防渗对降雨引起的膨胀土路基渗流场的影响

王仕传，沈海生，程　桦

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601)



防渗对降雨引起的膨胀土路基渗流场的影响

王仕传，沈海生，程桦

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601)

摘要：采用有限元软件ABAQUS对由降雨引起的城市道路路基渗流场进行数值模拟。在降雨量一定的情况下，根据采用和不采用防渗措施时路基中饱和度和含水量的分布，分析降雨强度、土工膜防渗以及防渗深度对路基中水分分布及迁移的影响，并探讨土工膜防渗对控制城市道路膨胀土路基胀缩变形的意义。分析结果表明：降雨强度越低，雨水入渗引起的路基含水量变化量越大，沿路基横断面分布越不均匀；土工膜防渗以后，路基受降雨的影响明显下降，随着防渗深度的增加，降雨对路基中含水量分布的影响显著减小；防渗可控制降雨引起的膨胀土路基膨胀变形的发展。

关键词：道路工程；渗流场；土工膜；防渗；数值模拟

0　引　　言

膨胀土是一种具有显著遇水膨胀、失水收缩特性的多裂隙粘性土，分布十分广泛。膨胀土地区，降雨后由于雨水入渗而引起地基土含水量增加，进而导致地基土隆起变形，这对于道路工程等轻型构筑物具有特别的危害作用。降雨入渗是典型的非饱和渗流问题。非饱和土水力特性随着吸力的变化而改变，降雨入渗规律非常复杂[1]。

大量研究表明[2-4]，降雨入渗将引起边坡渗流场发生变化，一方面使土体的孔隙水压力增加，有效应力降低, 导致土体抗剪强度的降低；另一方面，降雨入渗使边坡体内形成暂态饱和区及暂态水压力，其降低了边坡非饱和区的基质吸力，从而导致边坡的稳定性降低。吴宏伟[5]等用有限元法模拟雨水入渗引起的土坡暂态渗流场，分析降雨强度、降雨持时、雨型及土体渗透特性等因素对暂态渗流场的影响，并用极限平衡法研究渗流场影响因素对斜坡安全因素的影响。刘可特[6]等基于非饱和渗流及抗剪强度理论对边坡在相同降雨量、变雨强条件下的边坡渗流场及稳定性进行了研究，前期降雨强度小更利于雨水的后续入渗，从而使边坡表层负孔隙水压力上升速率及幅度更大，边坡安全系数的降低幅度与边坡渗流场密切相关，边坡体内负孔隙水压力越大边坡安全系数越大，反之则越小。李雄威[7]等从土体初始含水率和降雨强度出发，通过现场试验分析了膨胀土堑坡雨水入渗速率的变化特性。对于膨胀土堑坡，一定雨强连续的降雨才能使水分持续有效的入渗；土体含水率的变化主要取决于降雨的历时，而不是降雨强度。

上述有关雨水入渗引起的渗流场研究主要是围绕边坡问题展开的，有关城市道路路基在降雨作用下的渗流场问题研究较少。目前，膨胀土路基处治主要有换填、掺灰处置、铺设土工膜等工程措施。换填产生大量的弃借方量，占用大量土地。掺灰处置主要是降低膨胀土的胀缩特性，但掺灰处治工程量大，污染环境，工期受天气影响大。上世纪60年代，美国在膨胀土地区公路建设中开始采用防水土工膜处治路基。先是在膨胀土地基中水平铺设防水土工膜，后来在水平和竖向都铺设土工膜，目的都是为了隔断水分的迁移。通过尽量减少膨胀土体湿度的变化，进而达到减少土体胀缩变形的目的[8]。

合肥市职教城某城市道路路基两侧采用土工膜防渗，本文采用通用有限元软件ABAQUS对降雨作用下该路基中的渗流场进行数值模拟，在降雨量一定的情况下，根据防渗和不防渗时路基中饱和度和含水量的分布，分析降雨强度、土工膜防渗以及防渗深度对路基中水分分布及迁移的影响，进而探讨土工膜防渗对控制城市道路膨胀土路基胀缩变形的意义。

