强降雨入渗下高大挡土墙渗流与稳定分析

边坡在降雨作用下易发生滑坡，目前大量的学者对降雨作用下的边坡饱和—非饱土渗流及强度进行了较深入的分析研究。现有的研究多将降雨入渗面作为同一土层进行了分析研究，对入渗面为不同土层进行分析研究的较少。

本文以半填方半挖方挡土墙作为研究对象，通过有限元法分析了降雨作用下挡土墙后回填土体、原状土体的雨水下渗的饱和—非饱和渗流状态，研究了该挡土墙在不同降雨持时，挡土墙的整体稳定性，为挡土墙的设计提供必要的参考。

1  降雨入渗模型

1.1  降雨入渗挡土墙模型

降雨入渗过程一般受降雨强度q、地面以上水层厚度、土层表面的含水率、土层饱和渗透系数K_w有关，当降雨持续时间较长时，土层的入渗强度近似等于土层饱和渗透系数。

本文中挡土墙形式及渗流模型如图1所示。

图1  挡土墙降雨入渗模型示意

假设原状土饱和渗透系数为K_w1，回填土饱和渗透系数为K_w2，挡土墙渗透系数为K_w3。此处回填土考虑采取砂质回填土，渗透性大于原状土，考虑到一般挡土墙泄水孔质量较差，假设其渗透性系数大于原状土，故有：K_w2>K_w1>K_w3。假设原状土体宽L₁，回填土体宽L₂。挡土墙后降雨入渗的过程分为如下过程及行为。

（1）当q<K_w1，此时地表径流不会发生，降雨将全部入渗，此时地表入渗强度i=q。

（2）当K_w2>q>K_w1，回填土部分的降水全部下渗，但原状土部分降雨发生径流，径流将全部径流至回填土区，此时，原状土入渗强度为：i₁=K_w2；回填土入渗强度为i₂=q+（q–K_w1）L₁/L₂和i₂=K_w2中的大值。

（3）当q>K_w2，由于降雨强度大于土壤的入渗率，故部分降雨并不入渗，形成地表径流，原状土入渗强度为i₁=K_w1，回填土入渗强度为i₂=K_w2。

1.2  饱和—非饱和渗流的控制方程及定解条件

饱和—非饱和渗流的控制方程表示为：

式中：K_w为渗透系数（cm/s）；ρ_w为水的密度；m₂^w为土水特征曲线斜率的绝对值；h为总水头；h_w为压力水头（非饱和区为负值，饱和区为正值），h=h_w+z。

（1）初始条件：

（2）边界条件。

1）已知水头边界S₁（第1类边界条件）：

式中：h₁（x, z, t）为已知不变水头值。

2）已知流量边界S₂（第二类边界条件）：

式中：n_i为边界面单位法向矢量；q_n为边界法向流量。

1.3  非饱和土强度准则

Fredlund的抗剪强度公式：

式中：c'为有效粘聚力；σ为法向应力；u_a为孔隙气压力；

φ'为有效内摩擦角；u_a–u_w为基质吸力；φ^b为基质吸力影响的内摩擦角。

2  工程案例分析 

2.1  工程概况

广东某项目建于山边丘陵地带，红线边存在1∶0.5~1.0现状强风化岩坡体，高差6~12 m，为了有效利用场地用地，在红线边设置了5~10 m高挡土墙。原状土为土状强风化花岗岩，挡土墙采取1.0 m×1.2 m方桩，间距2.2 m，设置3道锚索，挡墙与现状坡体之间压实回填砂质填料，地下水主要赋存于强风化花岗岩,稳定水位埋深在坡脚3~5 m位置。

气象资料显示该地区多年平均降雨量为1 706 mm，最大降雨量为2 580.6 mm，最小降雨量为1 066.8 mm，日最大降雨量319.2 mm。

2.2  数值分析模型建立

本文按历史最大日降雨量319.2 mm，持续3 d作为本强降雨降雨强度，为了更为精确计算，该降雨量按小时降雨强度为13.3 mm/h。挡土墙高10 m，挡墙后回填土范围L₁=10 m，原状土范围L₂=5 m，依据seep/2d软件，本工程建立有限元模型如图2所示。

