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(zhì)結(jié)構(gòu)，為便于有限元模型的建立及剖面的選取，將涉及的剖面簡(jiǎn)化為均質(zhì)巖土體，選取崗頭隧洞所在邊坡的3個(gè)典型剖面進(jìn)行分析計(jì)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(duì)噴錨支護(hù)后的邊坡在降雨入滲條件下孔壓的大小與分布情況進(jìn)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(lán)色區(qū)域?yàn)槠扑閹Вt色區(qū)域?yàn)閹r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(lán)色區(qū)域?yàn)槠扑閹В?/span>

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(duì)3個(gè)剖面建立模型，以模擬降雨入滲條件導(dǎo)致邊坡的滲流場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的變化。圖6為3個(gè)模型的網(wǎng)格劃分，3個(gè)模型的邊界條件、幾何尺寸均根據(jù)實(shí)際工程取定，模型的巖石力學(xué)參數(shù)如表1所示。土體采用摩爾-庫(kù)侖塑性本構(gòu)模型，針對(duì)本研究的實(shí)際情況，降雨條件的設(shè)置邊界ABCDE有混凝土護(hù)坡，故將其設(shè)置為不透水邊界，而坡頂未設(shè)置混凝土護(hù)坡，降雨從坡頂EF段滲入，降雨強(qiáng)度為0.02 m/h，模型的下邊界為巖石層，故將其設(shè)置為不透水邊界。以剖面1為例，模型降雨邊界的設(shè)置如圖6（a）藍(lán)色箭頭所示，所采用的降雨強(qiáng)度幅值曲線如圖7所示。針對(duì)剖面1建立的有限元模型有3 143個(gè)四邊形4節(jié)點(diǎn)單元，針對(duì)剖面2建立的有限元模型有4 014個(gè)四邊形4節(jié)點(diǎn)單元，針對(duì)剖面3建立的有限元模型有4 020個(gè)四邊形4節(jié)點(diǎn)單元，均采用CPE4RP單元類型進(jìn)行流固耦合分析計(jì)算。

圖6  網(wǎng)格劃分示意圖

Fig.6  Grid division diagram

圖7  本文采用的降雨強(qiáng)度幅值曲線

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

為更好地評(píng)估滲流對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，引入滲透力的概念對(duì)邊坡的滲流過(guò)程和穩(wěn)定性進(jìn)行研究。Shin等^［10］采用流固耦合分析方法對(duì)某地基反力曲線進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)滲流力對(duì)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(duì)土體發(fā)生滲透變形起著重要作用，同時(shí)揭示了管涌發(fā)生的機(jī)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(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，其值等于土粒對(duì)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(jì)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(guò)降雨入滲條件下的邊坡模擬，得到降雨70 h后的計(jì)算結(jié)果，剖面1的滲流場(chǎng)計(jì)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(shù)分布情況，本文中滲透系數(shù)采用沿深度線性增加的分布，底層土由于長(zhǎng)年受到來(lái)自上層覆土的壓力，相較上層土體更為密實(shí)，滲流流體通過(guò)的能力也相應(yīng)較小，其滲透系數(shù)也會(huì)相較于上層土更小；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?yàn)闈B水流動(dòng)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(shuō)明該位置受到雨水沖刷較易發(fā)生滲流破壞，為危險(xiǎn)位置。根據(jù)式（1）得到單位滲透力大小分布云圖如圖8（d）所示，并進(jìn)一步進(jìn)行該邊坡的滲流破壞評(píng)估。

圖8  剖面1滲流場(chǎng)計(jì)算云圖

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

由圖8（a）可見(jiàn)，雨水入滲導(dǎo)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(dǎo)致較強(qiáng)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(shí)，入滲的雨水難以排出，會(huì)造成坡腳處的孔隙水壓力無(wú)法消散，土體有效應(yīng)力降低，對(duì)土體埋置結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成較大影響，導(dǎo)致該邊坡的應(yīng)力重分布，同時(shí)由于該邊坡有較大的軟弱夾層存在，降雨入滲導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，極有可能進(jìn)一步誘發(fā)泥石流現(xiàn)象。應(yīng)對(duì)坡腳處采取相應(yīng)措施，以預(yù)防和減小降雨入滲對(duì)其穩(wěn)定性的影響。

剖面2的滲流計(jì)算結(jié)果如圖9所示，與剖面1相似，坡腳處土體受到較強(qiáng)的降雨沖刷，在此處產(chǎn)生了較強(qiáng)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(yīng)力分布，對(duì)邊坡及相應(yīng)的土體埋置結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成較大影響。軟弱夾層嚴(yán)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(dǎo)因素之一。

圖9  剖面2滲流場(chǎng)計(jì)算云圖

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

通過(guò)計(jì)算結(jié)果可以看出，由于上部土體非飽和，在降雨開(kāi)始時(shí)會(huì)首先補(bǔ)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(duì)于上部的土層滲透系數(shù)較小，為相對(duì)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(duì)其產(chǎn)生拖曳效果時(shí)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(jì)算結(jié)果如圖10所示，由圖10可見(jiàn)，土體坡腳處流速及滲透力較大，得出的結(jié)論與剖面1、2的結(jié)果相似，土壤體積含水率的增加是誘導(dǎo)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(nèi)部^［12］，加快了邊坡土壤體積含水率的增長(zhǎng)速率，使其抗剪、抗滑能力迅速降低，最終導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。坡面和坡腳處的土體受到較強(qiáng)的降雨沖刷，相較邊坡的其他位置，這2處受到較強(qiáng)的滲透力，土體顆粒在滲流的拖曳力下發(fā)生移動(dòng)，較易造成滲流破壞的發(fā)生，有可能導(dǎo)致噴錨層下方出現(xiàn)大量的空洞，從而進(jìn)一步誘發(fā)邊坡失穩(wěn)。

圖10  剖面3滲流場(chǎng)計(jì)算云圖

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