降雨条件下带渗沟的路堑边坡渗流场分析

罗 泉

（湖南金君工程科技有限公司，湖南 长沙 410000）

0 引言

近年来，高速公路边坡垮塌事故频繁发生，而路基排水设施为保障路基及边坡稳定的重要设施。 带渗沟的路堑边坡稳定性的影响因素很多，其中影响因素最明显的外在因素是降雨。 研究表明，雨水的入渗不仅能使土体的含水率增大，增大坡体的下滑力，还能够使土体内部的渗透系数及孔隙水压力发生变化，从而进一步使得边坡土体内部的渗流场发生变化，最终影响路堑边坡的稳定性。 对不同降雨工况下排水设施的效果及路基边坡稳定性的影响进行了探讨和归纳,为后期施工提供理论性的依据。

1 渗沟路堑边坡模型

本文以湖南张家界某高速K4+272~K4+527 段右侧二级路堑边坡为例，边坡模型左右两侧分别高15m和35m，总宽度为48.6m；一级边坡坡率为1:0.75，二级边坡坡率为1:1，如图1 所示。 边坡模型依据地质勘探资料共分为三层岩土层，分别为：弱风化泥质砂岩（基岩）、 强风化泥质砂岩和黏土， 渗沟长1.1m、宽0.8m，设置在边沟下方，采用左右两侧透水，上下两侧不透水的构造。 具体设计参数如表1 所示。

图1 带渗沟的边坡模型

表1 边坡土层基本参数

本文除了考虑正常工况下排水设施的排水效果外，还设置了短时间强降雨和长时间弱降雨两种降雨方案进行降雨工况的模拟，具体方案见表2。

表2 降雨强度分布和参数设计

2 带渗沟的路基渗流场分析

2.1 基本参数

渗沟埋深计算参数： 路基填料渗透系数为2×10m/s，毛细水上升高度采用经验值1 m，湖南张家界地区属于非冻结地区即冻结深度为0， 渗沟内设计水深为0.4 m， 则渗沟的埋置深度h=0+0.5+1+2.9+0.4=4.8 m。渗沟属于隐蔽设施，有些施工方不按照设计要求施工导致埋深不达标，本文以此模型为例就渗沟埋深不达标的情况进行对比分析。

渗流量也是渗沟设计的主要参数，在此模型中边坡的左侧水头为15m，右侧水头为25m，按下式计算可得两侧的渗流量分别为：

为了更直观的判定排水效果，将路基变形量作为对比因素，因此涉及荷载的计算。 路基承受的荷载主要分为两部分：路面结构自重和车辆荷载。 在计算荷载时可以将其转换为作用效果相同的土层厚度，计算公式如下：

式中，N 为横向分布车辆数（辆）；Q 为每一辆车的重量（N）；L 为车辆前后轴的总距（m）；B 为横向分布车辆轮胎最外缘之间距离（m），计算公式为：

式中，b 为每一辆汽车轮胎外缘之间的距离（m）；d为与相邻车辆的轮胎外缘之间的净距 （m）；e 为轮胎着地宽度（m）。

上式各参数的取值可参考 （JTG B01—2014）《公路工程技术标准》，计算结果如下：

路面厚度按80cm 计算，其中，沥青混合料结构层厚20cm，容重为23kN/m；水泥混合料结构层厚60cm，容重为25kN/m， 根据路面结构层的容重将路面层换算成1m 高的当量土层。因此，将路基承受的总荷载转换为1.7m 填土高度，即在路基表面加载35.7KPa 的均布荷载。

2.2 渗沟排水效果分析

图2、图3、图4 给出了埋深不达标和设计埋深两种渗沟的排水效果图，从图中可以看出当渗沟埋深不达标时路基范围内水位线下降不明显，路基中心处水位线距路基顶面仅0.5m，小于毛细水上升高度；而按设计埋深的渗沟排水效果明显，路基中心处水位线距路基顶面有3.5m，远高于毛细水上升高度，渗沟达到了排水降压的目的，可以看出当渗沟未达到设计埋深时，对于路基排水作用有限。 水位变化图见图5。

图2 无排水孔隙水压力等值线

图3 埋深不达标渗沟孔隙水压力等值线

图4 设计埋深渗沟孔隙水压力等值线

图5 水位变化图

图6 给出了模拟公路建成通车1 年后路基在持续荷载作用下的变形量情况，从图中可以看出埋深不达标的渗沟对提高路基稳定性无作用，而在设计埋深下的渗沟沉降量明显降低，说明渗沟在降低水位的同时能有效提高路基的抗变形能力。

图6 路基在持续荷载作用下变形量

2.3 降雨条件下渗沟的作用效果

本文考虑在降雨条件下的渗沟作用效果，按照表1.2 设置降雨条件，计算结果分析如下：从图7 和图8可以看出开始降雨后渗沟的流量明显上升，流量最大值约为初始值的2 倍，可见渗沟对入渗的雨水有一定排除作用。 通过式（3）计算出此渗沟的设计渗流总量为0.19m/h， 计算所得渗流量是数值模拟监控得到的渗流量的4 倍。 因此，对于沟底在不透水层之上的渗沟按公式计算出的渗流量安全性较高，可以应对极端条件下的流量要求。

图7 短时间强降雨渗沟流量

图8 长时间弱降雨渗沟流量

3 结语

本文通过Geo-studio 软件建立了带渗沟的路堑边坡数值模拟计算模型，将张家界地区的降雨量调研资料作为降雨工况的研究基础，分析短时间强降雨和长时间弱降雨两种降雨工况下排水设施的效果，得出以下结论：

（1）渗沟可以有效降低入侵到路床的地下水，从而降低路基在荷载作用下的变形量，埋深不达标的渗沟对排除地下水作用有限，设计合理的渗沟对保证路基稳定性有提升作用。

（2）短时间强降雨和长时间弱降雨，渗沟对入渗的雨水有一定的排除作用，开始降雨后渗沟的流量明显上升，流量最大值约为初始值的2 倍。

（3）理论计算的渗沟渗流量远比数值模拟渗流量大，将近是数值模拟得到的渗流量的4 倍，可以应对极端条件下的流量要求。