地下水對邊坡穩(wěn)定性的影響及治坡措施

汪 翔

(福建省196地質(zhì)大隊，福建 漳州 363005)

0 前 言

巖石邊坡穩(wěn)定性問題影響著地質(zhì)工程的安全性和經(jīng)濟性。邊坡變形破壞的因素錯綜復雜，其中地下水是巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)的關鍵性因素。隨著地下水的侵蝕，不連續(xù)的構造以及不同強度的巖體在動水壓力和靜水壓力的作用下，容易出現(xiàn)位移、剪切變形或擴展劈裂，成為邊坡失穩(wěn)的起因。劉玉鳳等[1]認為，地下水的滲入改變邊坡滲流場分布是邊坡不穩(wěn)定和邊坡滑坡的因素之一。王家全等[2]則從巖土內(nèi)部出發(fā)，認為巖土粘聚力是邊坡失穩(wěn)的重要原因。張艷博等[3]發(fā)現(xiàn)，透水性差的黏性土易造成邊坡失穩(wěn)，且邊坡施工在不同階段對巖土作用的方式不同?？傮w而言，基坑底部的地下水容易造成邊坡失穩(wěn)滑塌，給工程質(zhì)量及安全帶來極大的隱患。

本文基于福建永安某邊坡實測地質(zhì)資料，研究天然工況和暴雨工況下地下水對邊坡穩(wěn)定性影響，并針對性地提出治理措施。在此基礎上利用Ansys 軟件計算天然情況下和暴雨情況下邊坡塑性狀況和位移狀況，初步探索地下水對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，為該地區(qū)降雨誘發(fā)滑坡問題提供參考借鑒。

1 工程概況

福建永安某邊坡點所在地勢總體北高南低，附近最高海拔為531.20 m，最低海拔標高為390 m，相對高差約140 m，切割深度一般不大，山坡多為凸形坡。當?shù)刈畹颓治g基準面約為390 m。邊坡體地形坡度較陡，溝谷切割程度為中等。邊坡山坡海拔435 m以上坡度較均勻，坡度約26.5°，下部坡度變化較大，其中西側海拔430 m以下坡度較大，約45°，海拔430～435 m較緩，坡度約14°，東側坡度下陡上緩，坡度25°～45°。坡腳修建小路，形成小型人工邊坡，坡度較大。

1.1 水文條件

大湖鎮(zhèn)吳坊村滑坡巖土體下的地下水類型主要為第四系風化基巖裂隙水及松散巖類孔隙水，區(qū)域內(nèi)水系發(fā)達。該地區(qū)地下水位常年受季節(jié)性降水量變化影響，雨季水位較高，波動幅度較大。暴雨期間，地下水水位上升較快，變化幅度為1.0～2.5 m左右，枯水期地下水埋深約5～8 m。地表植被多為毛竹，毛竹的根系主要在淺土層橫向延伸，往深土層延伸的不多，毛竹根系的延伸對地表水的下滲有一定的影響，加劇土層之間的粘結性的破壞，對邊坡影響較大。

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)巖土工程勘察結果并結合前期資料，勘查區(qū)所在區(qū)域地層主要有：第四系殘坡積土層、下伏基巖主要為灰、灰黃色燕山早期第三次侵入鉀長花崗巖(γ5)。其分布及特征由上至下如表1所示。

表1 地質(zhì)參數(shù)概覽表 單位：m

2 計算模型及參數(shù)選取

由于在勘查時間段內(nèi)，該處邊坡體地下水水位埋置較深，在計算時，地下水的滲透壓和水的浮力未進行評價，根據(jù)邊坡的形態(tài)特征，以垂直滑體走向的方向選取計算選擇剖面，根據(jù)勘查布置鉆孔位置，選擇2-2′剖面進行穩(wěn)定性計算和分析。剖面基地標高為500 m，水位深度分別為9.4、7.8、2.1 m。計算模型見穩(wěn)定性計算剖面簡圖(如圖1所示)。

