的渗流流速分布及矢量云图，其中箭头所示方向为渗水流动方向，可以看出坡脚的位置呈明显的红色，坡脚处流速值较大，说明该位置受到雨水冲刷较易发生渗流破坏，为危险位置。根据式（1）得到单位渗透力大小分布云图如图8（d）所示，并进一步进行该边坡的渗流破坏评估。

图8 剖面1渗流场计算云图

Fig.8 Computational cloud image of unit seepage field in section 1

由图8（a）可见，雨水入渗导致渗流作用使边坡的下滑力增加，该边坡坡脚位置土体受到较大的渗透力，表明该处土体受到降雨渗流影响导致较强的渗透力，此处土体受到渗流的拖曳力，较易发生渗流破坏（流土等）。同时，入渗的雨水难以排出，会造成坡脚处的孔隙水压力无法消散，土体有效应力降低，对土体埋置结构的稳定性造成较大影响，导致该边坡的应力重分布，同时由于该边坡有较大的软弱夹层存在，降雨入渗导致边坡失稳，极有可能进一步诱发泥石流现象。应对坡脚处采取相应措施，以预防和减小降雨入渗对其稳定性的影响。

2.3　剖面2有限元计算结果

剖面2的渗流计算结果如图9所示，与剖面1相似，坡脚处土体受到较强的降雨冲刷，在此处产生了较强的渗透力，土体颗粒受到渗流的拖曳力，较易发生渗流破坏，影响该边坡的应力分布，对边坡及相应的土体埋置结构的稳定性造成较大影响。软弱夹层严重影响了边坡的整体稳定性，降雨是边坡发生滑塌及泥石流的主要诱导因素之一。

图9 剖面2渗流场计算云图

Fig.9 Computational cloud image of unit seepage field in section 2

通过计算结果可以看出，由于上部土体非饱和，在降雨开始时会首先补充土体缺失水量，增大孔隙压力，随着降雨的不断持续，由于底部土层相对于上部的土层渗透系数较小，为相对隔水层，从而造成土体坡脚处流速及渗透力较大，较大的软弱夹层的主要成分为碎石和土，在受到较大的渗透力对其产生拖曳效果时极易失稳，继而诱发山体滑坡、泥石流的形成。

2.4　剖面3有限元计算结果

剖面3的渗流计算结果如图10所示，由图10可见，土体坡脚处流速及渗透力较大，得出的结论与剖面1、2的结果相似，土壤体积含水率的增加是诱导边坡失稳的重要因素之一，尤其是在含较大软弱夹层的边坡中，由于软弱夹层的高渗透性，雨水可以很快入渗至软弱夹层内部^［12］，加快了边坡土壤体积含水率的增长速率，使其抗剪、抗滑能力迅速降低，最终导致边坡失稳。坡面和坡脚处的土体受到较强的降雨冲刷，相较边坡的其他位置，这2处受到较强的渗透力，土体颗粒在渗流的拖曳力下发生移动，较易造成渗流破坏的发生，有可能导致喷锚层下方出现大量的空洞，从而进一步诱发边坡失稳。

图10 剖面3渗流场计算云图

Fig.10 Computational cloud image of unit seepage field in section 3

3 结语

滑坡的发生往往是由长时间强降雨引起的，可见降雨入渗是影响边坡渗流和稳定的重要因素，本文对岗头隧洞段边坡进行数值模拟，建立了该边坡的三维模型，并从中选取了3个典型剖面进行有限元计算，通过分析3个剖面的分布云图，得到了以下结论：

1）本文初步研究了降雨入渗对岗头隧洞边坡的稳定性及渗流场的影响，使用有限元软件ABAQUS 2018分别对3个剖面建立模型，在该模型底部渗透系数沿深度为0.14~0.15 m/h的区间内，相较于顶部的渗透系数更小一些，这是由多年沉积等原因形成的，但坡脚处流速及渗透力仍较大，说明在降雨冲刷下边坡坡脚位置存在极大的失稳概率，需要对该位置采取一定的支护措施。

2）该边坡软弱夹层由碎土和砂石组成，其渗透性能相较岩土体较好，降雨时软弱夹层的存在会降低边坡滑体的抗滑力，降低安全系数，同时使边坡发生滑坡等工程地质问题可能性增大，应当在滑坡形成前对软弱夹层进行剥离移除或加固处理。

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