降雨誘發(fā)崗頭隧洞工程邊坡坡角滲透破壞研究

本文分析了漕河段崗頭隧洞邊坡的地質結構，為便于有限元模型的建立及剖面的選取，將涉及的剖面簡化為均質巖土體，選取崗頭隧洞所在邊坡的3個典型剖面進行分析計算，圖4（a）為崗頭隧洞整體幾何示意圖，剖面位置如圖4（b）所示。本文對噴錨支護后的邊坡在降雨入滲條件下孔壓的大小與分布情況進行了系統(tǒng)研究，深入探索該邊坡發(fā)生破壞的深層原因。圖5為該模型軟弱夾層的分布示意圖，其中藍色區(qū)域為破碎帶，紅色區(qū)域為巖體。

圖4  崗頭隧洞整體及剖面選取示意圖

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

圖5  含軟弱夾層邊坡的破碎帶三維圖（藍色區(qū)域為破碎帶）

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

使用有限元軟件ABAQUS 2018分別對3個剖面建立模型，以模擬降雨入滲條件導致邊坡的滲流場及應力場的變化。圖6為3個模型的網格劃分，3個模型的邊界條件、幾何尺寸均根據實際工程取定，模型的巖石力學參數如表1所示。土體采用摩爾-庫侖塑性本構模型，針對本研究的實際情況，降雨條件的設置邊界ABCDE有混凝土護坡，故將其設置為不透水邊界，而坡頂未設置混凝土護坡，降雨從坡頂EF段滲入，降雨強度為0.02 m/h，模型的下邊界為巖石層，故將其設置為不透水邊界。以剖面1為例，模型降雨邊界的設置如圖6（a）藍色箭頭所示，所采用的降雨強度幅值曲線如圖7所示。針對剖面1建立的有限元模型有3 143個四邊形4節(jié)點單元，針對剖面2建立的有限元模型有4 014個四邊形4節(jié)點單元，針對剖面3建立的有限元模型有4 020個四邊形4節(jié)點單元，均采用CPE4RP單元類型進行流固耦合分析計算。

圖6  網格劃分示意圖

Fig.6  Grid division diagram

圖7  本文采用的降雨強度幅值曲線

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

為更好地評估滲流對邊坡穩(wěn)定性的影響，引入滲透力的概念對邊坡的滲流過程和穩(wěn)定性進行研究。Shin等^［10］采用流固耦合分析方法對某地基反力曲線進行分析，發(fā)現滲流力對隧道及邊坡的穩(wěn)定性有顯著影響。滲透力是作用在土顆粒上的體積力，對土體發(fā)生滲透變形起著重要作用，同時揭示了管涌發(fā)生的機理和滲流形成的潛在路徑，其方向與滲流方向相同，有使土顆粒發(fā)生沿滲流方向運動的趨勢，其值等于土粒對水流的阻力^［11］。單位滲透力是作用在單位體積上的滲透力，計算公式為

式中：f為單位滲透力；γ_w為水的容重；i為滲透坡降。

通過降雨入滲條件下的邊坡模擬，得到降雨70 h后的計算結果，剖面1的滲流場計算云圖如圖8所示，圖8（a）為該剖面的孔隙壓力分布云圖；圖8（b）為該邊坡的滲透系數分布情況，本文中滲透系數采用沿深度線性增加的分布，底層土由于長年受到來自上層覆土的壓力，相較上層土體更為密實，滲流流體通過的能力也相應較小，其滲透系數也會相較于上層土更??；圖8（c）為該剖面的滲流流速分布及矢量云圖，其中箭頭所示方向為滲水流動方向，可以看出坡腳的位置呈明顯的紅色，坡腳處流速值較大，說明該位置受到雨水沖刷較易發(fā)生滲流破壞，為危險位置。根據式（1）得到單位滲透力大小分布云圖如圖8（d）所示，并進一步進行該邊坡的滲流破壞評估。

圖8  剖面1滲流場計算云圖

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

由圖8（a）可見，雨水入滲導致滲流作用使邊坡的下滑力增加，該邊坡坡腳位置土體受到較大的滲透力，表明該處土體受到降雨滲流影響導致較強的滲透力，此處土體受到滲流的拖曳力，較易發(fā)生滲流破壞（流土等）。同時，入滲的雨水難以排出，會造成坡腳處的孔隙水壓力無法消散，土體有效應力降低，對土體埋置結構的穩(wěn)定性造成較大影響，導致該邊坡的應力重分布，同時由于該邊坡有較大的軟弱夾層存在，降雨入滲導致邊坡失穩(wěn)，極有可能進一步誘發(fā)泥石流現象。應對坡腳處采取相應措施，以預防和減小降雨入滲對其穩(wěn)定性的影響。

剖面2的滲流計算結果如圖9所示，與剖面1相似，坡腳處土體受到較強的降雨沖刷，在此處產生了較強的滲透力，土體顆粒受到滲流的拖曳力，較易發(fā)生滲流破壞，影響該邊坡的應力分布，對邊坡及相應的土體埋置結構的穩(wěn)定性造成較大影響。軟弱夾層嚴重影響了邊坡的整體穩(wěn)定性，降雨是邊坡發(fā)生滑塌及泥石流的主要誘導因素之一。

圖9  剖面2滲流場計算云圖

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

通過計算結果可以看出，由于上部土體非飽和，在降雨開始時會首先補充土體缺失水量，增大孔隙壓力，隨著降雨的不斷持續(xù)，由于底部土層相對于上部的土層滲透系數較小，為相對隔水層，從而造成土體坡腳處流速及滲透力較大，較大的軟弱夾層的主要成分為碎石和土，在受到較大的滲透力對其產生拖曳效果時極易失穩(wěn)，繼而誘發(fā)山體滑坡、泥石流的形成。

剖面3的滲流計算結果如圖10所示，由圖10可見，土體坡腳處流速及滲透力較大，得出的結論與剖面1、2的結果相似，土壤體積含水率的增加是誘導邊坡失穩(wěn)的重要因素之一，尤其是在含較大軟弱夾層的邊坡中，由于軟弱夾層的高滲透性，雨水可以很快入滲至軟弱夾層內部^［12］，加快了邊坡土壤體積含水率的增長速率，使其抗剪、抗滑能力迅速降低，最終導致邊坡失穩(wěn)。坡面和坡腳處的土體受到較強的降雨沖刷，相較邊坡的其他位置，這2處受到較強的滲透力，土體顆粒在滲流的拖曳力下發(fā)生移動，較易造成滲流破壞的發(fā)生，有可能導致噴錨層下方出現大量的空洞，從而進一步誘發(fā)邊坡失穩(wěn)。

圖10  剖面3滲流場計算云圖

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