滑坡穩(wěn)定性受地下水與邊坡開挖影響的分析

李 俊，鐘天宇

（重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局107 地質(zhì)隊(duì)，重慶 400000）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)的建筑業(yè)不斷發(fā)展，土地資源的使用量越來越大。中國(guó)幅員遼闊，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜多樣，在山區(qū)和山區(qū)的開發(fā)中，要特別重視由此產(chǎn)生的滑坡問題。因此，研究人員需要對(duì)滑坡進(jìn)行更多的研究，以預(yù)測(cè)危險(xiǎn)情況或采取有效及時(shí)的防護(hù)措施，規(guī)避滑坡風(fēng)險(xiǎn)，保護(hù)人員和財(cái)產(chǎn)免遭損失。山體滑坡是為山體或平臺(tái)提供穩(wěn)定性而形成的人工或天然斜坡。在建筑工程中，邊坡不僅是最常見的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，也是常見的工程項(xiàng)目。滑坡是一種后果嚴(yán)重的自然災(zāi)害。它不僅嚴(yán)重影響我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，而且危及居民的生命、健康和財(cái)產(chǎn)。邊坡失穩(wěn)主要表現(xiàn)為土體沿軟帶滑移，導(dǎo)致滑坡，給國(guó)家和人民帶來巨大損失。因此，分析滑坡的成因、分析其穩(wěn)定性、判斷其滑坡并采取有效的治理方案，是建設(shè)工程中急需解決的關(guān)鍵問題[1]。

1 邊坡穩(wěn)定的影響因素

邊坡的變形和破碎不僅是一種動(dòng)態(tài)地質(zhì)現(xiàn)象，而且是一個(gè)非常復(fù)雜的過程。因此，影響邊坡穩(wěn)定性的因素很多。這些因素包括內(nèi)部因素和外部因素。地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地層巖性和巖體結(jié)構(gòu)是對(duì)邊坡產(chǎn)生持久緩慢影響的內(nèi)在因素。這是引起邊坡變形破壞的內(nèi)在因素，直接影響邊坡變形的形狀和規(guī)模，對(duì)控制邊坡的穩(wěn)定性起著重要作用。地震、水文、地質(zhì)、氣候條件和人類活動(dòng)等外部因素對(duì)邊坡變形的影響較內(nèi)部因素更為明顯。其特點(diǎn)是需要內(nèi)部因素來影響邊坡的穩(wěn)定性，因此邊坡的變形不斷發(fā)展，最終會(huì)導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)和破壞。經(jīng)驗(yàn)表明，地下水是引發(fā)滑坡最重要的原因之一[2]，其影響過程也是最為復(fù)雜和頻繁的。同時(shí)，邊坡的開挖也是滑坡的關(guān)鍵因素。圖1 為地下水影響的滑坡剖面。

圖1 地下水影響的滑坡剖面

2 地下水對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響

地下水在地質(zhì)約束中起著非常重要的作用。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，地下水及其滲流是造成滑坡的最主要因素，占總量的90%以上。直接地下水補(bǔ)給通常由地表水和大氣降水提供。二者間接轉(zhuǎn)化為地下水，嚴(yán)重影響邊坡的穩(wěn)定性。地下水是土壤的一部分，也會(huì)影響土壤環(huán)境。地下水不僅會(huì)影響土壤的力學(xué)性質(zhì)，還會(huì)影響土壤的壓力。在重力和透水性的作用下，巖體和土壤的整體密度和含水量會(huì)發(fā)生變化和增加。同時(shí)會(huì)發(fā)生一定的理化作用，使土壤結(jié)構(gòu)面軟化，最終改變土壤的性質(zhì)。圖2為地下水對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響。

圖2 地下水對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響

2.1 物理作用

物理作用主要包括污泥、軟化、潤(rùn)滑和強(qiáng)化結(jié)合水。潤(rùn)滑會(huì)大大減少巖土的內(nèi)摩擦角，從而大幅削弱滑動(dòng)面的摩擦力，增加剪切作用，使巖土沿滑動(dòng)面發(fā)生剪切運(yùn)動(dòng)。典型類型包括板巖、絹云母頁巖等。頁巖和分層中存在的地下水可以被潤(rùn)滑。例如，雖然沙子是親水的，但潤(rùn)滑起著重要的作用。因此，它可以大大降低砂粒之間的結(jié)合力及其表面摩擦力，從而相應(yīng)地降低其強(qiáng)度。

