地下水對(duì)管廊基坑巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響研究

王家全，常志凱，林桂武，林志南，鐘張寶，胡 鋒

(1.廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 柳州 545006；2.中鐵二十五局集團(tuán)第四工程有限公司，廣西 柳州 533000)

0 引 言

基坑邊坡穩(wěn)定性研究對(duì)于采用明挖法施工的管廊工程具有重要意義。南方降雨量大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，雨水極易向低洼地帶匯集，在排水不及時(shí)的情況下基坑底部常出現(xiàn)積水現(xiàn)象。此外，在新冠疫情的影響下工地人員不足，因雨水滲流及基坑底部積水引起的邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題更加突出，給管廊項(xiàng)目安全建設(shè)埋下了隱患。研究發(fā)現(xiàn)，影響巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的因素主要有巖體強(qiáng)度、不連續(xù)面特征、地下水等[1-2]。地下水是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素[3-5]，影響邊坡穩(wěn)定性的地下水主要為通過(guò)大氣降水、地表水、凝結(jié)水等匯集形成的潛水，潛水對(duì)邊坡的影響主要表現(xiàn)在水體由高處向低處的徑流、滲流以及在基坑底部存積。張卓等[6]指出雨水入滲改變巖質(zhì)邊坡滲流場(chǎng)分布是引起滑坡的主要因素之一；張勃成等[7]認(rèn)為充水高度是影響巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的重要參數(shù)；劉才華、汪映紅等[8-9]研究發(fā)現(xiàn)，隨著水位的升高邊坡穩(wěn)定性逐漸降低，且穩(wěn)定性降低速率逐漸增大；Dong、郭雙楓等[10-11]指出巖土粘聚力和內(nèi)摩擦角是影響邊坡穩(wěn)定性的重要參數(shù)；賈官偉等[12]研究發(fā)現(xiàn)，坡內(nèi)水位下降速率滯后于坡外時(shí)，指向邊坡外的滲流是引起邊坡失穩(wěn)的重要原因；江德飛等[13]分別采用傳遞系數(shù)法和FLAC3D強(qiáng)度折減法計(jì)算巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性，對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩者計(jì)算結(jié)果基本一致，但FLAC3D強(qiáng)度折減法中可以考慮各土層間的變形協(xié)調(diào)，可以更客觀反映水與邊坡間的相互作用。相較于土質(zhì)邊坡，巖質(zhì)邊坡實(shí)際工程中高度較大，巖石強(qiáng)度大且吸水性弱，但如果忽視水對(duì)巖質(zhì)邊坡結(jié)構(gòu)面的影響，就會(huì)增大巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，應(yīng)在前人研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加深關(guān)于水體對(duì)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響研究。

前人的研究主要從水對(duì)巖土體軟化作用及滲流影響邊坡穩(wěn)定性的角度展開，較少關(guān)注潛水面高度和基坑水位線高度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。為此，本文以現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告為基礎(chǔ)，充分考慮邊坡所處的環(huán)境條件，結(jié)合水位監(jiān)測(cè)和FLAC3D三維建模軟件分析不同潛水面高度和基坑水位線高度對(duì)管廊基坑的高巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響，并提出了切實(shí)可行的滑坡災(zāi)害防治方案。

1 工程概況

廣西某在建管廊項(xiàng)目采用明挖法施工，設(shè)計(jì)管廊底面標(biāo)高為78.17～108.20 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告，場(chǎng)地內(nèi)地層巖性自上而下依次為雜填土、可塑狀黏土、強(qiáng)風(fēng)化白云巖、中風(fēng)化白云巖。項(xiàng)目段管廊基坑開挖深度為17.3 m，采用多級(jí)臺(tái)階式放坡開挖以提高邊坡的穩(wěn)定性，第1級(jí)臺(tái)階深度3 m，第2級(jí)臺(tái)階深度6 m，兩級(jí)臺(tái)坡坡率均為1∶1，臺(tái)階寬度為1.5 m。邊坡剖面及支護(hù)見(jiàn)圖1。

