公路边坡工程施工中地下水指标取值范围探讨

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(云南省交通科学研究院/云南省交通工程试验检测企业重点实验室，云南 昆明 650000)

公路边坡工程施工中地下水指标取值范围探讨

鲁婷，肖强，孙文杰，刘宇

(云南省交通科学研究院/云南省交通工程试验检测企业重点实验室，云南 昆明 650000)

地下水对边坡工程的稳定性和施工安全性有着重要影响，针对《高速公路路堑高边坡工程施工安全风险评估指南》中地下水指标的取值范围展开讨论，分析地下水影响机制并采用Geo-Slope数值模拟三类边坡类型的地下水位线对边坡稳定性的影响，得出结论，(1)《指南》中对地下水指标的定义是模糊的；(2)地下水位位于边坡中部及其以下时，地下水位的上升对边坡稳定性影响不大，施工安全风险较低；水位高于边坡中部后，其对边坡稳定性的影响显著增强，施工安全风险亦然。(3)建议将地下水水位作为分级取值依据，并将边坡中部及其以下划为一级，边坡中部以上根据线性插值进行分级。

路堑高边坡；地下水；风险评估；施工安全；稳定性

近年来，公路、铁路隧道及桥梁等工程施工过程中逐渐引入了施工安全风险评估制度，相关的研究工作也日益增多，人们提出了多种风险评估指标体系、风险评估准则、风险评估方法和风险控制措施[1,2]，用以规范管理施工过程，避免施工过程中出现安全事故。2014年12月交通运输部发布了《高速公路路堑高边坡工程施工安全风险评估指南》(以下简称《指南》)，指出列入国家和地方基本建设计划的新建、改建、扩建的高速公路，在工程实施阶段应进行路堑高边坡施工安全风险评估，并且推荐了由坡高、坡比、地层岩性、坡体结构、地下水等11项指标组成的量化评估方法——指标体系法[3]。然而，在实际工程评估过程中，由于对各个指标的理解和应用存在差异性，同一边坡的评估结果往往因人而异，例如《指南》中的“地下水”一指标，其推荐的相关取值范围是值得进一步讨论的，本文旨在通过分析和建立数值模拟，总结使用《指南》过程中应注意的地方，希望对广大同行的使用提供一定的参考价值。

1 地下水指标取值范围

《指南》将边坡施工风险评估分为总体风险评估和专项风险评估。本文主要讨论总体风险评估。总体风险评估指标体系由建设规模(坡高、坡比)、地质条件(地层岩性、坡体结构、地下水)、诱发因素(施工季节、自然灾害)、施工环境(工程措施、周边环境)、资料完整性(地质资料、设计文件)五类共11个指标组成。11个指标分别从边坡稳定性和施工安全性两个方面来综合评价边坡的总体评估分值。

1.1 地下水对边坡土体作用

地下水对边坡稳定性的影响是毋庸置疑的。地下水对边坡岩土体的作用主要体现在[4]：

(1)增加边坡岩土体自重。地下水储存于边坡岩土体孔隙中，相比于地下水水位线以上的岩土体，重量明显增加，该部分对边坡坡体下滑力贡献较大。

(2)降低土体抗剪强度。大量研究表明，地下水降低了土体的内摩擦角和粘聚力，降低了土体的强度。

(3)静水压力作用。静水压力值是由地下水水位决定的，水头越大，压力就越大，对边坡稳定性的影响就越严重。静水压力能增大滑动力和减小摩擦阻力，会降低岩体结构面有效抗剪强度，从而对边坡稳定产生不利影响[5]。

(4)软化、泥化作用。地下水对边坡岩体具有明显的软化、泥化作用，对边坡中存在的软弱夹层作用尤为明显。顺倾的软弱夹层受地下水软化后，摩擦力锐减，边坡抗滑力大大减小，极可能造成边坡失稳。

1.2 地下水指标取值范围划分

在总体风险评估中，《指南》将地下水指标归为地质条件类，将其视为控制边坡稳定性重要指标，将其取值范围划分为四个级别，见表1。

表1 总体风险评估地下水指标取值

说明：根据地下水的分布范围和地下水的类型及边坡体的储水构造确定。基岩承压水取大值，基岩裂隙和土层孔隙潜水取小值。

(1)表1中所指的“地下水”定义需要进一步明确，泛指地下水水位还是特指地下水露头(如泉水)，两者间是有一定的区别的。地下水水位通常由钻孔揭露，在边坡开挖面是比较难见到的，除非开挖坡脚原处于地下水水位以下；地下水露头多数情况下也不会出现，一般是具有明显隔水作用的地层将地下水阻隔后从坡面流出或渗出，这种情况下，岩性分界面可能发展成为边坡失稳的潜在滑移面。