1　有限元计算

1.1工程概况和有限元模型

该城市道路宽5m，路面结构层厚0.67m；路基土为中弱膨胀土，路基中水分变化主要受大气降水及地表水下渗影响；路基两侧均设置土工膜防渗，起防水、保湿作用；路面两侧地表土裸露。根据对称性，数值模拟时道路结构只取其中的一半作为研究对象。作为对比，路基渗流场分析考虑两种工况：一种考虑防渗，另一种不考虑防渗。图1为有限元计算的几何模型，其中，水平方向取6.5m(路面结构宽2.5m)，竖直方向取4.67m(路面结构厚0.67m)，土工膜防渗深度考虑三种情况，分别为0.5m、1m、1.5m。

路基渗流场按非流固耦合平面应变问题进行分析。有限元模型中，路面结构、路基及防渗膜均采用两维四节点减缩积分孔隙平面应变单元CPE4RP，通过降低路面结构和防渗膜单元的渗透系数模拟其不透水特性。对于无防渗工况，防渗膜单元和路基土单元取相同渗透系数。

1.2降雨特征及边界条件

降雨入渗是地下水随时间和空间变化的饱和非饱和运动过程。雨水的入渗量受降雨强度、降雨持时、地基土初始含水量、入渗面特征、植被覆盖情况等诸多因素的影响。当降雨强度超过地基土的入渗能力时，将在地表产生径流或积水，在地基土体内部形成不断扩大的饱和区。当降雨强度低于入渗能力，入渗过程受供水能力控制。一般降雨过程可分为两个阶段：开始时当地表水力传导率较大，同时其含水率梯度很大，入渗率也很高，一般大于降雨强度，此阶段为无压入渗或自由入渗；随着入渗的进行，含水率梯度不断减小，入渗率也不断降低，当其小于降雨强度时，开始形成地表径流或积水，此阶段为有压入渗[9-10]。

有限元计算中降雨边界条件按两阶段进行，降雨初期，地基土为非饱和状态，按流量边界条件考虑，流量等于降雨强度；随着雨水入渗，地表(入渗面)最先饱和，当地表饱和后，按水头边界条件考虑，压力水头取按流量边界条件计算时地表刚饱和时的水头。数值计算中，降雨量取100mm、均匀降雨[6]，降雨强度考虑三种，分别为：大雨(24h降雨量40mm)、中雨(24h降雨量20mm)、小雨(24h降雨量5mm)。降雨量、降雨强度、降雨持时等降雨特性见表1。

表1　降雨特性

1.3材料模型

数值模拟不考虑渗流引起的地基变形，仅做渗流场分析，路面结构不透水。与渗流有限元计算有关的路基和路基外地基物理特性指标及材料参数如下：

初始孔隙比e0=0.771，

初始含水量ω=23.8%，

初始饱和度sr=84.9%，

饱和渗透系数ksat=8.4×10-5m/h，

饱和-非饱和渗流计算需已知土水特征曲线。本文参照文献[11]中所述的V-G模型，并结合同类土的相关试验成果，推求的土水特征曲线见图2。

2　降雨强度及降雨持时对路基渗流场的影响

图3～图5为降雨强度及历时对路基渗流场影响的分析结果，其中，防渗膜防渗深度为0.5m，降雨量均为100mm，降雨强度分别为大雨(24h降雨量40mm)、中雨(24h降雨量20mm)、小雨(24h降雨量5mm)，相应的降雨持时分别为60h、120h、480h。图3为不同降雨强度路基饱和度分布云图(降雨终了时，下同)，饱和度分布云图表明，降雨量一定的情况下，降雨强度越大，对路基饱和度影响越小，降雨强度越小，路基受到的影响越大。