圖1 邊坡剖面及支護(hù)(單位：mm)

根據(jù)本項(xiàng)目管廊設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，管廊設(shè)計(jì)使用年限為100年，屬于一級(jí)建筑，結(jié)合DL/T 5353—2006《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》，可能發(fā)生滑坡并危及一級(jí)建筑物安全的邊坡屬于B類邊坡，邊坡設(shè)計(jì)安全系數(shù)需滿足：持久狀況1.25、短暫狀況1.15、偶然狀況1.05。

2 數(shù)值模型的建立

2.1 模型建立

管廊基坑兩側(cè)巖質(zhì)邊坡為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為提高建模計(jì)算效率，以一側(cè)邊坡為基礎(chǔ)構(gòu)建三維模型，邊坡模型尺寸為40 m×25.75 m×19.3 m(長(zhǎng)×寬×高)。模型從上向下依次為紅黏土層、強(qiáng)風(fēng)化白云巖層、中風(fēng)化白云巖層，強(qiáng)風(fēng)化白云巖層與中風(fēng)化白云巖層分界面與水平面夾角為22.6°。巖土體的本構(gòu)模型采用M-C模型。三維邊坡模型見(jiàn)圖2。材料參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 三維邊坡模型

表1 材料參數(shù)

2.2 工況設(shè)計(jì)

為研究潛水面高度和基坑水位線高度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，保持基坑水位線不變，改變潛水面高度，其中水位線1高度為14.3 m，水位線2高度為11.3 m，水位線3高度為8.3 m。為研究基坑水位線高度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，保持潛水面高度不變，改變基坑水位線高度，水位線4高度為9.0 m，水位線5高度為6.0 m，水位線6高度為3.0 m。水位線示意見(jiàn)圖3。為探討錨固支護(hù)方案是否滿足邊坡穩(wěn)定性需求，無(wú)錨固支護(hù)工況設(shè)置為系列1，有錨固支護(hù)工況設(shè)置為系列2，試驗(yàn)工況組合見(jiàn)表2。

圖3 水位線示意

表2 試驗(yàn)工況組合

3 結(jié)果分析

本項(xiàng)目中強(qiáng)風(fēng)化與中風(fēng)化巖石的巖層分界面所在平面與邊坡所在平面垂直，為切向坡，邊坡臨空面方向?yàn)閄向，巖層分界面走向方向?yàn)閅向。以工況1-1為例，巖層分界面上部的強(qiáng)風(fēng)化巖石層在Y向位移十分微小，最大為0.86 mm，但在X向最大位移達(dá)到10.90 mm，最大位移位置位于巖層分界面方向最下方。工況1-1位移云圖見(jiàn)圖4。從圖4可知，巖質(zhì)邊坡未出現(xiàn)貫通性破壞面，只是在邊坡左上角形成局部楔形體滑動(dòng)，變形模式屬于滑移-壓致拉裂，破壞類型屬于典型的楔形破壞[14]。工況1-1應(yīng)力云圖見(jiàn)圖5。從圖5可知，巖層分界面的應(yīng)力集中現(xiàn)象主要體現(xiàn)在Y向，在X向無(wú)明顯的應(yīng)力集中，這是由于巖質(zhì)邊坡滑移的主要原因?yàn)閹r層分界面上部巖石沿Y向有滑移趨勢(shì)，遭遇前方巖石阻擋后，上部巖石表現(xiàn)出X向移動(dòng)趨勢(shì)，進(jìn)而引起巖質(zhì)邊坡在X向的滑坡。因此，當(dāng)巖質(zhì)邊坡屬于切向坡，且具有一定傾角的巖層分界面暴露于邊坡臨空面時(shí)，應(yīng)對(duì)巖質(zhì)邊坡進(jìn)行相應(yīng)支護(hù)，同時(shí)還要加強(qiáng)分界面部位的監(jiān)測(cè)，避免巖層分界面上部的巖層滑移引發(fā)滑坡災(zāi)害。