圖1 2-2′剖面邊坡穩(wěn)定性計算剖面

在實驗室內(nèi)共計對16件滑體土原狀土樣進行了物理力學性質(zhì)試驗，分別為12件坡積粉質(zhì)黏土和4件含角礫黏土。按照室內(nèi)土工試驗統(tǒng)計值，本次計算天然容重粉質(zhì)黏土取18.8 kN/m3；飽和容重粉質(zhì)黏土取23.3 kN/m3。在暴雨工況下，滑面強度取土體的飽和強度，土體容重取飽和容重[4]。根據(jù)當?shù)毓こ探?jīng)驗結合滑坡體目前狀況，同時對比室內(nèi)土工試驗數(shù)據(jù)，校核滑帶土的抗剪強度，結合瑞典條分法[5]，計算穩(wěn)定性的c、φ值。滑體土力學性質(zhì)試驗成果和統(tǒng)計結果見表2。

表2 滑體土力學性質(zhì)試驗成果統(tǒng)計表

3 穩(wěn)定性分析結果

在天然工況下，采用天然抗剪強度值進行計算。由于該滑坡的主導因素為水，在暴雨或巖土體飽和的狀態(tài)下，需模擬暴雨工況下的穩(wěn)定性，則采用巖土體在飽和狀態(tài)下的抗剪強度值。由于試驗中所做的殘余剪切試驗是反復對試驗土樣進行剪切試驗，故在巖土體的極限狀態(tài)下，其抗剪強度達到極限值。按照《邊坡防治工程設計與施工技術規(guī)范》(DZ/T 0219—2006)(以下簡稱《技術規(guī)范》)，選出2種特殊工況進行邊坡穩(wěn)定性分析計算，分別為天然工況和暴雨工況，天然狀態(tài)下的安全系數(shù)為1.20～1.30。天然工況的荷載組合為自重+地下水；暴雨工況的荷載組合為自重+暴雨[6]。天然狀態(tài)下采用c=23.1 kPa、φ=18.0°；飽和狀態(tài)下采用c=11.8 kPa、φ=9.8°、v=0.3。根據(jù)分析結果，結合圖1，利用Space Claim繪制邊坡，并將簡圖導入Ansys中計算不同工況條件下邊坡位移和塑性應力變化。

3.1 自重+地下水

圖2為邊坡在自然工況下的坡體塑性應變云圖。根據(jù)圖2可知，坡體的臨界面在坡地可見小塊塑性區(qū)，稍有屈服，邊坡發(fā)生滑動破壞的可能性較小。Ansys APDL顯示數(shù)據(jù)仍可計算，并得出該工況下相應的折減系數(shù)即安全系數(shù)為1.698。根據(jù)《技術規(guī)范》可知，此時邊坡安全系數(shù)處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明天然工況下地下水對邊坡的影響不是十分顯著。

圖2 天然工況下塑性區(qū)

3.2 自重+暴雨

在暴雨條件下，由于邊坡飽和土體增加，巖體在降水的軟化作用下，抗強剪度和折減系數(shù)也隨之降低。圖3～4分別是邊坡在暴雨工況下的坡體塑性應變、位移云圖。如果設計工況是坡體從天然狀況驟升至飽和狀況，則考慮水壓荷載作用。如圖4所示，隨著地下水位逐漸升高，邊坡坡體整體呈圓弧狀下滑，整個面呈屈服狀態(tài)，計算得出最大位移值為1 574 mm。邊坡不利結構帶暴漏。圖5所示為Y軸土體承載應力，受雨水入滲導致的水壓力影響，Y軸巖層應力明顯集中，且有向X軸滑移趨勢。此時坡體應力的不穩(wěn)定性狀態(tài)十分顯著，安全系數(shù)從1.698下降至1.043，遠遠小于規(guī)定的1.2。安全系數(shù)變化較大，主要是由于暴雨導致坡體巖層力學強度降低。

