地下水與降雨對邊坡地下滲流場的影響

李 尚 軍

(太原市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測站，山西 太原 030009)

1 工程背景

1.1 工程地質(zhì)概況

某工程建設場地的地貌類型屬構造剝蝕中、高山區(qū)，植被較發(fā)育，基巖局部裸露。擬建場地兩側為走向北西的山嶺，中間是一狹長的槽谷地形，槽谷橫斷面呈“U”形，兩側山體的坡角在30°～40°之間，槽谷中較平緩；槽谷的縱坡角5°～20°，斜長約750 m，寬約120 m～180 m，總面積146 600 m2。擬建場地南部以通往滑雪場的公路為界，北部的溫水河為該場區(qū)最低侵蝕標準面。擬建場區(qū)高程1 639.03 m～1 823.52 m，最大高差約184.49 m,見圖1。

根據(jù)本次鉆探揭露情況，對下伏基巖上統(tǒng)(Ptsh)的白云巖及板巖按其風化程度差異分為第③-1層強風化白云巖，第③-2層弱風化白云巖，第④-1層強風化板巖，第④-1層弱風化板巖。

該施工場區(qū)在地質(zhì)構造上為淮陽山字狀構造西翼，由于該區(qū)域在歷史上地質(zhì)活動較為頻繁，所以該區(qū)域褶皺構造以及斷裂構造是比較發(fā)育的。而場區(qū)周邊的區(qū)域性構造主要為有一條東西走向的九道—陽日大斷裂帶和一條北東走向的新華大斷裂帶，北西走向的板橋大斷裂帶和九沖大斷裂帶，規(guī)模較小的尚有呈北西走向的黃家坪斷層，長方斷裂，大洛溪斷層、大坪斷層等。研究區(qū)域位于這些斷裂構造夾持的相對穩(wěn)定的區(qū)域內(nèi)，大斷裂帶未在場地區(qū)域內(nèi)穿插而過。研究區(qū)域為單斜構造，地層產(chǎn)狀為：傾向約為286°～291°，傾角約為41°～46°，巖層內(nèi)節(jié)理裂隙較發(fā)育。

1.2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)域北側的河流為附近唯一的地表水體，河寬約12 m～25 m，水深0.80 m～2.00 m，平均坡降約15‰，一般流量約為2.62 m3/s，總體特點為：水量匯流較快，歷時較短，容易暴漲暴落，有典型的山區(qū)河流特征。根據(jù)調(diào)查訪問，其最大洪水位約為1 640 m。另外，邊坡東西兩側均有小沖溝，平時水量較小，雨季時為坡體主要排水通道。排泄斜坡上的地表水和地下水，其流量約0.02 m3/s。

根據(jù)場地內(nèi)出露的基巖的地層巖性和地下水在該場區(qū)含水介質(zhì)中的賦存條件，以及水動力特征等因素，邊坡區(qū)地下水類型可分為松散土層孔隙水、基巖裂隙水兩大類。由于沖溝的切割，淺層孔隙水及基巖裂隙水主要作縱向徑流，通過沖溝排泄出區(qū)外。區(qū)內(nèi)地下水更多受地形、地貌控制，多具有就地補給，就地排泄的特點。經(jīng)調(diào)查，在擬建場地中有4處泉水出露?？傮w來說，地下水較豐富。

1.3 地震活動

根據(jù)國家地震局及有關地質(zhì)資料，在距研究區(qū)域200 km范圍內(nèi)，自有史料記載訖今共發(fā)生Ms≥4.7級地震57次。這些地震活動的基本特點是：強度小，頻度低，震源淺。據(jù)統(tǒng)計，這些地震對研究區(qū)域的影響烈度均小于6度。

根據(jù)GB 18306—2001中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖，研究區(qū)域及鄰近地區(qū)的地震動峰值加速度為0.05g，按1990年國家地震局頒布的《中國地震烈度區(qū)劃圖》查看后顯示，本區(qū)的基本地震烈度為6度。

