填料黏粒含量及壓實(shí)過程對高填方邊坡滲流場的影響規(guī)律

吳紅剛，謝顯龍，武志信，牌立芳

(1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730070； 2.中國中鐵滑坡工程實(shí)驗室，甘肅 蘭州 730070；3.西部環(huán)境巖土及場地修復(fù)技術(shù)工程實(shí)驗室，甘肅 蘭州 730070；4.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 611756；5.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

高填方工程是指在山區(qū)或丘陵地區(qū)最大填方高度或填方邊坡高度大于等于20 m的工程[1]。為了修建高填方工程采用“削坡填溝”的方式，這類工程的地形地貌條件，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，將會改變本地區(qū)地下水補(bǔ)給，地表水徑流和排水條件等[2]。

許多學(xué)者對高填方邊坡地下水分布模式進(jìn)行探索。張繼文等[3]，劉智等[4]，對某黃土高填方工程施工期和竣工后的地下水位、地表水入滲情況進(jìn)行了監(jiān)測和分析，得出填方施工抬高了局部地下水排泄基準(zhǔn)面，工后形成了穩(wěn)定的排水通道。WU L Z[5]，劉俊新等[6]應(yīng)用COMSOL數(shù)值模擬，研究了地表徑流對地下水滲流的影響，得出邊坡滲透側(cè)壓力系數(shù)大于垂直方向的滲透系數(shù)。李攀峰等[7]，劉宏等[8]，胡卸文等[9]對地下水分布情況以及地下水位對工程的影響進(jìn)行了研究，得出地下水位對工程穩(wěn)定性最不利的位置。通過研究發(fā)現(xiàn)，上述學(xué)者都對地下水關(guān)于邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了研究。但對填料黏粒含量和不同壓實(shí)工藝情況下的高填方邊坡地下水分布規(guī)律并沒有進(jìn)行深入研究。

鑒于此，本文以攀枝花機(jī)場為研究對象，機(jī)場13#滑坡-9#滑坡段黏粒含量高，滲透性差。12#滑坡以北地段填料黏粒含量相對較低，滲透性、連通性較好，坡體地下水滲流條件較好。因13#滑坡滲透性較差，滲透系數(shù)小，地下水下滲過程中停滯在填土層中，致使土體自重增加，影響邊坡穩(wěn)定性。故選用13#滑坡位研究對象。通過對攀枝花機(jī)場13#邊坡地下水滲流場演化過程模擬研究人工填土，殘積坡層，基層的滲透性變化，綜合滲流分析理論及高填方邊坡滲流場、位移場計算，揭示了基于填料及壓實(shí)工藝特性的高填方系統(tǒng)地下水分布及演化規(guī)律研究。

1 影響高填方邊坡地下水分布的主要因素

目前西南地區(qū)在建和已建的高填方工程有攀枝花機(jī)場、九寨黃龍機(jī)場、荔波機(jī)場、龍洞堡機(jī)場、六盤水月照機(jī)場、重慶江北機(jī)場、貢嘎機(jī)場、邦達(dá)機(jī)場等 30 多個機(jī)場；大準(zhǔn)鐵路K36+480 處填方路基，重鋼鐵路SDK3+180～+595段等多條鐵路干線；圖琿高速公路RK365+510段，貴廣高速ZK123+840～ZK124+040等多條公路干線，這些工程都具有高填方、地下水分布不均、場區(qū)地質(zhì)復(fù)雜等特點(diǎn)。

結(jié)合現(xiàn)場工程實(shí)例，通過對現(xiàn)有高填方工程建設(shè)資料的分析和歸納，將影響高填方邊坡地下水分布的主要因素總結(jié)為：分層填筑、填料類型(黏粒含量)、壓實(shí)工藝三大類。

1.1 分層填筑

分層填筑方法是填方邊坡采用最為廣泛的方法，應(yīng)用分層填筑方法能夠有效的減小孔隙率，土體中的氣相不斷減小，從而增加了土體的密實(shí)性，提高了土體強(qiáng)度[10]。

人工填土填筑階段，隨著多級填筑逐步完成，由于填土透水性強(qiáng)于殘坡積土層，地下水水位開始上升到填土層內(nèi)部，上游流量變化較小，中游和下游流量增大，會使地下水位進(jìn)一步抬高。某機(jī)場不同工況地下水位變化如圖1所示(以計算模型底邊界為基準(zhǔn)面)。

圖1 某機(jī)場不同工況地下水位變化圖Fig.1 Variation of groundwater level under different conditions of an airport

