降雨影響下既有公路隧道洞口邊坡穩定性評價

■黃景川

（萬順通集團有限公司，漳州 363000）

“水”是生命的重要組成部分，但在建設工程中扮演著挑戰與困難的角色，據自然資源局有關多年地質災害統計表明，滑坡約占“半壁江山”，而其中絕大多數邊坡失去穩定是由于受到地表水與地下水的影響[1]。 地下水與地表水可借助巖土體孔隙等進行滲流交換，而地表水主要來源之一即是自然降雨，巖土體多處于非飽和狀態，鑒于非飽和土滲流問題，應針對應力—滲流相互影響下隧道邊坡穩定性進行分析，確保施工與運營期間安全性[2]。 隧道進出洞口的邊仰坡穩定性是公路安全運輸的關鍵，需確保在不同影響因素條件下隧道邊坡穩定性。 目前國內外學者已對降雨條件下考慮應力—滲流耦合的隧道邊坡展開了一些研究，程鑫等[3]以某實際隧道工程為背景，建立有限元數值模型研究堆積層邊坡與隧道間的相互作用，探討降雨入滲影響下的隧道支護結構以及堆積層坡體受力變形時空特征；豆紅強等[4]利用編程語言對ABAQUS 軟件進行二次開發，考慮到降雨相關參數影響，設置球狀風化體類土質邊坡降雨滲流模型，對其穩定性研究展開研究；洪心怡等[5]采用合理非飽和土彈塑性本構模型，構建水—土—氣三相耦合滲流分析法，進一步描述降雨條件下非飽和土邊坡滲透—變形特性；翟淑花等[6]針對降雨入滲作用下的密實細顆粒以及松散碎石體邊坡穩定性展開分析，籌劃開展坡體失穩室內模型試驗，以坡度、密實度、植被覆蓋率與物質構成等多角度多層面總結出邊坡穩定性影響程度大小。 當前降雨條件下邊坡穩定性影響因素已有了系統總結，本研究結合某地區自然降雨歷年報告數據，以該地區某高速公路隧道進口邊坡為分析對象，利用有限元分析法對不同降雨時間條件下的邊坡孔隙水壓力、滑動變形、塑性區及安全系數的變化趨勢進行歸納分析， 以此評價隧道邊坡穩定性。

1 工程簡介

本研究選取某高速公路隧道進洞口處自然邊坡作為分析對象，區域周邊地層巖性復雜多變，以中—弱風化砂質泥巖為主，巖土體節理發育且較為軟弱，其隧道修建期間評價為軟弱圍巖隧道，在多因素影響下隧道洞口位置采取加強支護，在強降雨等外界自然因素影響下，不僅要確保隧道本身結構穩定性，也要保證隧道洞口邊坡處于穩定狀態。

2 邊坡應力—滲流耦合理論

早期達西建立流量與長度關系式，其核心為飽和滲流理論，僅考慮土體空氣完全被流體充滿，將巖土體視為土—水二相體， 由于巖土體存在土—水—氣三相狀態，更為準確的滲流理論應為飽和—非飽和滲流理論。

2.1 自然降雨量與滲流量關系

降雨入滲屬于垂直入滲，巖土體中含水率與入滲深度存在典型關系，主要探究自然降雨以及入滲補給典型關系，明確多少自然降雨量轉化為地下水滲流量，其邊坡自然降雨入滲曲線表現為變化速率逐漸降低的曲線，建立起自然降雨量與實際邊坡滲流量的關系為[7]：

式（1） 中：Rr 降雨入滲量，m；T 為自然降雨時間，d；qn（t）為邊坡垂直面降雨強度，m/d；Rn（t）為邊坡任意方向最大滲流量的法向分量，m/d。

2.2 非飽和巖土體滲流理論

據非飽和滲透系數與土水特征曲線之間聯系確定巖土體非飽和降雨滲流特征， 常用方法有Van-Genuchten 與Fredlund 模型， 其中GTS NX 軟件內置VG 模型，主要計算方程為[8]：

