不同降雨模式下的土质路基边坡渗流场探索

施汝军，赵 云，罗 瑛，蔡一超

1.云南云岭公大公路工程有限公司，云南 昆明 650034

2.楚雄公路局元谋分局（格巧高速公路建设指挥部），云南 楚雄 651301

3.保山公路局，云南 保山 678000

4.云南省公路科学技术研究院，云南 昆明 650011

1 降雨入渗理论

路基渗流是集空间与实践为一体的动态化变化过程，对于雨水渗透量而言，存在较多的影响因素，包括土壤性能、降雨的时间及强度等。基于降雨强度与土体渗透性两者之间存在的关系，通常降雨形式的边界条件包括以下两种情况：第一，当降雨强度超过路基土体入渗能力时，雨水不会完全渗入土体中，会形成相应积水或者地表流经；此时需要应用到顶水头边界条件[1]；第二，土体渗透能力高于降雨强度时，降雨会全部渗入于路基土体中，此时的边界条件为流量一定。一般降雨主要包括两个过程：首先，地表水势存在较大的梯度，并且雨渗度较高，该环节是流量控制阶段，不存在自由入渗或压力入渗情况；其次，长时间的雨水入渗，水势梯度及入渗率均会逐渐降低，小雨降雨情况下，路基土体会逐渐饱和，进而会形成地表积水，为了避免出现水体压力入渗情况，需要修改为水头边界条件[2]。

2 不同降雨模式下的土质路基边坡渗流场分析

2.1 工程概况

案例工程为省级公路工程，该项目为新建路段，公路全长10.167km，路面宽度为7.5m，路基宽度为8.5m，以二级公路设计标准进行建设，设计时速为40km，线路中共有38处涵洞、2座桥梁、19出深路、10处高路堤，填挖基本平衡，填方高度超过20m的路堤为10段，文章以某高路堤边坡为研究对象，其高度约26.8m，为3级边坡。

2.2 数值模拟分析

（1）模型介绍。在软件数值分析中，确定边坡分析模型尺寸尤为重要，若模型尺寸较小，会在一定程度上限制实际的计算结果，精度很难保证；若模型尺寸过大，会使软件面临较大的计算量，相对计算时间会很长，同时会对计算机运行速度有更高的要求，这种情况下会增加软件的出错率。从以往类似工程研究成果中可以得出，通常边坡会利用2D模型进行计算，横向分析尺寸是边坡高度的6倍，竖向分析尺寸为边坡高度的3倍。通过MIDAS/GTS软件进行模拟分析，各土层物理参数如表1所示。

表1 各土层物理参数表

（2）渗流控制方程。渗流控制公式如下：

式中：kx、ky分别为x方向与y方向上的渗透系数；Q为边界上的流量；γw为水的容重；t为时间；mw为阻流系数；H为总水头。

（3）数值模拟。基于稳态渗流分析下，获得初始渗流场，得出稳态分析边界条件：节点流量q=0，总水头Hw=4m。水土特征曲线模型如下：

式中：θ为体积含水率；φ为吸力水头，cm；θr为剩余体积含水率，取值为0；θs为饱和体积含水率，取值为0.45；α、n、m均为拟合参数，分别取值为0.018、1.179、0.152。

式中：ks为饱和渗透系数，取值为0.001m/h；k为非饱和土渗透系数。

3 不同降雨模式下渗流场的变化规律

3.1 降雨时间及雨量的影响

文章选择四种有代表性的降雨模式，分别为均布型、前峰型、中峰型及后峰型。模拟某次降雨持续时间为120h，降雨总量达到480mm，得出均布型降雨平均强度为4mm/h，其余降雨模式降雨强度为8mm/h。持续降雨时，会逐渐延长路肩处最大孔隙水压力的发生时间，前峰型的发生时间是在降雨时程4/10时；中峰型发生时间是在降雨时程6/10时；降雨时程8/10～9/10是前峰型最大饱和深度发生时间。在降雨持续时间的不断延长下，总水头会逐渐减小。即便总降水量均为480mm，但由于降雨持续时间的延长，减弱了降雨的平均强度以及峰值强度，这为水分向路基深处渗透提供了充足的时间，进而减少了路基表层可以达到的最大饱和深度。短暂暴雨时，峰值及降雨强度很快会超过土体渗透能力，此时形成的孔隙水压力会更大。