图4为路基下0.3m深度处含水量分布图。降雨强度为大雨和中雨时，临近路边附近路基含水量发生变化，靠近路基中间部分几乎不受影响；而降雨强度为小雨时，整个路基含水量都受影响，且沿路基横断面分布的不均匀性也明显提高。即，无论是绝对变化量，还是相对变化量，降雨量一定的情况下，小雨时的降雨强度对路基横断面含水量分布的影响最大。

图5为距路边2.5m处地表饱和度随降雨持时的时程曲线。由图5可知，降雨强度为大雨、中雨时，地表达到饱和的降雨持时和降雨量分别为：大雨，降雨持时15h，降雨量25mm；中雨，降雨持时59h，降雨量49.2mm；而降雨强度为小雨时，整个降雨持时和降雨量内，地表未达到饱和。而图3和图4表明，降雨强度是小雨时，降雨对路基含水量分布的影响最大。这说明，降雨强度越高，地表越易饱和。降雨强度为大雨时，地表饱和后，降雨引起的地表积水随地表径流流走，并不完全入渗地基内；而降雨强度为小雨时，降雨完全入渗至地基内，“绵绵细雨”对路基的影响更大。

3　土工布防渗对路基含水量分布影响

图3-图5表明，降雨影响路基含水量的分布。降雨量一定的情况下，降雨强度分别为大雨、中雨、小雨时，小雨对路基含水量分布影响更大。基于降雨强度对路基渗流场的影响分析，图6-图8为降雨强度为小雨时防渗与不防渗、不同的防渗深度对路基饱和度和含水量分布影响的计算结果。图6为无防渗时的饱和度分布云图，降雨以后，雨水由路面两侧地表入渗后，渗透至路基内；图中饱和度分布表明，历经降雨持时的雨水入渗，路基中的大部分受降雨显著影响，饱和度显著提高，并且沿横断面分布很不均匀。

图7为路基两侧设置不同深度防渗膜的饱和度分布云图，有图可知，防渗以后，路基受降雨持时的雨水入渗影响，明显小于无防渗时雨水入渗对路基的影响，防渗深度越深，经受的影响越小。

渗流场数值计算表明，设置防渗膜，只是延长渗流路径，降低水力梯度，在降雨强度和降雨持时一定的情况下，减小入渗至路基内的雨水量，并不能绝对防止雨水入渗至路基内，只有防渗膜下端置于不透水层，才能阻止雨水入渗至路基内。

图8为降雨后路基含水量沿横断面分布图，其中，图8(a)和图8(b)分别为路基下0.3m深度和0.8m深度含水量沿横断面的分布。无防渗时，路基0.3m深度处和0.8m深度处含水量沿横断面分布无论是绝对变化量还是相对变化量都非常显著；防渗深度为0.5m时，相比无防渗时的含水量分布，0.3m深度处路基含水量明显下降，但沿横断面的分布依然表现明显的非均匀性，而0.8m深度处路基含水量几乎不受防渗的影响，接近无防渗时情况，特别是靠近路边的位置；防渗深度为1m时，和初始含水量分布相比，两处含水量变化量明显下降，沿横断面分布也更均匀，特别是0.3m深度处；而防渗深度为1.5m时，两处含水量分布几乎接近初始含水量分布，0.3m深度处更明显。由此可见，防渗深度为1.5m时，土工膜具有很好的阻隔水分迁移对路基含水量影响的作用，特别是显著降低了雨水入渗对路床部分的影响。

膨胀土具有遇水膨胀、失水收缩的特性。降雨作用下，对于膨胀土路基，入渗至路基内的水分会导致路基含水量增加，进而引起路基土产生膨胀变形；膨胀变形特别是不均匀变形会进一步导致路面结构开裂，影响路面结构的正常使用。上述数值模拟结果表明，土工膜防渗后，降雨量和降雨强度一定的情况下，只要防渗深度满足一定的要求，降雨引起的路基含水量变化量，无论是绝对变化量还是相对变化量都显著下降。因此，土工膜防渗可显著减小降雨引起的膨胀土路基膨胀变形量。

