降雨誘發(fā)崗頭隧洞工程邊坡坡角滲透破壞研究

1、降雨誘發(fā)崗頭隧洞工程邊坡坡角滲透破壞研究我國大部分地區(qū)夏季多為暴雨期，劇烈的降雨入滲會(huì)導(dǎo)致邊坡坡腳處孔隙水壓力急劇升高，進(jìn)而降低土體的有效應(yīng)力，使土體的黏聚力及抗剪強(qiáng)度降低，這是導(dǎo)致滑坡等一系列工程地質(zhì)問題的重要因素1。邊坡失穩(wěn)受到多重不確定性因素影響2，降雨入滲使巖土體下滑力增大3-5，當(dāng)邊坡具有較大的軟弱夾層時(shí)，相對(duì)于底層較堅(jiān)硬的基巖，將較大幅度地削弱巖土體的抗滑力，且由于軟弱夾層具有較高的滲透性，遇水極易軟化，軟化后其抗滑能力將逐漸降低6，導(dǎo)致邊坡的安全系數(shù)降低，從而造成滑坡、泥石流等工程地質(zhì)問題發(fā)生。三維有限元模型分析已經(jīng)成為國內(nèi)對(duì)邊坡地貌地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)程度進(jìn)行評(píng)估的重要手段7，8，本

2、研究基于河北省南水北調(diào)中線邊坡地質(zhì)滑坡防護(hù)工程背景，結(jié)合具體工程實(shí)例和施工情況，以三維模型模擬降雨、坡面、復(fù)雜節(jié)理裂隙條件下邊坡地貌地質(zhì)災(zāi)害形成過程，為實(shí)際工程的邊坡提供三維模型指導(dǎo)。如圖1所示，以崗頭隧洞進(jìn)口閘旁側(cè)的復(fù)雜邊坡為主要分析區(qū)域，該邊坡巖土體為弱風(fēng)化燧石條帶白云巖，存在較多節(jié)理裂隙發(fā)育及較多以碎石、土等成分的軟弱夾層。圖2為含軟弱夾層邊坡的二維斷面圖。圖1分析區(qū)域（虛線框內(nèi)）平面示意圖Fig.1Plane sketch of research area(area in dotted box)圖2含軟弱夾層邊坡破碎帶示意圖Fig.2Schematic diagram of slope

3、 fracture zone with weak interlayers為保證邊坡穩(wěn)定性，南水北調(diào)中線工程漕河段崗頭隧洞周圍邊坡大多采用噴錨支護(hù)，噴錨支護(hù)借高壓噴射水泥混凝土和打入巖層中的金屬錨桿的聯(lián)合作用加固巖層，以防止巖體松動(dòng)分離9。由于混凝土噴錨層的滲透系數(shù)很低，入滲的雨水難以排出會(huì)導(dǎo)致坡腳處的孔隙水壓力無法消散，孔隙水壓的存在一方面會(huì)導(dǎo)致土體有效應(yīng)力降低，另一方面孔隙水壓導(dǎo)致的滲透力會(huì)將噴錨層下方的土體從排水設(shè)施中沖出，導(dǎo)致噴錨層下方出現(xiàn)大量的空洞，同樣也會(huì)進(jìn)一步誘發(fā)邊坡失穩(wěn)。因此，探究降雨入滲對(duì)邊坡安全性影響以及設(shè)計(jì)合理的排水措施是保證邊坡安全穩(wěn)定的重要因素?，F(xiàn)場(chǎng)因土體流失導(dǎo)致噴錨層

4、的下方空洞問題如圖3所示，該工程涉及的巖土特性如表1所示。圖3土體流失導(dǎo)致噴錨層的下方出現(xiàn)空洞Fig.3The loss of soil results in a cavity below the spray anchor layer表1巖土體力學(xué)參數(shù)Table 1Mechanical parameters of rock and soil mass巖體類型重度/（kNm-3）楊氏模量/MPa泊松比摩擦角/（）黏聚力/kPa弱風(fēng)化燧石條帶白云巖28.090 0000.253015.00破碎帶18.090 0000.302022.731 有限元模型1.1剖面選取本文分析了漕河段崗頭隧洞邊坡的地質(zhì)

5、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?，紅色區(qū)域?yàn)閹r體。圖4崗頭隧洞整體及剖面選取示意圖Fig.4Schematic 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（

6、藍(lán)色區(qū)域?yàn)槠扑閹В〧ig.5Three-dimensional distribution diagram of the fracture zone of the slope with weak interlayers (the blue area represents the fracture zone)1.2模型建立使用有限元軟件ABAQUS 2022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)

7、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.6Grid division diagram圖7本文采用的降雨強(qiáng)度幅值曲線Fig.7

8、The amplitude curve of rainfall intensity adopted in this study2 有限元分析2.1滲透力為更好地評(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f=wi(1)

9、式中：f為單位滲透力；w為水的容重；i為滲透坡降。2.2剖面1有限元計(jì)算結(jié)果通過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，底層土由于長年受到來自上層覆土的壓力，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??；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

10、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.8Computational cloud image of unit seepage field in section 1由圖8（a）可見，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

11、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。2.3剖面2有限元計(jì)算結(jié)果剖面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.9Computational cloud image of unit seepage field in section 2通過計(jì)算結(jié)

12、果可以看出，由于上部土體非飽和，在降雨開始時(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。2.4剖面3有限元計(jì)算結(jié)果剖面3的滲流計(jì)算結(jié)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(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

13、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(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.10Computational cloud image of unit seepage field in section 33 結(jié)語滑坡的發(fā)生往往是由長時(shí)間強(qiáng)降雨引起的，可見降雨入滲是影響邊坡滲流和穩(wěn)定的重要因素，本文對(duì)崗頭隧洞段邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬，建立了該邊坡的三維模型，并從中選取了3個(gè)典型剖面進(jìn)行有限元計(jì)算，通過分析3個(gè)剖面的分布云圖，得到了以下結(jié)論：1）本文初步研究了降雨入滲對(duì)崗頭隧洞邊坡的穩(wěn)定性及滲流場(chǎng)的影響，使用有限元軟件ABAQUS 2022分別對(duì)3個(gè)剖面建立模型，在該模型底部滲透系數(shù)沿