3.2 降雨强度的影响

在降雨过程中，雨水会不断渗入路基中，孔隙水压力与饱和深度会逐渐增加，直至达到最大值，进而使路基边坡处于最不稳定状态。降雨结束时，均布型及后峰型降雨模式边坡最不稳定；前峰型及中峰型的降雨模式会在降雨某一时刻达到最大饱和深度及最大孔隙水压力。四种降雨模式下，后峰型降雨模式导致的孔隙水压力是最大的，位列第二的是中峰型，随后是均布型，最小的是前峰型。随着降雨强度的增加，后峰型的路肩处最大孔隙水压力会迅速增长，增长速率最慢的则是前峰型。产生最大饱和深度的是后峰型降雨模式，最小的是前峰型降雨模式，均布型与中峰型相比，均布型对应的最大饱和深度较大，尤其是随着降雨强度的不断增大，这种差异会更为明显。由此可知，不同降雨模式下，对路基边坡产生的影响也有所不同，导致边坡稳定程度存在差异。后峰型降雨模式对路基边坡稳定性产生的影响最大，产生影响最小的是前峰型降雨模式，在降雨强度不断增大的情况下，两者会有更为明显的差异，出现这种情况的原因主要是降雨强度峰值出现早，水分渗入路基内的时间延长，路基表层的饱和深度及孔隙水压力会相对较小，产生的影响也最小。

3.3 饱和渗透系数与路基边坡最不稳定时段间的关系

当饱和渗透系数位于敏感区域及敏感区域外相对较小的一侧时，若降雨模式相同，则路肩处的孔隙水压力基本会在同一时刻达到最大值，与饱和渗透系数并不存在较强的相关性；当饱和渗透系数处于敏感区之外较大一侧时，中峰型及前峰型降雨模式在饱和渗透系数增大的情况下，路肩处孔隙水压力最大值时间有所提前，故可以在短时间内达到最大的孔隙水压力，但此时孔隙水压力仍为0。可见，饱和渗透系数在敏感区内，路基边坡稳定性所处时段与饱和渗透系数之间存在较为显著的相关性，具体而言，当饱和渗透系数发生改变时，达到路基边坡稳定性最不利阶段的初始时间未出现变化，但降雨模式为前峰型与中锋型时，当饱和渗透系数增加时，最不利时段的终点会提前到来。

4 土质路基边坡加固的具体建议

边坡防护与加固是保证边坡稳定、维持与恢复因公路建设而破坏的生态系统平衡、改善沿途景观的重要措施。目前，常见的边坡防治措施根据防治目的不同可以归纳为三种：排水措施、防护措施、加固措施。例如在边坡坡脚位置处设置挡土墙，进而抵抗坡体产生的水平位移，可以根据实际情况选择挡土墙的结构形式[3]；也可以在坡脚或者坡面处设置抗滑桩，利用抗滑桩的受荷段与桩背土体、桩侧阻力间的土拱效应，有效防止滑坡体从抗滑桩间滑出[4]，但其造价较高，通常在大型边坡体抗滑中应用较为广泛。排水措施又可分为边坡表面的截排水措施及坡体内的截排水措施。云南地处亚热带多雨地区，公路边坡工程地质条件复杂，应着重关注公路边坡的稳定性问题，做好边坡防护及加固工作，从实际出发，制订出科学合理的加固措施，减少边坡病害的发生。

5 结束语

综上所述，不同降雨模式下，短时强降雨产生的孔隙水压力更大，但减小速率越来越小。文章提出的四种降雨模式均会对土质路基的稳定性产生相应影响，影响最大的是后峰型降雨模式，影响最小的是前峰型降雨模式，一旦土质路基的稳定性降低，则会降低其使用性能，极易产生路基边坡地质灾害，因此需要采取有效手段，并做好路基边坡加固工作，以确保土质路基具备较高的稳定性。