圖4 工況1-1位移云圖

圖5 工況1-1應(yīng)力云圖

3.1 潛水面高度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

不同工況邊坡應(yīng)力、位移和安全系數(shù)見(jiàn)表3。X向位移云圖見(jiàn)圖6。潛水面高度為11.3 m時(shí)，邊坡X向的最大位移為6.64 mm；潛水面高度為11.3 m時(shí)，最大位移為6.43 mm；潛水面高度為14.3 m時(shí)，最大位移增加至10.90 mm，而巖層分界面最低點(diǎn)為13.3 m，表明潛水主要通過(guò)弱化巖層分界面的力學(xué)特性影響巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性，這與文獻(xiàn)[15-16]研究結(jié)果一致。此外，對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的影響在宏觀方面主要表現(xiàn)為巖層分界面上方的巖石層在邊坡臨空面方向位移增加。從坡底應(yīng)力和Z向位移角度分析可知，隨著潛水面高度的增加，邊坡自重逐漸增大，邊坡底部X向水平應(yīng)力逐漸增加，無(wú)地下水時(shí)坡底X向應(yīng)力為2.58×105Pa，水位線高度為14.3 m時(shí)，坡底X向應(yīng)力為4.43×105Pa，同時(shí)坡底Z向位移逐漸增大。從邊坡安全系數(shù)分析可知，隨著潛水面高度的增加，巖質(zhì)邊坡安全系數(shù)逐漸減小。但潛水面高度變化對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響并不顯著，水位線高度為14.3 m時(shí)，邊坡安全系數(shù)為1.09；水位線高度為8.3 m時(shí)，邊坡安全系數(shù)為1.12。因此，通過(guò)設(shè)置截水溝、疏干孔等排水設(shè)施降低潛水面高度，避免潛水弱化巖層分界面強(qiáng)度，對(duì)于保證邊坡穩(wěn)定十分重要。

表3 邊坡應(yīng)力、位移和安全系數(shù)

圖6 X向位移云圖

3.2 基坑水位線對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

不同工況邊坡應(yīng)力、位移和安全系數(shù)見(jiàn)表4。隨著基坑水位線增高，巖質(zhì)邊坡安全系數(shù)逐漸下降，邊坡位移逐漸增大，這與文獻(xiàn)[17-18]研究結(jié)果一致。王超[19]研究發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)整體加固的高陡邊坡最大位移發(fā)生在坡腳位置。X向位移云圖見(jiàn)圖7。從圖7可知，隨著基坑水位線的增加，邊坡X向最大位移部位由巖層分界面位置逐漸轉(zhuǎn)移至坡腳位置，坡體位移和邊坡底部向上隆起的高度先增后減，這是由于在水的浮力作用下，上部滑體有效質(zhì)量減小，減弱了上部強(qiáng)風(fēng)化巖層滑移，提高了巖層分界面部位的穩(wěn)定性，但是，積水高度的增加降低了邊坡底部巖石的穩(wěn)定性。從坡底應(yīng)力和Z向位移分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著基坑水位線高度的增加，坡底X向應(yīng)力和Z向位移先增加后減小，這也從側(cè)面證明了隨著基坑水位線高度的增加，邊坡最大位移位置發(fā)生了改變。因此，基坑水位線高度對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響顯著，在實(shí)際工程中要盡量避免邊坡底部大量積水。

表4 邊坡應(yīng)力、位移和安全系數(shù)

圖7 X向位移云圖

4 支護(hù)方案及效果

根據(jù)以上分析，此項(xiàng)目邊坡穩(wěn)定性較低的原因：一方面，是強(qiáng)風(fēng)化巖層與中風(fēng)化巖層分界面存在傾斜角度，在水的軟化作用下巖層分界面上部強(qiáng)風(fēng)化巖層滑移進(jìn)一步加劇；另一方面，水位線以下巖土體提供的抗滑力隨著基坑水位線的升高逐漸降低。因此，防滑坡治理方案從排水和支護(hù)2個(gè)方面進(jìn)行綜合防治：

