基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的硬質(zhì)巖路塹邊坡地下水分布特征與防滲效果評(píng)價(jià)

趙仲珩，陳志堅(jiān)

(河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100)

隨著我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展，工程邊坡的數(shù)量與日俱增。這些邊坡的穩(wěn)定性關(guān)系著工程的成敗與人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。影響邊坡穩(wěn)定的因素復(fù)雜多樣，而水的作用是邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中不可忽視的重要因素，地下水的賦存與運(yùn)移往往成為邊坡失穩(wěn)的誘發(fā)因素[1-2]。對(duì)于巖質(zhì)邊坡，地下水補(bǔ)給來(lái)源為降雨入滲補(bǔ)給且主要賦存于各類(lèi)裂隙中，地下水對(duì)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定的影響更為關(guān)鍵。巖質(zhì)邊坡相較于土質(zhì)邊坡在物質(zhì)構(gòu)成上并無(wú)本質(zhì)區(qū)別，但巖質(zhì)邊坡中存在大量的裂隙、節(jié)理、斷層等結(jié)構(gòu)面，具有明顯的結(jié)構(gòu)性，其穩(wěn)定性相較于受巖性影響外，更受到巖體結(jié)構(gòu)的控制[3]。邊坡巖體在多種外營(yíng)力共同作用下發(fā)生漸進(jìn)性演變，而降水和地下水作用是促進(jìn)這一過(guò)程的核心因素[4]。地下水對(duì)巖質(zhì)邊坡的作用可以概括為幾個(gè)方面[5-9]：(1)水-巖物理化學(xué)作用；(2)靜水壓力；(3)動(dòng)水壓力；(4)巖土體及結(jié)構(gòu)面的軟化；(5)巖土體含水量和容重的增大。周志芳等[10]分析了次降雨下地下水動(dòng)態(tài)資料，計(jì)算得到的邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨地下水位同步變化且遲后于降雨。曾芮等[11]通過(guò)數(shù)值模擬得出：強(qiáng)降水作用使得巖體后緣裂隙快速充水，對(duì)巖體產(chǎn)生向外推力，是巖體崩塌傾倒破壞的重要直接誘因。張勃成等[12]將計(jì)算模型與實(shí)例結(jié)合，論述了水力作用是誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的重要因素。

對(duì)于某些地質(zhì)條件復(fù)雜的邊坡，邊坡內(nèi)部力學(xué)作用復(fù)雜，加上降雨等環(huán)境因素的影響，邊坡巖土體的力學(xué)參數(shù)和穩(wěn)定狀態(tài)并非一成不變的，從而難以確定，邊坡安全監(jiān)測(cè)在邊坡工程中具有重要意義[13]。沈強(qiáng)等[14]分析抗滑樁加固邊坡的監(jiān)測(cè)成果，發(fā)現(xiàn)邊坡形成了第二滑動(dòng)面，并指出較大變形出現(xiàn)在雨季。陳強(qiáng)等[15]通過(guò)對(duì)公路邊坡的測(cè)縫計(jì)、地下水位數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證了地下水對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響，判斷邊坡存在滑坡危險(xiǎn)。為此，依托連云港中云臺(tái)山路塹左坡巖質(zhì)高邊坡噴錨支護(hù)工程開(kāi)展實(shí)測(cè)研究。

1 工程概況

中云臺(tái)山路塹左邊坡開(kāi)挖坡面產(chǎn)狀為NE52°/NW∠55°，高速公路從一埡口處橫穿中云臺(tái)山山脈，路面標(biāo)高15～17 m，路左側(cè)山頂標(biāo)高289.2 m。本文研究的左坡2010年6月開(kāi)挖完成，人工坡高(即開(kāi)挖深度)約200 m、總體坡度為42.4°。邊坡布置20級(jí)臺(tái)階，每級(jí)坡高10 m，除第一級(jí)臺(tái)階坡度為76°，第二十級(jí)臺(tái)階坡度為49°外，從第二至十九級(jí)臺(tái)階坡度均為55°，臺(tái)面寬度為3 m(其中有4個(gè)平臺(tái)臺(tái)面寬度為9 m)，如圖1所示。

圖1 左邊坡坡度示意圖Fig.1 Schematic diagram of the left-side slope

左邊坡于2010年6月完成開(kāi)挖和坡面噴錨支護(hù)，巖體巖性以二長(zhǎng)淺粒巖為主，屬堅(jiān)硬巖。中云臺(tái)山路塹段并無(wú)明顯的斷層標(biāo)志和現(xiàn)象，主要軟弱結(jié)構(gòu)面為綠泥石片巖夾層，主要結(jié)構(gòu)面為片理面和構(gòu)造裂隙。巖體發(fā)育有片理，片理產(chǎn)狀NE40°～60°/SE∠10°～30°。邊坡夾有數(shù)條綠泥片巖軟弱夾層(間距大約30～50 m)，產(chǎn)狀NE15°/SE∠28°，在邊坡中起隔水作用。