图2  挡土墙渗流有限元模型示意

2.3  结果分析

通过对降雨后挡土墙后土体孔隙水压力等势线的分析可看出：在降雨前，由于地下水位较低，墙后土体为非饱和土，回填土孔隙水压力处于–30~ –45 kPa之间,原状土孔隙水压力值大于–45 kPa，基质吸力较大。由于降雨的作用下，在降雨24 h后在回填土区与原状土交界面形成局部饱和区，48 h交界面形成饱和带，至72 h，回填土区底部饱和带与地下水位连通，局部抬高了地下水位。

在降雨过程中，由于回填土渗透系数较大，回填土区，负孔隙水压力迅速减小，饱和区范围逐步加大，回填土区基质吸力很小。原状土区通过地表、回填交界面雨水的逐步渗入，由于原状土渗透系数小，负孔隙水压力缓慢减小，负孔隙水压力受降雨的影响变化较慢，影响范围仅为土层表面4~5 m内。

从图3可知，在降雨前，在基质吸力的作用下，土体抗剪强度较大，挡土墙整体稳定系数达到1.951，强降雨12~72 h，安全系数从1.858下降至1.335，其中降雨36~48 h，安全系数下降迅速。

图3  不同降雨持续时间下挡土墙整体稳定安全系数

在整体稳定分析中，原状土与回填土交界面基本为最危险滑裂面，初期回填土存在基质吸力，该位置滑裂面安全系数较大，随着交界面出现饱和区及饱和区扩大，尤其36~48 h，从部分饱和区迅速扩大至全断面饱和区，滑裂面位置，土体基质吸力迅速消失，土体抗剪强度减小很大，整体稳定安全系数随之减小。

2.4  不同原状边坡挡土墙渗流及稳定性分析

为了更好的研究挡土墙在不同条件下的降雨响应，本文研究了同一种挡土墙不同原状土坡率在降雨作用下的表现。通过图4可知：由于墙后回填土及原状土范围不同，在未降雨条件下，原状土坡越陡，安全系数越高。原状土体坡率从1∶1至1∶0.50，随着降雨从0~72 h，安全系数均有下降，且坡率越陡安全系数下降的越显著。

图4  降雨作用下挡土墙后不同原状土坡率安全系数

由于原状土的渗透性小，在强降雨作用下，原状土表面将发生部分径流至回填土区，在表面径流的作用下原状土部分的降水将汇集到回填土区加大了回填土区的入渗量。在相同的汇水面积下，原状土坡越陡，回填土范围则越小，在同样的降雨强度作用下，墙后基质吸力消散的越快，越早形成饱和区及回填土区孔隙水压力提高的越快。

由于挡土墙后土体，一般回填土较原状土参数要小，初始安全系数一般原状土越多安全系数越大，但如果根据统一的安全系数原则进行设计，由于原状土坡越陡的在降雨作用下，其安全系数下降的越快，在同样的降雨作用下越不安全。因此在进行挡土墙设计时应注意墙后汇水面积、原状土坡坡度，原状土坡率越陡，虽然作用在挡土墙的土压力变小，但可能降雨作用下水压力更大，导致挡土墙不一定更安全。

3  结论 

本文通过有限元法建立了高大挡土墙在强降雨作用下的饱和、非饱和渗流分析模型，得出以下结论。

（1）通过对挡土墙后回填土区、原状土区饱和非饱和渗流入渗过程分析及边界条件处理，发现降雨过程中回填土区渗流快，原状土区渗流慢，原状土部分将径流至回填区，加剧回填土区从非饱和区向饱和区转化。

（2）降雨初期，原状土与回填土交界面出现饱和区，随着进一步降雨，饱和区范围逐步加大，最后交界面全部形成饱和区并与地下水位连成整体，局部抬高地下水位。

（3）在无降雨期间，由于基质吸力的作用下，墙后为非饱和土，安全系数较大，在降雨后，随着基质吸力的逐步消散及减小，挡土墙稳定安全系数下降明显。

（4）挡土墙后不同原状土坡情况下，原状土坡越陡，在降雨作用下，安全系数下降越显著，在设计过程应加大其安全系数富余量。

来源：建筑结构

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