圖3 暴雨工況下塑性區(qū)

圖4 暴雨工況下X軸位移區(qū)

圖5 暴雨工況下Y軸應力區(qū)

基于以上計算，在天然工況下，該邊坡巖土體處于穩(wěn)定狀態(tài)；在暴雨工況下，邊坡巖土體是不穩(wěn)定狀態(tài)。若該邊坡遇強降雨或連續(xù)降水，大量地表水入滲土中，土體極易吸水飽和，土體的抗剪強度就會急劇下降，致使土體自重增加，當邊坡體中的滑動帶巖土體達到極限狀態(tài)下，邊坡體穩(wěn)定性就會嚴重降低，從而導致邊坡體失穩(wěn)，對周邊居民生活和生產(chǎn)活動的影響巨大，因此，需要對該邊坡進行相應有效的治理。

4 邊坡工程防治措施

4.1 重力擋墻

重力式擋土墻設置位置在坡腳已建民宅與水泥路之間的坡度較大的邊坡，擋土墻采用重力式M7.5漿砌片石，擋土墻坡率為1∶ 025，基礎持力層選用粉質(zhì)黏土或殘積黏性土，基礎為C20片石混凝土基礎，粉質(zhì)黏土承載力為180 kPa，殘積黏性土承載力為190 kPa，擋墻基礎與巖土體摩擦系數(shù)為0.25，基礎持力層能滿足上部擋墻荷載要求。同時，在擋土墻中間位置設置泄水孔，泄水孔可選用Φ80軟式透水管，設置方式應外傾10%，單根長約5 m。

4.2 排水加固

本次案例中，在坡體中部設置軟式透水管，排水溝主要設置的位置在邊坡后緣裂縫外側，軟式透水管是地表水向兩側排泄，設置截排水溝主要截流地表水，從坡體兩側及坡面上向坡腳排泄，排水溝選用M7.5漿砌石，深度為0.50 m，截排水溝兩側通向坡腳水泥路內(nèi)側，內(nèi)側也設置排水溝，依據(jù)地形水流從東向西排泄，并在坡體周邊設置排水溝。

4.3 治理后位移場監(jiān)測

在墻體或土體中預埋測斜管進行深層水平位移的監(jiān)測，各深度水平位移通過測斜儀觀測[7]。共設置4個深層位移監(jiān)測點：WF01、WF02、WF03和WF04。深層位移監(jiān)測點WF01最大位移值位于地表，治理前位移值為41.8 mm，治理后位移值為19.1 mm；深層位移監(jiān)測點WF02在施工工程中位移較明顯，主要是土體上部部發(fā)生位移，治理前最大位移值為-76.1 mm，治理后最終值為-23.4 mm；深層位移監(jiān)測點WF03在施工工程中位移較明顯，主要是土體下部發(fā)生位移，治理前最大位移值為-53.5 mm，間隔一年測得最終值為小于25 mm；深層位移監(jiān)測點WF04總體位移量不大，相對穩(wěn)定，位移較大部位在地表，不影響邊坡的穩(wěn)定性。各深層位移監(jiān)測點在施工初階段及竣工初期都有所位移，實施邊坡治理后逐步趨于穩(wěn)定。

5 結 語

本文結合地質(zhì)實測和Ansys軟件對福建永安某邊坡穩(wěn)定性進行了分析。分析結果表明，在天然工況下，邊坡坡角處稍有屈服，但安全系數(shù)處于規(guī)定范圍內(nèi)；在暴雨工況下，當?shù)叵滤簧邥r，邊坡安全系數(shù)受到影響，邊坡整體出現(xiàn)下滑狀態(tài)，邊坡安全系數(shù)不符合控制系數(shù)標準，易形成滑坡或泥石流等自然災害。針對該情況，以重力擋墻和排水加固對邊坡進行治理，經(jīng)對位移監(jiān)測點進行監(jiān)測，位移相對穩(wěn)定，不影響邊坡穩(wěn)定性。

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