式（2）中：h（θ）為巖土體基質吸力，N；θ、θs、θr為巖土體含水率、飽和含水率、殘余含水率，%； a、n、m 為方程非線性回歸系數，m=1-1/n；K（h）、Ks 為非飽和、飽和導水率，m/d。

2.3 應力—滲流耦合理論

將邊坡視為連續孔隙介質，基于有效應力原理滲流相關問題研究中存在內外應力，通過控制方程的建立， 求解巖土體降雨形成的應力—滲流耦合方程，利用相應關系進行簡化，聯立得出流—固體問題中的應力—滲流耦合方程為[9]：

3 降雨影響下隧道進口邊坡穩定性分析

3.1 模型建立

利用軟件構建隧道進口段—邊坡3D 模型，模型大小為x×y×z（194 m×30 m×54 m），模型對稱布設，隧道拱頂距上表面10.5 m，周邊巖土體采用3D實體單元模擬（M-C 本構），初期支護、錨桿與二襯分別采用殼單元、桁架單元與實體單元（彈性本構），初期支護中噴混與鋼筋網等進行組合計算進行模擬，隧道處于使用階段，模擬前應進行初始狀態計算，以曲面流量模擬地表滲流邊界，下邊界不透水，前后左右與下邊界均設置位移限制，整體添加重力。巖土體與支護結構力學參數見表1，隧道邊坡3D 網格模型與邊界條件見圖1（由于模型對稱可簡化數據處理，本研究僅分析最不利截面—隧道進口處左邊坡斷面）。

圖1 隧道邊坡模型及邊界條件設置

表1 隧道邊坡巖土體與支護物理力學參數

3.2 降雨工況設置

降雨類型可具體分為2 類，分別為短期與長期降雨，分析該區域水文地質條件與歷年降雨統計情況，最不利情況下降雨時間達長期降雨類型，其降雨持續時間為3 d，以24 h 降雨量劃分降雨強度，區域24 h 降雨量峰值可達86 mm，表現為暴雨，本研究將降雨強度恒定為86 mm（最不利情況為暴雨），變量為降雨持續時間，數值模擬中邊坡安全系數按強度折減法計算具體過程見圖2。

圖2 隧道邊坡安全系數求解過程

3.3 數值模擬結果分析

3.3.1 隧道邊坡孔隙水壓力

自然降雨前與降雨3 d 后邊坡巖土體孔隙水壓力等值線分布云圖見圖3。 未降雨前初始水位處于較低位， 孔隙水壓力從下往上呈現線性增加趨勢；由于初始水位線以上巖土體在模擬時設置為干燥狀態并具有非飽和特性，因此上部巖土體于降雨過程中產生基質吸力，表層巖土體含水率隨降雨入滲量增加而增加，其孔隙水壓力亦同步增大；暴雨歷時3 d 后邊坡整體巖土體孔隙水壓分布區間為[401 kN/m2，453 kN/m2]， 邊坡基質吸力逐漸被孔隙水壓力替換；對比降雨前后的邊坡孔隙水壓力分布規律，其隧邊坡整體含水量具有顯著變化，降雨影響下坡底雨水匯聚，進而形成部分飽和滲流區。

圖3 不同降雨時間下邊坡孔隙水壓力

3.3.2 隧道邊坡滑動變形

不同降雨時間下邊坡總位移云圖見圖4（a）、圖4（b），隧道邊坡監測點總位移隨降雨歷時的變化過程見圖4（c）。 隧道邊坡巖土體受降雨入滲影響，位移值逐步累積增大， 降雨停止時位移最大值為141.8 mm，降雨之后雖地表水不再與地下水進行滲流交換，但位移仍然有所增加；降雨停止后的位移峰值與降雨24 h 位移峰值38.7 mm 作對比，增大了366%， 再次說明降雨影響下考慮應力—滲流耦合對邊坡位移影響較大，最終邊坡大變形集中于坡底至坡底往上1/3 坡長區域；由圖4（c）可知，邊坡坡頂與坡底兩監測點位移均隨降雨持續時間增加而增大，其中坡頂位移變化速率逐漸降減小，而坡底位移變化速率與之相反。