(2)表1中分级与分值的对应关系。边坡上部有地下水时，分值较低；边坡下部有地下水时，分值较高。即如果该地下水是指地下水水位，则可理解为地下水水位越低，边坡稳定性越差，分值越高；地下水水位越高，边坡稳定性越差，分值越低。如果是该处地下水是指地下水露头，将其理解为露头以上坡体发生破坏，则露头出露越高，分值越低；露头出露越低，分值越高。

显然经讨论，表1中对于地下水的理解定义是不明确的。

2 分析讨论

2.1 地下水露头

天然边坡上有地下水出露，表明地下水存在较为完整的补径排途径。不管是以点状、线状或是股状出露，在坡体后侧均存在稳定的补给源，地下水通过径流到达坡面位置由于地形限制或者隔水岩组的阻隔便向坡体外排出。可从两个方面对其进行分析：

(1)地下水出露影响施工。天然斜坡经过开挖后，由于存在稳定的补给，流量并不会明显减小，在一定程度上影响了施工安全。

图1 边坡地下水出露示意图

(2)地下水出露影响边坡稳定性。如图1所示，边坡是由松散堆积层、泥岩以及砂岩组成，地下水遭到泥岩阻隔，出露于坡面。地下水在渗流冲刷作用下，带走上部松散堆积体和基岩接触面的充填物和胶结物，磨平基岩接触面的粗糙岩面，降低摩擦系数。此外，基岩接触面物质在受到地下水的冲刷、浸泡后，发生软化、泥化。从而使得松散堆积层岩如图1所示潜在滑移面1发生滑动。地下水出露的位置越高，可能发生滑动的部分越少，风险越小。

地下水的露头也可以理解为在该处的地下水水位，在露头下部，可以将坡体岩体视为饱水状态。坡体开挖后，一方面天然应力场发生变化，可能产生如图1所示的潜在滑移面2，发生整体性的滑动。

2.2 地下水水位线对边坡稳定的影响

地下水水位线的位置对边坡稳定性具有较大影响。为了进一步论证地下水水位线与边坡稳定性的关系，本文利用Geo-Slope软件分别对类均质边坡、顺倾层状边坡和反倾层状边坡进行数值模拟分析。为了方便结果的比较，本文采用了简化毕肖普法的计算结果进行比较研究。

2.2.1 类均质边坡

计算模型采用文献6中的模型参数：选用1:1.5均质土坡，坡高为10 m，粘聚力c=8 kPa，内摩擦角φ=20°，γ=18.5 kN/m3，土体位于地下水水位以下时γsat=20 kN/m3，地下水水位根据表1分级范围进行调整，指定滑面出入口位置进行稳定性计算，计算结果如图2所示。

(a)地下水水位线位于边坡下部 (b)地下水水位线位于边坡中下部

(c)地下水水位线位于边坡中上部 (d)地下水水位线位于边坡上部

图2地下水水位对类均质边坡稳定性影响模拟

如图2所示，边坡安全系数K随着地下水水位的增高而变小，表明随着地下水水位的增高边坡发生破坏的可能性越大，施工风险也逐渐增高。此外，由图中可以看出，地下水水位由边坡下部到边坡中部，对边坡安全系数的影响是较小的，而从中部到上部，安全系数发生骤降，表明在类均质土坡中，地下水水位对边坡稳定性的影响不是均匀变化的，而是先平缓后升高。由此来看，对于类均质土坡，《指南》中地下水指标的取值范围不应是均匀划分，而是应该存在一定的梯度关系。

2.2.2 顺倾层状边坡

计算模型为昆磨高速公路小勐养至磨憨段改扩建工程第1标段某边坡实例。该边坡坡高44.7 m，设计坡比为1:0.75，边坡是由粉质粘土、强风化泥岩及中风化泥岩组成的顺倾层状边坡，坡体岩土物理力学参数取值见表2。

地下水水位根据表1分级范围进行调整，指定滑面出入口位置进行稳定性计算，计算结果如图3所示。

表2 边坡岩土物理力学参数取值

(a)地下水水位线位于边坡下部 (b)地下水水位线位于边坡中下部

(c)地下水水位线位于边坡中上部 (d)地下水水位线位于边坡上部

图3地下水位对顺倾层状边坡稳定性影响模拟

如图3所示，地下水位位于边坡下部时，边坡安全系数为1.214；位于边坡中下部时，边坡安全系数为1.204；位于边坡中上部时，边坡安全系数为1.128；位于边坡上部时，边坡安全系数为1.086。由此例可以看出，顺倾层状边坡中，随着地下水位的增高，边坡安全系数逐渐减低，且当地下水位增高到边坡中部以上后，边坡安全系数下降速度增快。这个特征与类均质土坡是类似的。