巖體發(fā)育的裂隙主要有3組：Ⅰ組：NW300°～320° /NE、SW∠70°～88°陡傾角裂隙，走向與坡面近正交，屬陡傾角大裂隙，延伸幾十米到幾百米，而且切割深、裂隙面平直、產(chǎn)狀穩(wěn)定、多呈微張到閉合、無(wú)充填，它控制了區(qū)內(nèi)天然邊坡陡坎和危巖的分布；Ⅱ組：NE30°～40°/ NW、SE∠70°～88°陡傾角裂隙，走向與坡面近平行，傾向坡內(nèi)或坡外，作為主要裂隙，其規(guī)模相對(duì)較小，延伸長(zhǎng)度多在十幾米到幾十米，左邊坡兩側(cè)為廢棄采石場(chǎng)，可見(jiàn)其切割深度幾米到十幾米，其間距也較Ⅰ組大，沿裂隙面存在蝕變現(xiàn)象，在地表多表現(xiàn)為沖刷深槽，深槽寬度可達(dá)30～40 cm，深度可達(dá)1～3 m，可見(jiàn)該組裂隙對(duì)巖體結(jié)構(gòu)、抗沖蝕和風(fēng)化能力以及巖體透水性影響較大；Ⅲ組：NE10°～20°/NW∠36°～45°壓性小斷層，走向與坡面近平行，傾向坡外，屬傾向坡外的順向結(jié)構(gòu)面，在坡面稀疏分布，間距60～70 m。

路塹邊坡左坡地下水系統(tǒng)靠降雨入滲補(bǔ)給。開(kāi)挖坡面經(jīng)細(xì)石混凝土噴護(hù)并設(shè)有排水孔，各級(jí)平臺(tái)均設(shè)有截排水溝，左坡主要補(bǔ)給途徑為上部天然坡面殘坡積層與強(qiáng)風(fēng)化帶孔隙水下滲補(bǔ)給、陡傾角裂隙直接下滲補(bǔ)給?；鶐r裂隙發(fā)育，NW向裂隙為地下水向下滲流提供了有利條件，下滲地下水滲流至反傾綠片巖夾層處，地下水向下運(yùn)移受阻，在綠片巖夾層頂部富集后易沿NE向裂隙向邊坡兩端滲流并排泄于邊坡兩側(cè)的天然坡面，尤其是南端廢棄采石場(chǎng)開(kāi)挖面。在2020年1月現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中，對(duì)坡面排水孔滲水情況和坡面混凝土噴層水跡的調(diào)查結(jié)果符合上述邊坡地下水滲流與排泄特征。

2 地下水監(jiān)測(cè)技術(shù)與測(cè)點(diǎn)布置

由于邊坡高陡，且存在結(jié)構(gòu)面不利組合，地下水往往是邊坡穩(wěn)定性的重要控穩(wěn)因素之一，為防止掉塊產(chǎn)生的落石危害高速公路安全運(yùn)營(yíng)，地下水及滲透壓力監(jiān)測(cè)是路塹邊坡的重要監(jiān)測(cè)內(nèi)容。前文已論述該邊坡地下水的分布和滲流嚴(yán)格受控于NW向陡傾角裂隙、NE向陡傾角裂隙和傾向坡內(nèi)的綠片巖夾層，為確保監(jiān)測(cè)質(zhì)量，采用在綠泥石片巖上部布置斜向觀測(cè)孔的方法，左邊坡地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)有12套滲壓計(jì)，具體布置情況見(jiàn)表1、圖2、圖3。

圖3 滲壓計(jì)分布示意圖Fig.3 Schematic diagram of distribution of pressure meter

表1 滲壓計(jì)布置情況表Tab.1 Layout table of pressure meter

圖2 斜向布置滲壓計(jì)示意圖Fig.2 Schematic diagram of inclined layout of pressure meter

其中，滲壓計(jì)采用美國(guó)基康公司生產(chǎn)GK4500—350 kPa型振弦式滲壓計(jì)，傳感器長(zhǎng)133 mm，直徑為19.1 mm量程為35 m水頭壓力，最小靈敏度為0.025% F.S.，精度為±0.1% F.S.，工作溫度為-20℃～+80℃可同時(shí)自動(dòng)觀測(cè)不同深度的地下水滲透壓力和地下水溫度，傳感器所在位置測(cè)得壓力可換算成等壓力水柱高度再換算為地下水位高程[16]，計(jì)算公式為：

