李 哲，趙劉會(huì)，李 超，張 浩，劉 江，田學(xué)軍

(1.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064； 2.西北有色勘測工程公司，陜西 西安 710054；3.長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064)

?

陜北地區(qū)公路涎流冰病害數(shù)值模擬分析

李 哲1,2，趙劉會(huì)2，李 超1，張 浩1，劉 江3，田學(xué)軍3

(1.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064； 2.西北有色勘測工程公司，陜西 西安 710054；3.長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064)

采用Midas/GTS數(shù)值模擬軟件對實(shí)際工程幾處病害嚴(yán)重路段邊坡的滲流情況進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過數(shù)值模擬分析了水源、薄弱層對公路涎流冰病害形成及發(fā)育的影響，找出邊坡開挖后邊坡內(nèi)部的滲流情況、坡面滲水位置、滲水大小和發(fā)展趨勢。同時(shí)驗(yàn)證了在病害邊坡坡頂處大斷面開挖加滲井處理措施可以改變邊坡內(nèi)部滲流路徑并達(dá)到坡體內(nèi)部集水和坡頂表面截流的目的，為涎流冰病害防治提供了重要的設(shè)計(jì)依據(jù)。

公路建設(shè)；涎流冰病害；邊坡滲流；薄弱層

銅川至黃陵高速公路地處陜北黃土高原與關(guān)中斷陷盆地過渡區(qū)，屬寒冷與溫和氣候過渡帶，黃土丘陵地貌，覆蓋土層厚度分布不均勻，基巖斜傾破碎，地下水分布運(yùn)移規(guī)律復(fù)雜，地表水疏導(dǎo)防排難度大，極易形成公路邊坡、路基路面及橋涵隧道涎流冰病害[1-3]。為了系統(tǒng)分析銅黃高速公路邊坡涎流冰的形成原因、主要影響因素，有必要對該區(qū)公路病害進(jìn)行數(shù)值模擬分析。通過選取依托工程幾處病害嚴(yán)重路段進(jìn)行數(shù)值模擬[4-7]，從而找出邊坡開挖后邊坡內(nèi)部的滲流情況、坡面滲水位置、滲水大小及發(fā)展趨勢。

1 銅黃高速公路K155+450～K155+520處右側(cè)邊坡數(shù)值模擬分析

K155+450～K155+520處右側(cè)三級路基邊坡，坡高31.5 m，坡長60 m，內(nèi)部地質(zhì)情況由上而下為：黃土、強(qiáng)風(fēng)化巖、破碎巖、中風(fēng)化巖、破碎巖、中風(fēng)化巖。建模采用莫爾庫侖力學(xué)模型，本文截取K155+450～K155+520處邊坡涎流冰最嚴(yán)重?cái)嗝孀鳛閿?shù)值分析研究對象[8-9]。在該路基邊坡建立兩次數(shù)值模擬：

(1)三級邊坡開挖完成且沒有防護(hù)之前(簡稱工前)，模擬此時(shí)路基邊坡的滲流情況旨在找出邊坡開挖后邊坡內(nèi)部的滲流情況、坡面滲水位置、滲水大小及發(fā)展趨勢。

(2)根據(jù)理論分析針對該邊坡的坡頂大斷面開挖加滲井處理措施完工后(簡稱工后)，模擬此時(shí)邊坡滲流情況，旨在探討該措施能否改變邊坡內(nèi)部滲流路徑達(dá)到坡體內(nèi)部集水和坡頂表面截流的目的，以便進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。

結(jié)合勘察單位給出的勘察資料，確定坡體地質(zhì)分層情況，由上而下依次為：黃土、強(qiáng)風(fēng)化巖、破碎巖、中風(fēng)化巖、破碎巖、中風(fēng)化巖。根據(jù)勘察單位給出的勘察資料和有關(guān)規(guī)范確定K155+450～K155+520處邊坡的地質(zhì)分層土體及巖體的參數(shù)如表1所示。計(jì)算數(shù)據(jù)及結(jié)果如圖1～圖3所示。

表1 K155+450～K155+520處邊坡的地質(zhì)分層土體及巖體的參數(shù)

圖1 邊坡總水頭等值云圖

結(jié)果分析：

(1)由圖1a和圖1b可以看出，邊坡開挖之前由于在模型右側(cè)設(shè)置了70 m的總水頭，所以整個(gè)模型內(nèi)部的總水頭都為70 m，邊坡開挖后，由于薄弱層破壞，滲水嚴(yán)重，導(dǎo)致坡體內(nèi)總水頭呈下降趨勢，工前總水頭最小值區(qū)間為58.1～58.7 m，工后總水頭最小值區(qū)間為2.0～5.2 m。從整體上看總水頭等值云圖從上往下順坡向依次遞減，但在薄弱層總水頭呈銳減趨勢，說明薄弱層破壞致使水頭壓力明顯降低。