2.1.1 泥化軟化作用

這種物理效應(yīng)會(huì)降低巖體和土體的強(qiáng)度，從而導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)平面內(nèi)填充物的物理性質(zhì)發(fā)生變化。對(duì)于粗糙的土壤，地下水對(duì)其性質(zhì)幾乎沒有影響。在這類土壤中，地下水通常以自由水的形式存在，不會(huì)從根本上影響土壤顆粒之間的聯(lián)系，因此不會(huì)降低土壤巖體的強(qiáng)度[3]。一般來說，如果粗土中含有少量粘土，顆粒之間的支撐力和結(jié)合力就會(huì)降低，從而導(dǎo)致土體強(qiáng)度下降。對(duì)于粘土，地下水的影響很明顯。造成這種現(xiàn)象的主要原因是含水量的不同，使顆粒之間的結(jié)合強(qiáng)度大小、種類不同。

2.1.2 粒間的結(jié)合狀態(tài)

如果含水量較低且小于塑限，則顆粒間的結(jié)合狀態(tài)與水結(jié)合牢固，使土體牢固，強(qiáng)度較高；如果含水量在塑限和液限之間，顆粒間的結(jié)合力弱，則土體呈塑性，抗力弱；如果含水量高，比液限高，顆粒間的結(jié)合狀態(tài)是自由水，土壤就會(huì)流動(dòng)，幾乎失去阻力。如果含水量發(fā)生一定的變化，結(jié)構(gòu)面內(nèi)的填充物也會(huì)發(fā)生變化，土體的質(zhì)量會(huì)減弱，由固態(tài)變?yōu)樗苄?，最終變?yōu)橐簯B(tài)，降低滑帶的力學(xué)性能，從而減少摩擦和凝聚力。

2.2 化學(xué)作用

化學(xué)作用包括溶解、腐蝕、離子交換和沉淀。地下水的化學(xué)作用降低了邊坡巖體和土體的阻力，減少了關(guān)節(jié)巖體結(jié)構(gòu)的破壞和松動(dòng)，增加了邊坡的有效孔隙度，從而提高了邊坡的蓄水能力和導(dǎo)水能力。從一定程度上來看，地下水入滲增加對(duì)邊坡穩(wěn)定性有負(fù)面影響。

2.3 力學(xué)作用

地下水對(duì)邊坡的壓力也是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素之一。這是因?yàn)榈叵滤畨毫νǔ?huì)改變邊坡巖土的應(yīng)力形式和力學(xué)性質(zhì)，從而導(dǎo)致快速變化，從而顯著降低邊坡的穩(wěn)定性。因此，這也是導(dǎo)致邊坡破壞的主要因素。地下水壓力一般可分為靜水壓力和動(dòng)水壓力。靜水壓力降低了巖體和土壤的有效應(yīng)力，從而降低了其阻力。靜水壓力的作用機(jī)制是通過降低滑動(dòng)面上潛在的變形正應(yīng)力來降低防滑力。在裂隙巖體中，在楔子的作用下，靜水壓力不斷增大，使邊坡不斷破裂。動(dòng)水壓力的作用機(jī)理是將地下水在入滲過程中損失的孔隙壓力轉(zhuǎn)化為作用于水流方向的力。動(dòng)水壓力主要沿邊坡自由面產(chǎn)生推力，從而增加滑動(dòng)力，降低穩(wěn)定系數(shù)。此外，如果動(dòng)水壓力較大，部分巖體和細(xì)粒土材料會(huì)進(jìn)入巖體破壞區(qū)、邊坡土和軟弱夾層，甚至從體塊中移出巖土，呈現(xiàn)巖土體的高滲透性和低阻力的特性，進(jìn)而造成傷害[4]。