(1)排水設(shè)施。在滑坡區(qū)周界設(shè)置環(huán)形截水溝，滑坡坡面上設(shè)置平臺(tái)排水溝及疏干孔，形成有機(jī)整體，盡量減少地表水下滲，使地下水位降低，減少地下水對(duì)巖土體物理力學(xué)性能的影響。

(2)管井井點(diǎn)排水。用于潛水層降水，對(duì)于滲透系數(shù)大的砂礫層、地下水豐富的地層具有廣泛適用性，具有施工簡(jiǎn)單、出水量大等特點(diǎn)，每口管井出水流量可達(dá)到50～100 m3/h，可降低地下水位深度約3～5 m。

(3)邊坡錨固。在巖層分界面部位設(shè)置錨桿框格梁，巖層分界面所處臺(tái)階深度為10 m，放坡坡比為1∶1.50，平臺(tái)寬度為1.5 m，錨桿長(zhǎng)度9 m，錨固體與臺(tái)座混凝土強(qiáng)度大于15 MPa。

根據(jù)上述方案為巖質(zhì)邊坡提供支護(hù)，支護(hù)后邊坡安全系數(shù)見(jiàn)表5。從表5可知，無(wú)地下水影響的情況下，邊坡穩(wěn)定性滿足短暫工況使用需求，在潛水作用下邊坡極易發(fā)生滑坡災(zāi)害。計(jì)算結(jié)果顯示，滑坡防治方案對(duì)于巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性有較大提升，并且滿足持久狀況下的安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。2020年12月本項(xiàng)目管廊工程完工并進(jìn)行了土體回填，在管廊工程施工過(guò)程中，邊坡穩(wěn)定性良好，錨固結(jié)構(gòu)無(wú)顯著變形。在2020年6月～7月的雨季中，基坑底部未出現(xiàn)明顯積水，也未出現(xiàn)滑坡事故。以上情況表明，對(duì)管廊基坑進(jìn)行排支結(jié)合的防滑坡綜合處置，可避免坑底積水，從而有效提高了邊坡的穩(wěn)定性。

表5 不同工況下邊坡安全系數(shù)

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以廣西某在建管廊項(xiàng)目為例，通過(guò)FLAC3D建模軟件，對(duì)潛水面高度和基坑水位線高度影響巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了深入分析，得出以下結(jié)論：

(1)相對(duì)于潛水面高度的變化，基坑水位線高度對(duì)邊坡安全系數(shù)影響更為顯著。隨著基坑水位線高度的增加，水體浮力作用使巖層分界面上部巖層滑移力逐漸減小，同時(shí)坡腳在臨空面方向的位移逐漸增加。因此，應(yīng)制定合理降水排水措施，避免基坑底部大量積水。

(2)當(dāng)巖質(zhì)邊坡屬于切向坡，且具有一定傾角的巖層分界面暴露于邊坡臨空面時(shí)，巖層分界面上部巖層極易向邊坡臨空面方向滑移。

(3)高陡層狀巖質(zhì)邊坡在不加支護(hù)的情況下，隨著基坑水位線的增加，邊坡失穩(wěn)方式由巖層分界面上部巖層局部楔形體滑動(dòng)破壞向平面破壞轉(zhuǎn)化。

(4)層狀巖質(zhì)邊坡中，潛水主要通過(guò)弱化巖層分界面的強(qiáng)度影響邊坡的穩(wěn)定性。通過(guò)設(shè)置截水溝等排水設(shè)施降低水對(duì)巖層分界面的影響，對(duì)于提高巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性具有重要意義。因此，采取排水設(shè)施的建設(shè)、排水方案的選擇及加強(qiáng)巖層分界面部位支護(hù)的綜合滑坡防治方案對(duì)提高巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性切實(shí)可行。