(2)由圖3a和圖3b可知，工前坡體孔隙水壓力從上往下呈遞增趨勢、順坡向呈遞減趨勢，在坡腳處達(dá)到最小值。坡體同一土層工后空隙水壓力值明顯小于工前空隙水壓力值，說明加載的施工措施降低了孔隙水壓力。

(3)圖2a和圖2b分別為K155+450～K155+520右側(cè)邊坡工前工后坡體滲水流速等值云圖，工前最大值0.5 m/s，位置是破碎層平臺(tái)處，工后最大值降至0.04 m/s，大致發(fā)生在上述同一位置處。說明加載措施對坡體內(nèi)部滲流場的影響明顯，直接降低了二級和三級坡體的滲流流速，間接影響了一級坡體的滲流流速，證明該防治方法是有效的。

圖2 邊坡水平向流速的等值云圖

圖3 邊坡孔隙水壓力等值云圖

2 銅黃高速公路K130+680～K130+950處右側(cè)邊坡數(shù)值模擬分析

K130+655～K130+950處右側(cè)邊坡模型的建立與K155+450～K155+520右側(cè)邊坡大致相同，該邊坡的地質(zhì)分層情況，由上而下依次為：黃土、強(qiáng)風(fēng)化巖、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化巖、中風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化巖、中風(fēng)化泥巖。力學(xué)模型用莫爾庫侖理論，本文截取K130+655～K130+950處邊坡涎流冰最嚴(yán)重?cái)嗝孀鳛閿?shù)值分析研究對象[9-11]。根據(jù)勘察單位給出的勘察資料和有關(guān)規(guī)范確定K130+655～K130+950處邊坡地質(zhì)分層土體及巖體的參數(shù)如表2所示。計(jì)算數(shù)據(jù)及結(jié)果如圖4～圖6所示。

表2 K130+655～K130+950處邊坡地質(zhì)分層土體及巖體的參數(shù)

圖4 邊坡總水頭等值云圖

圖5 邊坡水平向流速的等值云圖

結(jié)果分析：

(1)由圖4可以看出，邊坡開挖之前由于在模型右側(cè)設(shè)置了70 m的總水頭，所以整個(gè)模型內(nèi)部的總水頭都為70 m，邊坡開挖后，由于泥巖層在坡面處破壞，水源損失，從而使得破內(nèi)總水頭降低，其最小值介于58.4～59.3 m。從整體上看總水頭等值云圖從上往下順坡向依次遞減，但在薄弱層總水頭呈銳減趨勢，說明泥巖層破壞致使水頭壓力明顯降低。

圖6 邊坡孔隙水壓力等值云圖

(2)由圖6可知，坡體孔隙水壓力從上往下總體呈遞增趨勢、順坡向呈遞減趨勢，在坡腳處達(dá)到最小值。

(3)圖5為K130+655～K130+950處右側(cè)邊坡體滲水流速等值云圖，最大流速0.6 m/s，發(fā)生在泥巖層與強(qiáng)風(fēng)化巖交匯面的坡面處。

3 依托工程其他幾處邊坡水平向流速數(shù)值模擬統(tǒng)計(jì)

在依托工程路線，另選9處病害較為嚴(yán)重的邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬，因坡體地質(zhì)分層情況與上述兩種邊坡基本類似，此處不作詳細(xì)介紹。坡體分層最大流速的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

表3 水平向流速統(tǒng)計(jì)結(jié)果 m/s

由表3可知：

(1)每個(gè)邊坡中，存在薄弱層的，其薄弱層水平向流速一般比其他土層或巖層水平向流速大；

(2)在同一邊坡中，同時(shí)存在破碎巖層和泥巖層的，一般破碎巖層水平向流速比泥巖層稍大，當(dāng)然，這需要考慮到破碎巖層和泥巖層在邊坡中存在的次序問題；

(3)其他條件相同時(shí)，在某一坡體中，強(qiáng)風(fēng)化破碎巖層水平流速一般大于中風(fēng)化破碎巖層，泥巖層根據(jù)風(fēng)化強(qiáng)弱的不同也會(huì)存在類似的情況；

(4)在不同邊坡，坡級相同，薄弱層大體位置相近處，根據(jù)勘察資料對比，水平向流速大小主要看坡體水源含量大小和薄弱層滲流面大小等因素。

4 結(jié)束語

本文選取依托工程的K155+450～K155+520和K130+655～K130+950兩處邊坡及其它幾處病害嚴(yán)重邊坡滲流情況的數(shù)值模擬分析，總結(jié)分析了模擬的結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

