許忠印，高新文，趙彥生

（河北雄安京德高速公路有限公司，河北 保定 071700）

0 引言

修建在行、滯洪區(qū)內(nèi)的路基在使用過(guò)程中可能會(huì)受到行洪時(shí)的沖刷與滯洪時(shí)的浸泡，對(duì)路基的穩(wěn)定性有較大影響，路基除滿足強(qiáng)度、剛度要求外，還應(yīng)具備滲透穩(wěn)定性和增濕及干濕循環(huán)條件下結(jié)構(gòu)與材料的耐久性。因此，進(jìn)行蓄水時(shí)路基的滲流特征和穩(wěn)定性分析具有重要意義。

學(xué)者們對(duì)水位變化時(shí)路基的滲流場(chǎng)與穩(wěn)定性開(kāi)展了諸多研究。李清華等[1]基于飽和-非飽和滲流理論分析了洪水作用時(shí)路基邊坡浸潤(rùn)線隨水位變化時(shí)的分布規(guī)律，指出滲流作用時(shí)，通過(guò)減緩坡度可以有效提升邊坡的穩(wěn)定性。樓曉昱等[2]研究了沿湖路基邊坡的滲流特征，指出孔隙水壓和含水率均隨水位上升而增大，隨水位下降而減小。張文杰等[3]基于有限元法模擬了岸坡內(nèi)孔隙水壓的分布情況，并利用極限平衡法對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。翟自強(qiáng)[4]采用試驗(yàn)方法模擬強(qiáng)降雨條件，分析了降雨過(guò)程中黃土滲透特性的變化規(guī)律，指出距離黃土邊坡坡面越近，滲透性越強(qiáng)。陳亨莊[5]通過(guò)數(shù)值模擬研究了不同降雨條件對(duì)邊坡滲流場(chǎng)要素的影響規(guī)律，指出孔隙水壓與邊坡深度成正比。楊煜等[6]依托臨長(zhǎng)高速公路，研究了不同降雨條件下含軟弱夾層土坡的滲流特性。施汝軍等[7]采用MIDAS/GTS軟件研究了降雨時(shí)間、雨量、降雨強(qiáng)度等對(duì)路基邊坡穩(wěn)定性的影響，并給出了土質(zhì)路基邊坡加固的建議。劉向南等[8]采用傳遞系數(shù)法建立了滲流作用下的路基邊坡模型，研究了傳遞系數(shù)法的隱式解法、顯式解法，并分析了路基邊坡條塊間力傾角變化對(duì)穩(wěn)定性的影響。由以上分析可知，既有研究對(duì)水位變化下路基的滲流場(chǎng)與穩(wěn)定性開(kāi)展了諸多工作，但當(dāng)前對(duì)蓄滯洪區(qū)粉砂土路基水位變化時(shí)滲流場(chǎng)與穩(wěn)定性影響的研究仍不多見(jiàn)。為保障蓄滯洪區(qū)內(nèi)高速公路粉砂土路基的運(yùn)營(yíng)安全，研究蓄滯洪區(qū)內(nèi)水位升降對(duì)路基滲流場(chǎng)與穩(wěn)定性的影響十分必要。

本文以蓄滯洪區(qū)粉砂土路基為研究對(duì)象，利用GeoStudio軟件建立有限元模型，基于滲流理論研究水位變化方向、變化時(shí)間等因素對(duì)路基滲流特征和穩(wěn)定性的影響，為蓄滯洪區(qū)內(nèi)高速公路路基的安全運(yùn)營(yíng)提供參考。

1 滲流理論

1.1 達(dá)西定律

水在土中的滲透關(guān)系可以用達(dá)西定律表示，如式（1）所示。

式（1）中：υ為滲透速度；Q為流量；k為滲透系數(shù)；A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e；i是水力梯度。