4　结　　论

(1)降雨量一定的情况下，降雨强度越低，雨水入渗引起的路基含水量变化量越大，沿路基横断面分布越不均匀；随着降雨强度的提高，地表最先饱和，地表饱和后，地表积水随地表径流流走，雨水只是局部入渗至路基内。

(2)土工膜防渗以后，路基受降雨持时的雨水入渗影响，明显小于无防渗时雨水入渗对路基的影响，防渗深度越深，经受的影响越小。防渗延长渗流路径，降低水力梯度，在降雨强度和降雨持时一定的情况下，减小入渗至路基内的雨水量。

(3)防渗后，路基中的含水量变化幅度明显减小，防渗后含水量沿路基横断面的分布更加均匀。防渗深度越深，路床部分受降雨的影响越小。防渗可显著减小降雨引起的膨胀土路基膨胀变形量。

参考文献

1包承纲, 詹良通.非饱和土性状及其与工程问题的联系[J]. 岩土工程学报, 2006, 28(2): 129-136.

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3詹良通, 吴宏伟, 包承纲, 等. 降雨人渗条件下非饱和膨胀土边坡原位监测[J]. 岩土力学, 2003, 24(2): 151-158.

4李焕强, 孙红月, 孙新民, 等.降雨入渗对边坡性状影响的模型实验研究[J]. 岩土工程学报, 2009, 31(4): 589-594.

5吴宏伟, 陈守义, 庞宇威.雨水入渗对非饱和土坡稳定性影响的参数研究[J]. 岩土力学, 1999, 20(1): 1-14.

6刘可特, 李鹏, 刘志科.变雨强条件下土质边坡渗流场及稳定性研究[J]. 公路, 2012, (11): 147-150.

7李雄威, 孔令伟, 郭爱国.膨胀土堑坡雨水入渗速率的影响因素与相关性分析[J]. 岩土力学, 2009, 30(5):1291-1296.

8郑健龙, 杨和平. 公路膨胀土工程[M]．北京: 人民交通出版社, 2009．

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10雷志栋, 杨诗秀, 谢森传. 土壤水动力学[M]. 北京:清华大学出版社, 1998.

11Cho S E, Lee S R. Instability of unsaturated soil slopes due to infiltration[J]. Computers and Geotechnics, 2001, 28(3): 185-208.

Influence of Anti-seepage on Seepage Field of Expansive

Soil Subgrade Induced by Rainfall

WANG Shichuan，SHEN Haisheng，CHENG Hua

(School of Civil Engineering，Anhui Jianzhu University，Hefei 230601，China)

Abstract:Seepage field of urban road subgrade induced by rainfall was numerically modeled by finite element method ABAQUS. For given rainfall, based on distribution of saturation degree and water content in subgrade with and without anti-seepage measures, influence of rainfall intensity, anti-seepage of geomembrane and the impermeable depth on distribution and migration of moisture in subgrade was analysed. The meaning of anti-seepage of geomembrane on the control of swell-shrink deformation of expansive soil subgrade of urban road was also discussed. Analytical results show that the lower the rainfall intensity, the greater the variation of water content in subgrade due to rainfall infiltration is, and the more uneven the distribution of it along cross section of subgrade is. With anti-seepage of geomembrane, the influence of rainfall on subgrade is obviously decreased. As the depth of anti-seepage is increased, the influence of rainfall on the distribution of water content in subgrade is significantly reduced. Anti-seepage can control the development of swelling deformation of expansive soil subgrade subjected to rainfall.

Key words:pavement engineering; seepage field; geomembrane; anti-seepage; numerical modeling

中图分类号：U416.1

文献标识码：A

文章编号：2095-8382(2015)05-026-05

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150506

作者简介：王仕传(1975-)，男，博士，副教授，主要从事岩土工程、路基工程等领域的教学与科研工作。

基金项目：安徽省自然科学基金资助项目(1508085ME76)，安徽高校省级自然科学研究重点资助项目(KJ2012A053)

收稿日期：2015-03-23