3 邊坡開挖對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響

開挖后，邊坡會(huì)造成滑坡。其主要原因是在開挖、爆破、地震、風(fēng)化和水等外界因素的作用下，巖土的原始結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了大規(guī)模的變化，巖土的抗剪強(qiáng)度降低，壓力被重新分配和組合。滑坡災(zāi)害以下3 種狀態(tài)下較為常見：粉土設(shè)計(jì)地質(zhì)勘察深度不足、設(shè)計(jì)坡率不合理、實(shí)際地質(zhì)條件下設(shè)計(jì)坡度本身不穩(wěn)定。在按計(jì)劃坡比開挖的過程中，隨著開挖高度的增加，邊坡內(nèi)的應(yīng)力結(jié)合劇烈，從而在巖體和土體中產(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)剪切強(qiáng)度減弱且不能保持平衡時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致滑坡。邊坡的巖體和土體中存在薄弱的夾層。隨著邊坡的不斷開挖，土體中的應(yīng)力不斷重新組合，導(dǎo)致軟質(zhì)夾層的抗剪強(qiáng)度下降，部分石質(zhì)土發(fā)生滑坡，最終形成滑坡。在各種內(nèi)外因素的作用下，軟巖緩慢變形，常形成大中型滑坡。在各種內(nèi)外因素的共同作用下，舊滑坡中出現(xiàn)了新的滑坡。在連續(xù)降水的作用下，地下水位逐漸升高，巖體的阻力顯著降低，從而導(dǎo)致滑坡。

4 邊坡防護(hù)措施研究

4.1 邊坡防護(hù)措施方案設(shè)計(jì)

邊坡防護(hù)通常遵循以下5 個(gè)步驟：①邊坡清理。在支護(hù)前應(yīng)清理邊坡上的雜草或裸露的巖石。清掃應(yīng)人工進(jìn)行，安全系數(shù)高，相鄰建筑物應(yīng)得到良好保護(hù)。②排水系統(tǒng)。排水系統(tǒng)通常包括邊溝、排水溝、護(hù)堤截水溝、坡頂截水溝。邊溝為矩形C25 混凝土邊溝，厚度分別為0.5m 和0.3m；護(hù)堤排水溝為尺寸0.3m×0.3m 梯形邊溝，采用C25 混凝土，厚度0.2m；坡頂截流溝為尺寸0.5m×0.5m 梯形邊溝，采用C25 混凝土，厚度0.3m。③掛網(wǎng)噴錨護(hù)錨。邊坡開挖修整后，巖質(zhì)邊坡用15cm 厚的普通噴射混凝土保護(hù)，然后錨桿位置，掛網(wǎng)噴錨按設(shè)計(jì)解除.鉆孔澆注M30 水泥砂漿應(yīng)使用砂漿地腳螺栓；地腳螺栓巖面外露10cm，懸垂φ6.5@20cm×20cm 鋼絲網(wǎng)；地腳螺栓的間距和長(zhǎng)度可根據(jù)邊坡的地質(zhì)條件進(jìn)行調(diào)整。④邊坡排水孔直徑75mm，孔深2m，間距3m，孔呈梅花狀排列；開口必須裝有直徑為50mm，長(zhǎng)度為30cm的PVC 塑料排水管。在錨噴網(wǎng)的支護(hù)坡面上每隔10m設(shè)置一次伸縮縫，寬度為2cm，填充瀝青泡沫。⑤植被的綠化。根據(jù)項(xiàng)目的條件，決定種植當(dāng)?shù)氐奶俦局参铮瓤梢员ＷC邊坡的點(diǎn)綴，又可以保證邊坡的永久穩(wěn)定性。

4.2 邊坡治理技術(shù)

邊坡治理通常有以下3 種技術(shù)：①綠色混凝土護(hù)坡技術(shù)。根據(jù)周圍環(huán)境、位置、邊坡、巖石性質(zhì)、邊坡綠化狀態(tài)，確定砂壤土、水泥、有機(jī)基體、綠化外加劑、混合綠化植物種子等材料，確定混凝土材料的配比，在邊坡上使用噴涂和錨固設(shè)備噴涂混凝土材料，實(shí)現(xiàn)生態(tài)修復(fù)。②綠色混凝土護(hù)坡和綠色技術(shù)。綠色混凝土護(hù)坡技術(shù)的主要目的是保護(hù)巖石邊坡。與其他噴灑護(hù)坡技術(shù)相比，該技術(shù)具有許多顯著特點(diǎn)：干式噴灑、噴灑距離長(zhǎng)；節(jié)省材料等，并且施工過程簡(jiǎn)單，所用設(shè)備均為家用機(jī)械。③護(hù)坡和綠色混凝土技術(shù)[5]。在很多山路工程中，工程師更注重尋找保證邊坡穩(wěn)定性的方法。因此，它們失去了土壤或巖石斜坡穩(wěn)定性的趨勢(shì)。邊坡安全狀態(tài)分析后，如果安全系數(shù)過低，則采用石料或混凝土擋土墻及防護(hù)，或采用錨固法噴射混凝土完全封閉邊坡防護(hù)。這種傳統(tǒng)的護(hù)坡方式可以防止不穩(wěn)定坡面上的水土流失和滑坡，但也導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境問題，如視覺污染和生態(tài)失衡。

