摘要：本文基于渗透力理论和现有的研究计算结果，分析了降雨工况下，渗透力对粗粒土高路堤边坡稳定性和安全系数的影响。
关键词：降雨工况；渗透力；粗粒土高路堤边坡；稳定性；影响
高速公路用粗粒土具有抗压效果好、密度大，透水性强、孔隙大等特性，正是这个原因使其在高速公路建设中被广泛的应用。我国降雨天气较多，降水量分布不均匀。在一些降雨频繁且雨量大地区，道路高路堤边坡受到强降雨渗透力的影响，出现边坡失稳等问题。基于此，广大专家和学者做出了一系列的相关研究。本文根据已有数据，对此进行简要分析。
一、边坡降雨入渗水位线分布规律
根据降雨过程和降雨停止后粗粒土高路堤边坡水位线变化规律图（如图一）可以得知：受到降雨的影响，粗粒土高路堤边坡坡脚水量首先达到饱和，随着雨量增加，地下水位线逐渐上升。降水时间达到60小时时，边坡水位线上升到第一级平台坡脚处；边坡坡面水位线要比道路中心的水位线上升速度快的多。降雨停止后，边坡水位线迅速下降。分析这种现象的原因，是基于粗粒土高路堤边坡渗透系数和体积含水率会随着粗粒土吸力的变化而变化[1]。在边坡坡脚处，粗粒土吸力比较小，渗透系数比较大，雨水下渗量比较大，因此坡脚处水量先达到饱和。降雨时间越长，边坡坡面就会越快的形成雨水饱和区域，远超过道路中心附近的渗透系数，所以坡面处的水位线上升速度比道路中心附近快。
图一 粗粒土高路堤边坡地下水位线变化规律图
二、边坡雨水入渗对基质吸力的变化规律
从降雨过程边坡孔隙压力分布规律图（如图二）可以看出，随着降雨时长的增加，边坡基质负孔隙水压力（基质吸力）逐渐减小到变为正孔隙水压力。降水停止后，边坡内部正孔隙水压力慢慢消失，负孔隙水压力（基质吸力）变大。且距离边坡水位线越近，孔隙水压力越强。究其原因，这种现象的产生是因为，随着降雨时间的增加，粗粒土高路堤边坡地下水位线上升，坡面形成暂时雨水饱和区，孔隙被雨水填满，负孔隙压力（基质吸力）减小，给正孔隙水压力增加创造了条件。降水停止后，雨水排出，负孔隙压力（基质吸力）开始恢复[2]。
图三 雨水下渗速度矢量分布规律图
三、边坡降雨入渗速度分布规律
从渗透力理论来说，雨水下渗流速度矢量和变化规律能够对基质渗透力进行很好的展示。根据边坡24小时和72小时降雨下渗速度矢量分布图（如图三）可以看出，1-24小时内的降雨下渗范围主要是在坡脚和坡面附近表层位置且范围比较小。经过72小时的降雨之后，雨水开始向边坡内部渗透并且降雨过程中，雨水速度矢量开始作用于边坡坡面。产生这种现象的原因是，降水0-24小时内，坡脚的水量达到饱和，雨水集中在此处，渗透系数持续增加，速度矢量作用于坡脚和边坡坡面表面；当降雨时间不断增加时，水位线上升，饱和区的范围和面积都在增加，渗透系数也逐渐的增加，一部分在重力作用下，雨水从坡脚排出。经历了72小时的降雨后，边坡矢量向内部发展，一些速度矢量开始作用于坡面。
四、边坡雨水下渗水平方向渗流梯度变化规律
从边坡降雨下渗水平方向的梯度分布规律图（如图四）可以看出，降雨36小时内，水平方向的渗透梯度首先在坡脚形成负值；降水72小时后，边坡内部的水平方向渗流梯度区域开始扩大，坡脚附近的梯度负值也开始增大，梯度绝对值也在增大。出现这种现象的原因是，边坡水平方向的等值线以下渗为正值，流出为负值[3]。当降雨刚开始时，雨水从边坡大量深入，从坡脚排出一小部分，因此，仅在坡脚小范围内出现水平方向渗流梯度负值；降雨72小时以后，饱和区从边坡扩展到内部，渗透系数达到饱和，雨水不断的深入到边坡内部，所以靠近边坡内层的水平方向渗流梯级分布区域不断的拓宽；坡脚的饱和区受到重力的影响，雨水不断的流出，导致坡脚处水平方向渗流梯级分布的负值范围不断的扩大。
图四 降雨水平方向渗流梯度分布规律图
五、边坡雨水入渗塑性区变化规律