(1)從邊坡的最高坡級到最低坡級，除薄弱層外，坡面滲流情況依次有減弱趨勢；

(2)邊坡在薄弱層擾動(dòng)面出水量最大，形成病害最為嚴(yán)重，是涎流冰病害防治的重點(diǎn)位置，從而在理論上驗(yàn)證了調(diào)查得出來的坡積冰主要出水或成冰位置為某一較為軟弱的層面的結(jié)論；

(3)不同邊坡，同樣坡級，薄弱層大致位置相同的情況模擬可以得出，水源供給大小是決定涎流冰病害形成規(guī)模的主要影響因素之一，而薄弱層擾動(dòng)面是病害形成的通道，影響病害的規(guī)模；

(4)由K155+450～K155+520處右側(cè)邊坡工前、工后模擬情況可知，截?cái)嘧罡咂录壉砻鎻搅骱蛢?nèi)部滲流通道的3～8 m深的縱溝和打在二級邊坡內(nèi)8 m深的滲井，基本達(dá)到了截?cái)嗥麦w表面徑流和內(nèi)部滲流通道的目的，并有效改變一級坡體內(nèi)部的滲流路徑，減弱一級邊坡薄弱層的滲水情況。

[1]李萍，徐學(xué)祖.凍結(jié)緣和凍脹模型的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].冰川凍土，2000,22(1):90-95.

[2]Chuck Pennoni C R. Visioning: The Future of Civil Engineering[J]. Journal of Professional Issues in Engineering Education & Practice, 1992, 118(3):221-233.

[3]原國紅.季節(jié)凍土水分遷移的機(jī)理及數(shù)值模擬[D].吉林：吉林大學(xué)，2006.

[4]陳安，彭振斌，杜長學(xué)，等. 高寒地區(qū)公路涎流冰災(zāi)害及防治[J].現(xiàn)代地質(zhì)，2006,20(1)：181-184.

[5]楊成松，何平，稱國棟，等.凍融試驗(yàn)對土中含水量分布的影響[J].冰川凍土，2004,26(1)：50-55.

[6] Bo N. Measurement of P-T coexistence curve for ice-water mixture[J]. Cold Regions Science & Technology, 1990, 19(1):83-88.

[7]劉暢，陳曉飛，苑杰，等.凍結(jié)條件下土壤水熱耦合遷移的數(shù)值模擬[J].水電能源科學(xué)，2010，28(5):94-97.

[8]Gauthier F.Statistical analysis of climate conditions conducive to falling ice blocks along road corridors in northern Gaspe[J]. Canadian Geotechnical Journal，2012，49(12), 1408-1426.

[9]張子達(dá). 邊坡降雨入滲的力學(xué)特性分析[J].中外公路，2007,27(2)：27-30.

[10]葉佰生，陳肖柏. 非飽和土凍結(jié)時(shí)水熱耦合遷移的數(shù)值模擬[C]//第四屆全國凍土學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.北京：科學(xué)出版社，1990,77-89.

[11]張巍. 地下工程復(fù)雜滲流場數(shù)值模擬與工程應(yīng)用[D].武漢：武漢大學(xué)，2005.

Numerical simulation analysis of disease causes for highway extruded ice in northern part of Shaanxi province

LI Zhe1,2, ZHAO Liu-hui2, LI Chao1, ZHANG Hao1,LIU Jiang3, TIAN Xue-jun3

(1.CollegeofHighwayEngineering，Chang’anUniversity,Xi’an710064;2.TheNorthwestGeologicalExplorationCorporationforNonferrousMetals,Xi’an710054,China;3.KeyLabofMinistryofEducationtoHighwayEngineeringinSpecialRegion,Chang’anUniversity,Xi’an710064,China)

Midas/GTS numerical simulation software is used for simulating slope seepage based on the highway project from Tongchuan to Huangling. By numerical analysis, the influence of water source and weak layer on formation and development of extruded ice diseases for highway is analyzed and this paper identifies internal slope seepage, seepage slope position, seepage size and trends after slope is excavated. At the same time, the measure that a large section excavation plus seepage wells can change the slope of the internal flow paths and reach inside of the sump and the top of the hill slope surface closure of purpose, which provides important reference basis for the disease control design of highway extruded ice.

highway construction; extruded ice diseases; slope seepage; weak layer

2015-09-29

陜西省交通廳科技項(xiàng)目(20120715)

李 哲(1989-)，男，陜西咸陽人，碩士研究生。

1674-7046(2015)06-0017-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2015.06.004

U416

A