隨著環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高，人們?cè)絹碓揭庾R(shí)到在保護(hù)邊坡的同時(shí)恢復(fù)邊坡植被的必要性和重要性。因此，綠色混凝土的保護(hù)和綠色技術(shù)成為該領(lǐng)域的希望。單獨(dú)或與其他結(jié)構(gòu)結(jié)合使用該技術(shù)進(jìn)行護(hù)坡和綠化已成為工程建設(shè)的目標(biāo)。

4.3 合理的控制抗滑擋土墻施工

合理控制抗滑擋土墻施工風(fēng)險(xiǎn)的方法如下：①排水處理在山區(qū)道路工程平臺(tái)邊坡施工中尤為重要。因此，在擋土墻施工前，應(yīng)設(shè)計(jì)好排水工程的具體實(shí)施方案。排水工程最好在施工前進(jìn)行集中處理和準(zhǔn)備，以縮短工期，節(jié)約成本。②雨季施工，尤其是在山區(qū)路段，無論是開挖還是填埋，雨季施工都容易加劇滑坡，影響施工質(zhì)量、工期及人員安全。因此，應(yīng)盡量避免在雨季施工。在山路上開挖地基和回填擋土墻時(shí)容易引起地形變化和對(duì)周圍環(huán)境的破壞，施工期間應(yīng)監(jiān)測(cè)地表水，以消除地表水的影響，并注意施工期間對(duì)場(chǎng)地和生活用水的影響。③在修建山路的過程中，滑坡的力尤為重要。為減小滑動(dòng)力，應(yīng)自上而下施工，切屑可用作擋土墻材料。當(dāng)滑坡下緣形成松土?xí)r，應(yīng)立即清理，清理仍應(yīng)自上而下進(jìn)行。④對(duì)于擋土墻，必須保證墻體的強(qiáng)度、質(zhì)量和穩(wěn)定性的要求。墻體材料必須是石材或砌塊，并且必須符合相關(guān)規(guī)范的設(shè)計(jì)要求。墻體的完整性、穩(wěn)定性和強(qiáng)度質(zhì)量應(yīng)在完工后的一定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行驗(yàn)證。⑤在建造防滑擋土墻的過程中，基礎(chǔ)開挖條件必須滿足設(shè)計(jì)要求，開挖深度必須滿足巖土要求，穩(wěn)定性好[6]。

4.4 動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)

對(duì)于處理后的滑坡，應(yīng)及時(shí)建立深度約280m 的內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)斷面?？偣部梢栽O(shè)置3 個(gè)監(jiān)控孔。此外，深入實(shí)施移動(dòng)監(jiān)測(cè)，暫停1～2 年完成治理。各級(jí)斜坡上所有錨栓和錨索孔的6%，即總共大于11 個(gè)錨索測(cè)功機(jī)。坡錨下預(yù)應(yīng)力竣工后2 年長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

5 結(jié)語

綜上所述，地下水位對(duì)滑坡的穩(wěn)定性有非常重要的影響。地下水位與滑坡穩(wěn)定性呈負(fù)相關(guān)，但受多種因素影響并非線性關(guān)系。此外，開挖邊坡會(huì)進(jìn)一步降低滑坡的穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致滑坡。在雨水和坡腳開挖的作用下，滑坡的推力會(huì)顯著增加，導(dǎo)致滑坡穩(wěn)定性下降。因此，在滑坡治理設(shè)計(jì)中，要適當(dāng)排水，降低地下水位，盡量減少對(duì)坡腳的破壞。