圖4 邊坡總位移隨降雨歷時發展進程 （單位：mm）

3.3.3 隧道邊坡巖土體塑性區

暴雨工況下隧道邊坡巖土體塑性區變化過程見圖5?？紤]降雨應力—滲流耦合條件下，降雨前塑性區雖貫通整個模型，但發生于坡底處的塑性應變峰值為5.2×10-3，量級較小，說明初始邊坡存在潛在滑動面但不易產生滑動；隧道邊坡塑性區范圍隨降雨歷時逐漸減小，與此同時塑性應變較大值逐步增至10-2級，說明受降雨條件影響下，邊坡潛在滑動面逐漸清晰且滑移風險逐步增大。

圖5 隧道邊坡塑性區發展歷程

3.3.4 隧道邊坡安全系數

有限元軟件內置強度折減法按流程進行求解，分析得出暴雨工況下隧道邊坡安全系數變化情況見表2。隨著降雨持續時間逐漸累積，邊坡安全系數值大小與減小速率分別呈現逐漸減小與增大趨勢，降雨起止的安全系數分別為1.73 與0.88，兩者對比下降了49%，說明邊坡安全系數對于降雨時間影響因素較為敏感；按照相關邊坡工程技術規范[10]可知高速公路邊坡處于非正常工況（暴雨）的安全系數范圍為[1.20，1.30]，對比分析得出降雨前2 d 邊坡處于穩定狀態，而降雨2 d 后邊坡安全系數加速降低導致邊坡處于失穩狀態，是由于降雨3 d 后邊坡巖土體已達到飽和狀態，繼續降雨地表水不再入滲使得地表水集中于坡底部位，伴隨著水土流失導致滑坡抗力急速減小，使得邊坡失去穩定，為抵御非正常情況對邊坡穩定性的影響，應采取合理加固方式提高邊坡穩定性。

表2 隧道邊坡安全系數

4 結論

以某高速公路隧道進口邊坡為分析背景，利用有限軟件建立降雨滲流數值模型，分析不同暴雨時間下隧道邊坡巖土體孔隙水壓力、滑動位移、塑性區分布與安全系數變化規律，根據模擬數據處理結果對隧道邊坡穩定性作出評價并且得出以下結論：（1）未降雨初始邊坡孔隙水壓力呈線性增長，水位線以上非飽和巖土體于降雨過程產生吸力，導致含水率逐步上升，其孔隙水壓力同步增大；暴雨歷時3 d后孔隙水壓力峰值達453 kN/m2， 孔隙水壓力充滿邊坡；邊坡含水量發生顯著變化，降雨匯聚形成飽和滲流區；（2）邊坡位移值受降雨影響逐步增大，峰值達141.8 mm；降雨3 d 后邊坡位移峰值比較于降雨1 d 增大366%，說明應力—滲流耦合對邊坡位移影響較大，大變形集中于坡底至坡底往上1/3 區域；坡頂與坡底位移均隨降雨歷時而增大，坡頂位移變化速率逐漸降低，坡底位移變化速率逐漸上升；（3）降雨前初始邊坡存在潛在滑動面，由于滑坡抗力影響邊坡處于穩定；降雨進程中，邊坡塑性區范圍逐漸減小，而塑性應變峰值逐步增大，表明邊坡滑移風險同步增大；（4）隨著降雨時間累積，邊坡安全系數值與減小速率分別呈現減小與增大趨勢，降雨起止安全系數對比下降約為49%，邊坡安全系數變化明顯；降雨前2 d 邊坡處于穩定，由于降雨2 d 后邊坡巖土體逐漸飽和，入滲效應降低且伴隨坡底水土流失，從而導致邊坡失穩，應采取合理加固防護措施。