1.2 黏粒含量

由于高填方工程建設(shè)需要大量填料，為降低成本，一般都采取就地取材的方式，因地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造和地層成因類型不同, 所以在山區(qū)高填方工程中的填料性質(zhì)會有很大差異，以挖方區(qū)爆破開挖產(chǎn)生的塊碎石填料為主(其中以巨粒土最為常見)[11]。

以攀枝花機(jī)場為例，人工填筑土在13#滑坡-9#滑坡段多以黏土夾碎石、角礫土為主，在12#滑坡以北地段多以碎、塊石土為主。黏粒含量較多的填料在壓實(shí)后孔隙率較黏粒含量少的填料孔隙率減小，會使地下水滲透性變差，導(dǎo)致其流速流量發(fā)生改變，間接對地下水水位起一定的變化。

1.3 壓實(shí)工藝影響

填筑體的控制是高填方工程控制的核心，而壓實(shí)度是填料施工質(zhì)量是否合格的核心指標(biāo)。是提高路基強(qiáng)度與穩(wěn)定性的重要技術(shù)環(huán)節(jié)[12-14]。

當(dāng)鋪設(shè)厚度相同時，隨著碾壓遍數(shù)的增加，填土內(nèi)部的氣體會被擠出，空隙率降低，滲透性減弱，換填黏性土料處理層的滲透系數(shù)總體上呈減小趨勢。某高填方鋪設(shè)厚度相同滲透系數(shù)與壓實(shí)遍數(shù)關(guān)系如圖2所示。

圖2 某高填方鋪設(shè)厚度相同滲透系數(shù)與壓實(shí)遍數(shù)關(guān)系圖Fig.2 Lay out the relationship between permeability coefficient and compaction times

2 基于數(shù)值模擬的高填方邊坡地下水分布規(guī)律

以攀枝花13#滑坡為研究對象采用有限元數(shù)值模擬(圖3)，軟件PLAXIS分析高填方邊坡中地下水分布規(guī)律。相對于傳統(tǒng)邊坡工程的極限平衡分析方法，PLAXIS使用土體本構(gòu)模型和各種結(jié)構(gòu)單元來真實(shí)模擬邊坡坡體及其復(fù)雜邊界條件，包括坡體的土巖接觸面、坡體內(nèi)部的原始滑移帶等地層結(jié)構(gòu)，以及地下水的變化和影響等[15-16]。

2.1 工況設(shè)計

各影響因素按照單因素變量變化進(jìn)行分析,便于總結(jié)各因素的影響程度。

(1)高填方邊坡分層填筑過程

考慮大氣降水的直接入滲補(bǔ)給，地表徑流補(bǔ)給對滲流場的殘剩的影響。對于人工填土部分，采用分級填筑的方式進(jìn)行分析，模擬填方施工對邊坡應(yīng)力場和滲流場的影響。

(2)填料黏粒含量以及填料滲透性變化

考慮隨著填料黏粒含量的變化，其滲透性發(fā)生相應(yīng)變化，對邊坡滲流場產(chǎn)生影響。填料滲透性以當(dāng)前基本滲透系數(shù)為基準(zhǔn)，滲透系數(shù)比例按照1∶2∶4三種情況進(jìn)行分析。

(3)壓實(shí)工藝以及殘坡積層滲透性變化

考慮壓實(shí)工藝對殘坡積土層壓密程度的影響，導(dǎo)致其滲透性變化對邊坡滲流場的影響。殘坡積土層滲透性以當(dāng)前基本滲透系數(shù)為基準(zhǔn)，滲透系數(shù)比例按照1∶2∶4三種情況進(jìn)行分析。

圖3 攀枝花13#滑坡模型圖Fig.3 Model of the 13# Landslide in Panzhihua

2.2 有限元模型建立

為保證計算精度高，能很好的適應(yīng)邊界條件，更加準(zhǔn)確地計算有限單元的應(yīng)力應(yīng)變[17-18]。如圖4有限元分析模型中土層和混凝土擋土墻采用實(shí)體單元模擬，實(shí)體單元的有限元網(wǎng)格采用15節(jié)點(diǎn)高階三角形單元，填土與殘坡積土分界面、殘坡積土與巖層分界面、老滑坡面均采用10節(jié)點(diǎn)高階接觸面單元，該單元可表達(dá)兩種材料相互接觸時的剪切、拉壓作用。

圖4 有限元分析模型Fig.4 Finite element analysis model

為了表達(dá)土體和接觸面材料的剪切破壞特征分析模型中土層實(shí)體單元和接觸面單元均采用經(jīng)典摩爾—庫倫本構(gòu)模型如圖5所示，摩爾—庫倫模型在主應(yīng)力空間中的屈服面。