根据降雨工况下，36小时、72小时的降雨过程和降雨停止后12小时、48小时边坡塑性区变化分布图（如图五），可以得知，降雨过程中，塑性区由第一级路堤边坡坡脚处向坡脚周围延伸，当降雨达到72小时时，第二级路堤边坡内塑性区开始形成大面积的贯通；降雨停止后，坡脚塑性区的面积开始缩小[4]。产生这种现象的原因是，降雨36小时以后，边坡水位线从坡脚处开始上升，使边坡坡脚处粗粒土重量增加，基质吸力减小，粗粒土的粘聚力也变小了；另外，降雨过程中，雨水首先在坡脚汇集，雨水的渗透作用使得坡脚处产生塑性区。降雨72小时后，饱和区向坡面内部扩展，水平方向的渗透梯度负值范围增加，下滑力增大，使得塑形区向边坡内层扩展。
六、边坡降雨入渗安全系数变化规律
降雨工况下，分析粗粒土高路堤边坡的安全系数变化规律图（如图六）可以看出，降雨二十四小时边坡处于安全状态，降雨24-72小时内，安全系数从1.8降到1.4；降雨停止后十二小时，边坡安全系数持续下降，达到最低值1.31；降雨停止后12-48小时，边坡安全系数开始上升到1.4。从以上现象可以看出，降雨0.24小时内，地下水位线上升速度较慢，基质吸力小且在此期间内，雨水先从坡脚渗入，接着扩展到边坡内部，雨水的渗透力作用能够加固边坡，所以安全系数持续上升；而在24-72小时内，边坡坡面附近土体接近饱和，粗粒土渗透能力增加，雨水下渗，导致水位线不断的上升。此时，土体达到最大吸收量，重量不断的增加，边坡受到下滑力的影响，基质吸力消失，导致粗粒土粘聚力变小。加上雨水从坡脚渗出使渗流梯级负值区域持续的扩散，渗透力作用方向开始向边坡方向滑移，土体下滑，边坡塑性区向坡面以下扩展。以上原因就是导致边坡安全系数迅速下降的根源；降雨停止后0-12小时以后，雨水从坡脚排出，渗流梯度变为负值，渗透力方向向边坡转移，下滑力增加，边坡安全系数还在持续的下降；降雨停止12-48小时以后，水位线下降，基质吸力上升，边坡安全系数开始上升[5]。
图五 边坡塑性区发展变化分布图
图六 高路堤边坡安全系数变化图
七、结论
（一）粗粒土高路堤边坡地下水位线，会随着降雨时间的增加而不断的上升，边坡坡面水位线上升速度大于道路中心附近水位线上升速度；降雨停止后，边坡水位线慢慢下降。
（二）在降雨过程中，水位线升高，会使粗粒土高路堤边坡基质吸力逐渐变为正孔隙水压力，降雨停止后，基质吸力慢慢恢复到正常水平。
（三）降雨时间的增加，高路堤边坡水平方向的渗透梯级范围在坡脚处出现负值并会逐渐的扩大。用渗透学理论研究边坡稳定性，能够更加准确的反映雨水下渗对边坡稳定性的影响和程度变化。
（四）边坡塑性区开始是在坡脚处，随着降雨时间的增加，向边坡内部发展；边坡土体稳定性随着降雨时间的增加呈现出先升高后降低的趋势，在一定时间后恢复正常。
结束语
综上所述，降雨量和时间对粗粒土高路堤边坡的稳定性产生非常大的影响。对边坡粗粒土的渗透功能进行深入的研究，能够对提高边坡稳定性，保证道路的畅通和行车安全。
参考文献
[1]何忠明, 邓喜, 付宏渊,等. 降雨工况下渗透力对粗粒土高路堤边坡稳定性的影响[J]. 公路交通科技, 2017, 12(9):14-21.
[2]杨煜, 何忠明, 卞汉兵, et al. 不同降雨类型对粗粒土高路堤边坡稳定性影响分析[J]. 长沙理工大学学报, 2017, 14(4):36-43.
[3]段旭龙, 何忠明, 刘登生,等. 降雨条件下粗粒土高路堤边坡暂态饱和区形成条件及影响因素[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2018, 49(4):971-978.
[4]陈晓斌, 徐望国, 刘小平. 降雨入渗对粗粒土路堤变形与稳定性的影响[J]. 中南大学学报（自然科学版）, 2011, 42(3):765-771.
[5]付宏渊, 吴勇, 何忠明,等. 连续降雨条件下粗粒土路堤边坡安全系数变化规律[J]. 长沙理工大学学报, 2014(2):48-53.
论文作者:单智
论文发表刊物:《防护工程》2019年9期
论文发表时间:2019/8/11
标签：路堤论文; 雨水论文; 水位论文; 基质论文; 孔隙论文; 吸力论文; 安全系数论文; 《防护工程》2019年9期论文;