降雨入渗对隧道的影响数值分析

乔 俊

（山西省交通建设工程监理总公司，山西 太原 030012）

目前，工程中的降雨入渗问题主要集中在边坡的稳定性研究上[1-4]，而对隧道在降雨入渗条件下的影响研究较少。岩土体在长期强降雨作用下，由于雨水的渗入深度较深，降雨影响范围内土中基质吸力降低，同时土体遇水软化，强度参数降低，这对隧道的稳定性是不利的[5-6]。因此，研究降雨条件下降雨影响深度以及土体软化程度显得尤为重要，并具有实际工程意义。

本文采用有限差分软件FLAC3D，对隧道的降雨入渗过程进行模拟，研究了降雨影响深度以及降雨对土体软化效应的影响，并与顶部产生积水坑后的工况进行比较。

1 数值计算模型建立

为减小边界效应的影响，模型宽度取100 m，隧道底部至模型下边界30 m，埋深10 m，数值计算模型如图1所示。对模型四周施加法向约束，并将底部固定，模型四周及底部均设置为不透水边界，顶部设置为降雨边界条件。

岩土体采用Mohr-Coulomb模型，弹性模量为10 MPa，泊松比为 0.42，天然密度 1 890 kg/m3，渗透系数为1.02×10-4cm/s。数值模拟中，假设地表在很短时间内达到饱和，因此固定地表孔隙水压力为零来模拟定压力入渗边界。考虑地下水位埋深较深，整个模型范围内均处于非饱和状态，由于地表处土体较为干燥，含水率低，因此地表处孔隙水压力最小，往地层深处含水率逐渐增大，孔隙水压力逐渐增大；土体强度参数值自上而下逐渐减小。

图1 数值计算模型

2 数值模拟结果及分析

2.1 降雨影响深度分析

此处取持续降雨48 h后的计算结果进行分析。持续降雨48 h后的孔隙水压力、土体强度参数分布如图2所示。从图中可以看出，降雨过程中，浸润峰线向下推进，近地表土体由于得到降水的补给，含水率上升很快，基质吸力减小明显。从图2可以看出降雨48 h后的影响深度大致为12 m。

2.2 土体强度参数变化分析

持续降雨48 h后的土体强度参数分布如图3所示，从中可以看出，由于近地表土体含水率上升较快，土体强度参数减小明显。隧道垂直中轴线上土体强度参数与深度的关系曲线如图4所示，其中_i表示初始值；_n表示当前值。拱顶处摩擦角由初始的15.1°减小为13.5°，减小了10.6%；拱顶黏聚力由初始的41.6 kPa减小到37.1 kPa，减小了10.8%。说明降雨入渗较大程度地降低了土体的强度参数。

图2 降雨48 h后孔隙水压力分布云图

图3 降雨48 h后土体强度参数分布云图

图4 降雨48 h后隧道垂直中轴线上土体强度参数随深度变化曲线

2.3 顶部积水坑对围岩强度影响

在长期持续强降雨作用下，地表坡体处土体滑塌形成积水坑，由于积水坑的存在，增大了降雨入渗面积，使得大量雨水浸入隧道，易造成隧道坍塌。因此，此处考虑积水坑形成后的入渗情况以及围岩强度的变化。图5为考虑积水坑条件下，持续降雨48 h后的孔隙水压力分布图。从图中可以看出，由于积水坑的存在，降雨浸润峰线呈现出弧形，即积水坑正下方浸入深度最大，达到22 m，隧道大面积浸水。

图5 降雨48 h后孔隙水压力分布云图

隧道垂直中轴线上土体强度参数与深度的关系曲线如图6所示，其中_y表示有积水坑工况；_w表示无积水坑工况。可以看出，有积水坑较无积水坑工况下，围岩强度参数明显降低。有积水坑时，降雨48 h后，拱顶处摩擦角由初始的15.1°减小为10.4°，减小了24.5%；拱顶黏聚力由初始的41.6 kPa减小到27.2 kPa，减小了34.6%，可以看出积水坑的出现极大地降低了隧道围岩强度，隧道稳定性显著降低。

图6 有积水坑时隧道垂直中轴线上土体强度参数随深度变化曲线

3 结论

本文运用有限差分软件FLAC3D对隧道在降雨入渗条件下的降雨影响深度及土体遇水软化程度进行分析。数值模拟结果及相关结论如下：

a）采用本文提出的非饱和渗流数值模拟方法，可以较好地模拟降雨条件下的非饱和渗流过程，相关计算结果可为相关工程提供参考。

b）持续强降雨对隧道安全性和稳定性影响很大，降雨48 h后降雨影响深度达到12 m，且降雨影响范围内，非饱和区基质吸力及土体强度参数明显减小。

c）隧道顶部产生积水坑后，增加了降雨入渗面积，积水坑下部雨水浸入深度较无积水坑时显著增大；同时土体软化程度明显变大，隧道不稳定性增加。