1.2 滲流基本微分方程

土體滲流連續(xù)方程如式（2）所示。

式（2）中：α為介質(zhì)壓縮系數(shù)；ρ為流體密度；β為水的壓縮性；H為水頭；υx，υy，υz分別為x，y，z方向的滲流速度。

結(jié)合達(dá)西定律，將υx=-kx?h?x，υy=-ky?h?y，υz=-kz?h?z代入式（2）可得：

式（3）～（4）中：kx，ky，kz分別為x，y，z軸方向的滲透系數(shù)；Ss為單位貯存量（尺度為1/L）；H為水頭。當(dāng)Ss不為零時(shí)，水頭隨時(shí)間變化，滲流屬于瞬態(tài)滲流；當(dāng)Ss為零時(shí)，水頭不隨時(shí)間變化，滲流屬于穩(wěn)態(tài)滲流。

1.3 滲流邊界條件

滲流邊界條件主要由水頭邊界條件、流量邊界條件和混合邊界條件確定。水頭邊界條件由式（5）確定：

式（5）中：H為總水頭；u為孔隙水壓力；h為位置水頭。

流量邊界條件由式（6）確定：

式（6）中：υn為單位面積邊界上穿過(guò)的流量；t為時(shí)間。

混合邊界條件由式（7）確定：

式（7）中：α、β為邊界各點(diǎn)的已知數(shù)；h為邊界水頭；n為外法線。

2 模型建立

2.1 工程概況

北京新機(jī)場(chǎng)至德州高速公路京冀界至津石高速段是《河北雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》中“四縱三橫”區(qū)域高速公路網(wǎng)的重要組成部分，為縱四線的一期工程，是雄安新區(qū)使用北京新機(jī)場(chǎng)最主要的高速公路，也是雄安新區(qū)與冀東南、魯西之間的重要聯(lián)系通道。路線穿過(guò)大清河?xùn)|淀和文安洼蓄滯洪區(qū)。

東淀是大清河南北支洪水匯流后的緩洪滯瀝區(qū)，地勢(shì)西高東低，1966年以前，東淀內(nèi)常年積水，是一個(gè)行洪滯瀝洼淀，也是個(gè)漁葦生產(chǎn)綜合利用洼淀。目前由于水源短缺，生產(chǎn)方式改為以農(nóng)作物種植為主。文安洼位于大清河下游，處于平原區(qū)，其上游來(lái)水均來(lái)源于太行山區(qū)。暴雨多集中于太行山迎風(fēng)坡，山區(qū)下墊面上溪流縱坡大，南拒馬河、北拒馬河、白溝河、沙河、儲(chǔ)龍河等上游河道坡降大。由于坡度較陡，河系發(fā)育樹(shù)枝狀不明顯，而平行狀占優(yōu)勢(shì)，大部分河系都成平行狀分布。因此，河道上游各支流源短流急，洪水來(lái)勢(shì)迅猛，暴雨之后1～2h河道即產(chǎn)生洪水。

2.2 幾何模型

針對(duì)京德高速公路文安洼蓄滯洪區(qū)路基工程，采用GeoStudio軟件建立路基有限元模型。路基頂面寬度為34m，高度為9m，坡率為1∶1.5，地基高度為5m。模型網(wǎng)格單元設(shè)置為0.5m，共劃分2 943個(gè)單元、3 090個(gè)節(jié)點(diǎn)，路基斷面圖見(jiàn)圖1。

2.3 填料參數(shù)

模型中地基土體參數(shù)主要通過(guò)地勘報(bào)告獲得，路基填料主要為粉砂土，粉砂土的土水特征曲線與滲透系數(shù)主要根據(jù)Fredlund and Xing理論獲得，粉砂土的土水特征與滲透系數(shù)見(jiàn)圖2。

圖2 粉砂土的土水特征與滲透系數(shù)

粉砂土的基本物理力學(xué)材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 粉砂土物理力學(xué)參數(shù)

2.4 研究工況

假定蓄滯洪區(qū)水位僅在路基左側(cè)發(fā)生變化，路基右側(cè)無(wú)水位，水位的上升與下降均為勻速變化。根據(jù)水位的變化方向和變化時(shí)間，分為六種計(jì)算工況，研究工況見(jiàn)表2。