圖5 摩爾—庫倫模型在主應(yīng)力空間中的屈服面Fig.5 Yield surface of the Mohr-Coulomb model in the principal stress space

高填方邊坡工程中人工填土、殘坡積土層、填土與殘坡積土分界面、殘坡積土與巖層分界面、老滑坡面的基本物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖土基本物理力學(xué)參數(shù)表

2.3 分層填筑過程

為了對填方工程和地下水位變化引起地下水滲流場變化進(jìn)行詳細(xì)分析，在邊坡坡肩(上游)、一級馬道(中游)及坡腳(下游)位置處分別設(shè)置監(jiān)測斷面，有限元模型中的監(jiān)測斷面如圖6所示。地下水補(bǔ)給前后水位的滲流場變化如圖7所示。

圖6 邊坡分析監(jiān)測斷面設(shè)置Fig.6 The setting of slope analysis and monitoring section

圖7 地下水補(bǔ)給前后水位的滲流場變化圖Fig.7 Seepage field variation of groundwater level before and after recharging

邊坡填方之后，在原始地下水補(bǔ)給條件下，地下水滲流場由原來沿殘坡積層、強(qiáng)風(fēng)化巖表層形成一定的地表徑流，演化為沿填方土層內(nèi)部滲流，在坡腳位置局部出露地表；隨著地下水補(bǔ)給水位抬升，填方土體內(nèi)水位不斷升高，形成新的地下水滲流場，地下水水位線主要位于二級馬道以下的填方土層。不同分析工況下邊坡滲流場及穩(wěn)定性結(jié)果如表2所示。不同工況下各斷面邊坡流量變化如圖8所示。

表2 不同分析工況下邊坡滲流場及穩(wěn)定性結(jié)果匯總表

圖8 不同工況下各斷面邊坡流量圖Fig.8 Summary of slope seepage field and stability results under different analysis conditions

對不同分析工況下邊坡滲流場及穩(wěn)定性結(jié)果進(jìn)行匯總：

(1)原始邊坡地下水滲流位于表層殘坡積層內(nèi)，從上游到下游各斷面滲流流量相對穩(wěn)定；

(2)人工填土填筑階段，隨著多級填筑逐步完成，地下水位開始上升到填土層內(nèi)部，上游流量變化較小，中游和下游流量增大，地下水在人工填土滲流的過程中由于土體介質(zhì)均勻其運(yùn)動是連續(xù)的，方向一定。當(dāng)滲流到人工填土下部時受重力，孔隙率作用其流量達(dá)到最大值。人工填土能夠抬升部分溝谷地下水排泄基準(zhǔn)面，從而保證足夠的水力梯度使地下水排出；

(3)地下水補(bǔ)給水位抬升階段，受區(qū)域構(gòu)造影響基巖層面呈起伏狀，地下水會沿著基巖—原始地面層滲出。斷面A位于邊坡內(nèi)部且殘積坡土的厚度較薄，流量較大。斷面B位于斜坡中央且底部的殘積土厚度較厚，地下水滲流過程中受高密度介質(zhì)的阻擋流量減小。斷面C位于坡腳地下水會沿層面、層間裂隙向巖層傾伏方向徑流，至低地勢含水層出露處排泄。

2.4 填料黏粒含量以及填料滲透性

填料滲透性變化對高填方邊坡滲流場、位移場、應(yīng)力場(穩(wěn)定性)的影響分析結(jié)果如圖9～圖11、表3所示。

圖9 填料1倍與填料4倍滲透系數(shù)對應(yīng)的滲流場Fig.10 The seepage field corresponding to permeability coefficients under 1 time of fillerand 4 times of filler

隨著填料黏粒含量變化，當(dāng)填土層滲透性增大時，地下水補(bǔ)給水位抬升之后高填方邊坡內(nèi)地下水水位線不斷下降，滲流場從填土層內(nèi)部逐漸向填土與殘坡積土界面處移動。水力梯度C>B>A，由于A斷面的高程最高，當(dāng)滲透系數(shù)不斷增大時，其水位線會不斷下降造成A處流量變小。地下水會沿著基巖—原始地面層滲出，斷面C位于坡腳流量最大，A處的流量最小。

表3 不同分析工況下邊坡滲流場及穩(wěn)定性結(jié)果匯總表

圖10 填料1倍與4倍滲透系數(shù)對應(yīng)的位移場Fig.10 Displacement field corresponding to 1 times of filler and 4 times filler