2.2.3 反倾层状边坡

计算模型为昆磨高速小勐养至磨憨段改扩建工程第七标段某边坡实例。该边坡坡高68.9 m，设计坡比为1:0.75，边坡是由粉质粘土、泥岩、砂岩及安山岩组成的反倾层状边坡，坡体岩土物理力学参数取值见表3。

为了便于比较，本例证同样采用类均质土坡和顺倾层状边坡类似，地下水水位根据表1分级范围进行调整。指定滑面出入口位置进行稳定性计算。以下为模拟结果。

表3 边坡岩土物理力学参数取值

如图4所示，地下水位位于边坡下部时，边坡安全系数为1.001；位于边坡中下部时，边坡安全系数为0.983；位于边坡中上部时，边坡安全系数为0.976；位于边坡上部时，边坡安全系数为0.897。与类均质土坡和顺倾层状边坡极其类似的是，反倾层状边坡中，随着地下水位的增高，边坡安全系数逐渐减低，且当地下水位增高到边坡中部以上后，边坡安全系数下降速度增快。

三种结构类型边坡的模拟计算结果表明：随着地下水位的升高，边坡的稳定安全系数随之降低[6]，并且地下水位的变化对边坡稳定性的影响呈现出一定的规律，即地下水位位于边坡中部及以下时，地下水位的上升对边坡稳定性影响不大，水位高于边坡中部后，其对边坡稳定性的影响显著增强。

因此，如若表1中“地下水”是指地下水水位，那么分级可以将边坡中部及其以下划分为一级，边坡中部以上则可用线性插值进行划分。

(a)地下水水位线位于边坡下部 (b)地下水水位线位于边坡中下部

(c)地下水水位线位于边坡中上部 (d)地下水水位线位于边坡上部

图4地下水位对反倾层状边坡稳定性影响模拟

3 结语

地下水是影响边坡稳定性的重要因素之一，本文针对《指南》中地下水指标的取值范围展开讨论，通过分析和模拟计算，得出以下结论：

(1)《指南》中地下水指标的取值范围是具有争议的，如果其代表的是地下水露头，则在实际评估中具有片面性，且在理论上使用它的分级取值是存在矛盾的；如果其指代的是地下水水位，那么通过模拟计算表明，表1中取值是有误的。

(2)地下水位的变化对边坡稳定性的影响呈现出一定的规律性，即地下水位位于边坡中部及其以下时，地下水位的上升对边坡稳定性影响不大，施工安全风险较低；地下水水位高于边坡中部后，其对边坡稳定性的影响显著增强，施工安全风险亦然。

(3)建议将地下水水位作为分级取值依据，并将边坡中部及其以下划为一级，边坡中部以上根据线性插值进行分级。

[1]巩春领.大跨度斜拉桥施工风险分析与对策研究[D].上海:同济大学.2008.

[2]姚宣德.浅埋暗挖法城市隧道及地下工程施工风险分析与评估[D].北京:北京交通大学.2009.

[3]中华人民共和国交通运输部.高速公路路堑高边坡工程施工安全风险评估指南[S].2014.12.

[4]胡宪铭.水对边坡稳定的影响及其防治[J].金属矿山.2009.11(增刊):736-739.

[5]买合木提·巴拉提.动水条件下破损岩体边坡变形破坏机理与应用研究[D].乌鲁木齐:新疆农业大学.2013.

[6]张卫民,陈兰云.地下水位线对土坡稳定的影响分析[J].岩石力学与工程学报.2005.24(增2):5319-5322.

Discussionontherangeofgroundwaterindexesinhighwayslopeengineeringconstruction

LUTing，XIAOQiang，SUNWen-jie，LIUYu

(Yunnan Key Laboratory of traffic engineering test and detection/Yunnan Traffic Science Research Institute, Yunnan,Kunming, 650000, China)

Groundwater has an important influence on the stability and construction safety of slope engineering, This paper discusses the range of groundwater indexes in 《Guide for construction safety risk assessment of highway cutting high slope》, analyses the influence mechanism of groundwater, and the influence of groundwater level of three types of slopes on slope stability is analyzed by Geo-Slope. Draw a conclusion, (1) the definition of groundwater indicators in 《the guide》 is vague; (2)Underground water level located in the middle and below of the slope, the rise of groundwater has little effect on the slope stability, construction safety risk is low; the water level is higher than the middle of the slope and its influence on slope stability was significantly enhanced, the same is true of construction safety risk.(3) It is suggested that the groundwater level be taken as the basis for grading and the middle part of slope and its following are classified as grade one, above the slope is graded according to the linear interpolation.

high cut slope；groundwater；risk assessment；construction safety；stability

P641.74

A

1004-1184(2017)05-0048-03

2017-05-04

鲁婷(1990-)，女，云南昭通人，助理工程师，主要从事公路工程研究工作。