表2 研究工況

3 結(jié)果與分析

3.1 路基滲流場(chǎng)變化規(guī)律

以未發(fā)生滲流時(shí)路基與地基內(nèi)孔隙水壓力為初始值，分別分析水位變化方向、時(shí)間等因素對(duì)路基孔隙水壓的影響。水位變化時(shí)，粉砂土路基孔隙水壓分布見(jiàn)圖3。由圖3可知，當(dāng)水位由路基底部上升時(shí)（工況一），由于變化時(shí)間較短，路基內(nèi)孔隙水壓呈凹形分布，變化值集中在路基左側(cè)；當(dāng)水位由路床地面下降時(shí)（工況四），路基內(nèi)孔隙水壓呈凸形分布，由于路基由飽和狀態(tài)變?yōu)榉秋柡蜖顟B(tài)，孔隙水壓變化值分布較均勻。

圖3 粉砂土路基孔隙水壓分布

六種計(jì)算工況下路基內(nèi)部同一位置處的孔隙水壓隨時(shí)間變化規(guī)律見(jiàn)圖4。由圖4可知，水位上升時(shí)路基內(nèi)孔隙水壓與時(shí)間變化呈正比，時(shí)間達(dá)到最大時(shí)，孔隙水壓達(dá)到最大值；水位下降時(shí)，孔隙水壓與時(shí)間呈反比。此外，當(dāng)水位上升時(shí)間越長(zhǎng)，路基內(nèi)部達(dá)到的孔隙水壓越大；水位下降時(shí)間越長(zhǎng)，路基孔隙水壓越小。因此，與工況一和工況二相比，工況三對(duì)邊坡的穩(wěn)定性最差。與工況四和工況五相比，工況六中路基邊坡的穩(wěn)定性最好。

圖4 路基孔隙水壓隨時(shí)間變化規(guī)律

水位變化時(shí)六種工況下路基內(nèi)的浸潤(rùn)線分布規(guī)律見(jiàn)圖5。由圖5可知，工況一中路基內(nèi)部浸潤(rùn)線呈凹形分布，工況二與工況三中的浸潤(rùn)線分布較平緩。主要原因是水位上升會(huì)使路基土體由非飽和狀態(tài)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，當(dāng)水位上升速度較快時(shí)，土體的滲透特性使浸潤(rùn)線存在一定的滯后效應(yīng)，當(dāng)水位上升速度緩和時(shí)，滯后效應(yīng)則不再明顯。工況四中路基內(nèi)部浸潤(rùn)線呈凸形分布，工況五與工況六中的浸潤(rùn)線分布較平緩。主要原因是水位下降使路基土體由飽和狀態(tài)變?yōu)榉秋柡蜖顟B(tài)，當(dāng)水位下降速度較快時(shí)，土體的滲透特性使浸潤(rùn)線存在一定的滯后效應(yīng)，當(dāng)水位下降速度緩和時(shí)，滯后效應(yīng)則不再明顯。

圖5 浸潤(rùn)線分布規(guī)律

圖5 續(xù)

3.2 路基穩(wěn)定性變化規(guī)律

六種工況下的路基邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)見(jiàn)表3。由表3可知，在水位上升的三種工況中，工況三的安全系數(shù)最小，為2.105；在水位下降的三種工況中，工況六的安全系數(shù)最大，為2.155。進(jìn)一步說(shuō)明，當(dāng)水位上升時(shí)，水位變化時(shí)間越長(zhǎng)，路基穩(wěn)定性越差；當(dāng)水位下降時(shí)，水位變化時(shí)間越長(zhǎng)，路基穩(wěn)定性越好。

表3 不同工況下路基邊坡安全系數(shù)

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用GeoStudio軟件對(duì)蓄滯洪區(qū)粉砂土路基的滲流特征與穩(wěn)定性開(kāi)展了研究，分析了水位變化方向、變化時(shí)間對(duì)路基滲流和穩(wěn)定性的影響。當(dāng)水位上升時(shí)，水位變化時(shí)間越慢，路基內(nèi)孔隙水壓力越大，路基安全系數(shù)越小，穩(wěn)定性越差；當(dāng)水位下降時(shí)，水位變化時(shí)間越慢，路基內(nèi)孔隙水壓力越小，路基安全系數(shù)越大，穩(wěn)定性越好。