圖11 不同工況下斷面位移圖Fig.11 Section displacement under different working conditions

人工填土層中當(dāng)滲透系數(shù)變小時，地下水在填筑邊坡內(nèi)的富集，增加坡體的自重。導(dǎo)致填筑體底部含水量的增大，弱化了其物理力學(xué)性能，使邊坡位移增大。

殘積土層中當(dāng)其滲透系數(shù)逐步提高時，上層土體自重減小，地下水位降低導(dǎo)致邊坡水平位移不斷減小，在滲透系數(shù)提高至4倍時，其位移值減小約2倍(尤其在坡腰與坡腳位置，對邊坡穩(wěn)定性影響較大)。

地下基巖結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，地下水在該處多以層間裂隙水賦存，砂巖堅硬，裂隙較發(fā)育，滲透系數(shù)改變位移變化幅度較小。

2.5 殘坡積土層滲透性

殘坡積土層滲透性變化對高填方邊坡滲流場、位移場的影響分析結(jié)果如圖12～圖14所示。

圖12 殘坡積土換填對應(yīng)的滲流場Fig.12 Seepage field corresponding to the replacement of residual slope soil

隨著殘坡積土壓實(shí)度變化，當(dāng)殘積土層滲透性增大時，地下水補(bǔ)給水位抬升之后高填方邊坡內(nèi)地下水水位線逐漸下降，但相較于填土層滲透性變化引起的地下水位變化，其幅度較小。殘積土換填為人工填土之后，巖層以上視為均質(zhì)填土材料，其地下水位變化不明顯。不同壓實(shí)工藝工況下流量及位移變化如表4、表5所示。

表4 不同壓實(shí)工藝工況下滲流場及穩(wěn)定性結(jié)果匯總表

圖14 不同工況下殘坡積土斷面流量變化圖Fig.14 Flow chart of section slope under different working conditions

分析工況邊坡水平位移最大值/m斷面A-A'斷面B-B'斷面C-C'基本滲透系數(shù)0.170.220.302倍滲透系數(shù)0.170.180.224倍滲透系數(shù)0.160.170.20

對上述結(jié)果匯總：

(1)當(dāng)土殘坡積滲透系數(shù)提高時，土體透水性增強(qiáng)，邊坡自重減小，邊坡安全系數(shù)提高；殘積土換填為人工填土之后，其透水性和抗剪強(qiáng)度均有所提高，邊坡安全系數(shù)也會提高；

(2)殘坡積土含有較多的黏土礦物，會使?jié)B透系數(shù)減小，換填后滲透系數(shù)增大，各斷面流量增大幅度明顯，地下水位降低，會進(jìn)一步使位移減小?？v向上各斷面位移隨著滲透系數(shù)怎大位移會減?。粰M向上由于地下水會沿著基巖—原始地面層滲出，區(qū)內(nèi)滑坡的成因是由其特殊的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征及基巖-堆積層接觸帶水共同作用的結(jié)果。會導(dǎo)致水平位移由A-C斷面不斷增大；

(3)殘積土換填為人工填土之后，巖層以上視為均質(zhì)填土材料，地下基巖結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，其地下水位變化不明顯，人工填土對地下水位和流量，位移的影響很小。

3 結(jié)論與建議

以攀枝花機(jī)場13#高填方邊坡為依托，通過數(shù)值計算中的單因素變量分析法，對填料黏粒含量變化、壓實(shí)工藝導(dǎo)致殘坡積層密實(shí)度變化對坡體地下水滲流場與力學(xué)-位移場耦合計算影響進(jìn)行了研究，得到如下結(jié)論。

(1)通過分析填料黏粒含量變化(相同壓實(shí)工藝下其對應(yīng)的滲透性一般有明顯變化)對滲流場的影響，得出如下規(guī)律：填土黏粒含量越高，對應(yīng)的透水性也越弱，邊坡內(nèi)地下水流速減小、填土內(nèi)水位線升高，地下水補(bǔ)給水位抬升時邊坡位移增大，安全系數(shù)下降。

(2)通過分析填土壓實(shí)工藝變化(其對下臥殘坡積層的壓實(shí)度具有一定程度的影響)對滲流場的影響，得出如下規(guī)律：殘坡積土壓實(shí)度越高，對應(yīng)的透水性也越弱，邊坡內(nèi)地下水流速減小、填土內(nèi)水位線略有升高，地下水補(bǔ)給水位抬升時邊移增大，安全系數(shù)有所下降。

(3)針對山區(qū)機(jī)場高填方體，建議在修筑高填方體時，在其底部設(shè)計一定數(shù)量的盲溝。及時排除多層段滲出的地下水。盲溝設(shè)置在低于地面的位置，通過盲溝地下水能夠有效地排出高填方邊坡外。