2 地下水及降雨對該邊坡影響的數(shù)值模擬研究

為進一步分析和研究在地下水及降雨情況下，研究區(qū)域不穩(wěn)定邊坡的變形機理，本文在假定部分特征參數(shù)情況下，利用MODFLOW模擬軟件，對該邊坡在地下水和降雨所產(chǎn)生的不同滲流場情況進行了模擬，對該邊坡有可能形成滑坡的變形機理進行了分析[1-3]。

2.1 基于MODFLOW的邊坡的建模處理

通過前期地質(zhì)勘查成果資料可知，開挖形成的邊坡大體上可分為3層[4]。

3)第③層為基巖，其主要為灰～灰白色白云巖，中厚層～厚層狀構造。頂部強風化帶較破碎，厚2 m～3 m,平均厚度2.80 m；下部弱風化帶巖體較完整。在一線及東部，下伏基巖為深灰～灰黑色板巖，薄～中厚層狀，強風化帶平均厚2.50 m。

因此，本文在建模過程中，將該邊坡體區(qū)域大體分為3層[5]。利用前期地質(zhì)勘查獲得的邊坡內(nèi)各層的高程及其厚度數(shù)據(jù)，結合其地形地貌特征，建立邊坡的三維仿真模型。

2.2 參數(shù)的選取

綜合考慮，該數(shù)值模擬模型所需要的參數(shù)大體上有以下幾種：降雨量、入滲補給系數(shù)、蒸發(fā)量，覆蓋層和軟弱層的滲透系數(shù)、有效孔系數(shù)、儲水系數(shù)等。上述系數(shù)數(shù)據(jù)通過實驗、查閱有關資料得出，如表1所示。

表1 滲透系數(shù)、有效孔系數(shù)及儲水系數(shù)表

2.3 模型的效驗

通過監(jiān)測點的監(jiān)測資料，用最初監(jiān)測值擬合初始滲流場，然后通過模擬與后來的監(jiān)測實際值對比，如結果相差不大，則可用于之后的滲流場模擬，見表2，表3。

表2 2016年11月25日水位監(jiān)測成果

表3 2016年12月23日水位監(jiān)測成果

用2016年11月25日的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為效驗數(shù)據(jù)進行模擬，輸入初始條件后，在正常狀態(tài)(10 mm/d)下模擬30 d后的地下水等值線。

模擬出的各監(jiān)測點的水位數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 30 d后的水位變化模擬值

模擬結果與2016年12月23日的原型監(jiān)測結果相比較，相差不大，因此，在實際工作中，可以根據(jù)實際觀測數(shù)據(jù)，利用本文所建數(shù)值模擬模型，在適當調(diào)整模擬的參數(shù)(降雨量、持續(xù)天數(shù)，蒸發(fā)量等)的情況下，開展不同工況條件下的滲流場模擬。

2.4 危險工況下的邊坡滲流場模擬結果

本文對危險工況(最不利情況)下的邊坡體進行了滲流場模擬試驗，即在持續(xù)性大暴雨(假定雨量為10 d,200 mm/d)的情況下，模擬了邊坡滲流場的情況，掌握了在大暴雨情況下地下水滲流場的情況。

由模擬結果可知，在相對較低高程區(qū)域的滲流場明顯高于其高程，可知在這些區(qū)域內(nèi)土體中的水基本已經(jīng)飽和。在持續(xù)性降雨工況下的地下水滲流場變化，隨著降雨量的增大和降雨持續(xù)時間的增長,場地區(qū)域在持續(xù)性暴雨的工況下，區(qū)域內(nèi)的土體在降雨及其地下水滲流作用下，飽和度已經(jīng)基本飽和，土體飽和后硬度軟化，隨著孔隙水壓力增大，粘聚力降低，有效應力降低，強度迅速降低，可能會對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

3 結語

在覆蓋層坡體內(nèi)部，因為大量地下水的持續(xù)滲透，滲流場和自身應力場不斷互相作用，會極大程度的減小坡體的穩(wěn)定性。因此在邊坡治理過程當中,應加強由于降雨和地下室原因?qū)е碌耐馏w穩(wěn)定性下降的因素，減少降雨在地表的滯留時間，以增加邊坡在暴雨工況下的穩(wěn)定性。