(1)

式中：G為滲壓計(jì)率定系數(shù)，m/Hz2；K為溫度修正系數(shù)，m/℃，f0為傳感器埋設(shè)時(shí)初始頻率，Hz；fi為第i時(shí)刻時(shí)實(shí)測(cè)頻率，Hz；t0為傳感器埋設(shè)時(shí)初始溫度，℃；ti為第i時(shí)刻時(shí)實(shí)測(cè)溫度，℃；H0為滲壓計(jì)初始埋設(shè)高程，m。

3 地下水位實(shí)測(cè)結(jié)果分析

取2018年10月9日—2019年10月8日的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2，下面將對(duì)各平臺(tái)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

表2 各測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)期內(nèi)地下水位動(dòng)態(tài)Tab.2 Groundwater level dynamics during the monitoring period of each measurement point

194平臺(tái)為路塹邊坡中最高的開(kāi)挖坡面平臺(tái)，靠近邊坡頂部大面積的天然坡面，易受上部天然坡面殘坡積層與強(qiáng)風(fēng)化帶孔隙水下滲補(bǔ)給，地下水位受大氣降水影響明顯，全年地下水位變化幅度達(dá)5.97 m。在2021年12月的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)細(xì)石混凝土出現(xiàn)老化破損，噴層出現(xiàn)隆起、剝落，坡面裂縫發(fā)育且被鈣質(zhì)析出物充填，裂縫滲水痕跡明顯，如圖4所示，坡面細(xì)石混凝土噴層的老化破損率呈現(xiàn)逐年增大趨勢(shì)，混凝土噴層架空、噴層下石渣淘蝕問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)，降雨入滲補(bǔ)給和坡內(nèi)滲流作用增強(qiáng)，不利于路塹邊坡穩(wěn)定。

圖4 194平臺(tái)開(kāi)裂坡面Fig.4 194 cracking slope of the platform

統(tǒng)計(jì)各平臺(tái)滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)期水位增量，如圖5(a)所示，對(duì)路塹邊坡垂向地下水特征進(jìn)行研究。在降雨量較少的2018年10月—2019年5月，各平臺(tái)地下水位整體呈下降趨勢(shì)，路塹邊坡中部綠片巖夾層與NE向結(jié)構(gòu)面發(fā)育，地下水易于沿結(jié)構(gòu)面水平向運(yùn)移向廢棄采石場(chǎng)天然坡面排泄，故SYL942測(cè)點(diǎn)地下水下降速度較快，下降量明顯大于其他平臺(tái)測(cè)點(diǎn)。在2019年6月—8月豐水季斷續(xù)性長(zhǎng)歷時(shí)強(qiáng)降水影響下，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)地下水位呈上升趨勢(shì)，在連續(xù)降雨后地下水位明顯抬升，且各平臺(tái)地下水位增長(zhǎng)與降雨存在有規(guī)律的滯后，距離天然坡面越遠(yuǎn)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其滯后時(shí)間越長(zhǎng)，而雨后，地下水位能夠較快消散，說(shuō)明邊坡內(nèi)部排水通暢。這表明了中下部坡面細(xì)石混凝土噴層完整度高，截滲能力強(qiáng)，坡內(nèi)地下水主要接受坡面降雨入滲和邊坡上部地下水徑流補(bǔ)給，邊坡中下部測(cè)點(diǎn)受邊坡上方地下水徑流影響明顯，坡體內(nèi)以NW向陡傾角裂隙主的垂向的滲流通道順暢。

134平臺(tái)分別在邊坡北部、中部、南部埋設(shè)SYL1341、SYL1342、SYL1343測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)邊坡120～134 m部分地下水位變化，如圖5(b)所示，故以134平臺(tái)測(cè)點(diǎn)為例，對(duì)路塹邊坡水平方向地下水特征進(jìn)行研究。圖5結(jié)果表明，該平臺(tái)北側(cè)的地下水滲透壓力水頭高程高于南側(cè)，北部監(jiān)測(cè)點(diǎn)地形陡峻且遠(yuǎn)離坡頂?shù)奶烊黄旅?，由于錨噴細(xì)石混凝土的截滲作用，該區(qū)域地下水位受大氣降水的影響極弱、整個(gè)水文年地下水位均較穩(wěn)定，表明錨噴細(xì)石混凝土阻隔了大氣降水入滲坡體的通道，地下水整個(gè)監(jiān)測(cè)期均處于穩(wěn)定狀態(tài)，這對(duì)邊坡穩(wěn)定是極其有利的。SYL1342、SYL1343測(cè)點(diǎn)全年地下水位變化趨勢(shì)一致，且中部測(cè)點(diǎn)地下水位始終高于南部測(cè)點(diǎn)約3 m，這與片理的產(chǎn)狀分布相一致。SYL1343監(jiān)測(cè)期內(nèi)地下水變化幅度為5.72 m高于SYL1342的5.10 m，且SYL1343擁有更快地下水位變化速度，這表明了：南部廢棄采石場(chǎng)天然坡面為路塹邊坡重要的地下水排泄區(qū)域；邊坡越靠近南部，地下水滲流越大。根據(jù)路塹邊坡勘察報(bào)告，路塹邊坡南采石場(chǎng)天然坡面NE向裂隙發(fā)育，巖石破碎、鐵錳質(zhì)渲染明顯，這與上述結(jié)果吻合。

圖5 邊坡地下水位變化圖Fig.5 Variation diagram of slope groundwater level

94平臺(tái)除SYL942測(cè)點(diǎn)外，其余測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)離排泄區(qū)域和能夠接受降雨入滲補(bǔ)給的天然坡面，地下水位受大氣降水的影響表現(xiàn)為明顯的季節(jié)性，與短歷時(shí)降雨過(guò)程的相關(guān)性較弱，而雨后的地下水位消散過(guò)程緩慢，且表現(xiàn)為季節(jié)性消散，SYL942位于SYL1342正下方，兩測(cè)點(diǎn)間水力聯(lián)系強(qiáng)，邊坡中部存在大滲流量的垂向滲流通道，推測(cè)為路塹邊坡南部54～124 m高程的邊坡巖體存在傾倒變形現(xiàn)象，邊坡巖體透水性增強(qiáng)，地下水不易大量聚集。總體上看94平臺(tái)細(xì)石混凝土噴層截滲能力強(qiáng)，對(duì)邊坡穩(wěn)定有利。

54平臺(tái)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果與134平臺(tái)相似，平臺(tái)北部、中北部與中南部測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)離路塹邊坡外圍的天然坡面，細(xì)石混凝土錨噴防護(hù)截滲后，該區(qū)域地下水受大氣降水影響很小，地下水位較穩(wěn)定。SYL544測(cè)點(diǎn)因臨近路塹邊坡南側(cè)采石場(chǎng)且測(cè)點(diǎn)分布高程已低于南側(cè)廢棄采石場(chǎng)底部，故該區(qū)域地下水位受大氣降水影響明顯，細(xì)石混凝土噴層完整度高，截排水效果好，有利于坡腳的安全穩(wěn)定。

4 結(jié)論

1)路塹邊坡地下水主要接受降雨入滲補(bǔ)給，邊坡頂部天然坡面、上部平臺(tái)及南側(cè)容易接受降雨入滲補(bǔ)給，降雨后各平臺(tái)地下水增長(zhǎng)存在規(guī)律性滯后，越低的平臺(tái)降雨過(guò)后，路塹邊坡內(nèi)部地下水位越能夠快速消散，表明路塹邊坡內(nèi)部排水通暢。

2)路塹邊坡、遠(yuǎn)離路塹邊坡輪廓線的區(qū)域，地下水位受大氣降水的影響表現(xiàn)為明顯的季節(jié)性，與降雨過(guò)程較弱，據(jù)此判斷，這些區(qū)域的坡內(nèi)地下水主要接受邊坡上部地下水徑流補(bǔ)給。

3)本監(jiān)測(cè)期降雨量較少，結(jié)合十年來(lái)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，判斷左邊坡坡面以下約30 m深度范圍為透水性強(qiáng)，雖然路塹邊坡地下水貧乏，但在豐水季節(jié)，邊坡約30 m深度范圍內(nèi)仍間歇性賦存豐富的地下水。即使地下水貧乏，滲透壓力仍對(duì)邊坡變形產(chǎn)生較大影響

4)路塹邊坡南部的地下水位變化受路塹邊坡南側(cè)外圍天然坡面降雨入滲和廢棄采石場(chǎng)排泄作用的影響顯著，降雨后，地下水位能夠快速消散，表明邊坡滲流通道發(fā)育，這對(duì)位于其下方的84～124 m高程平臺(tái)之間的三角體抗滑穩(wěn)定是不利的。

5)雖然路塹邊坡細(xì)石混凝土噴層整體上較完整，整體截滲、排水能力較好，但滲流量較大的194平臺(tái)、134平臺(tái)南端等區(qū)域坡面噴層老化破損率逐年上升，部分坡面出現(xiàn)噴層隆起、剝落，長(zhǎng)期來(lái)看不利于地下水位的穩(wěn)定和邊坡的安全，應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)邊坡地下水滲透壓力的監(jiān)測(cè)。