基于渗流阻截作用的边坡防治方法研究

王 飞，邹宗兴，鄢俊彪

(中国地质大学( 武汉) 教育部长江三峡库区地质灾害研究中心，湖北 武汉 430074)

边坡稳定性往往受控于坡体中地下水渗流场的变化，地下水渗流作用是引起边坡失稳破坏的重要因素[1-3]，分析地下水渗流场对于边坡防治具有重要意义。对于堆积层边坡，降雨影响地下水的渗流过程，引起整个坡体非饱和强度的变化[4]。雨水入渗形成的渗流作用增加了边坡的下滑力，降雨过程中土体中局部孔隙水压力瞬时剧增，土体饱水使其发生软化，最终导致斜坡整体失稳[5]。Rosi等[6]通过收集大约900个滑坡数据和利用41个雨量计收集到的相对降雨量，对滑坡稳定性与降雨过程的相关性进行了综合论证；Ran等[7]模拟了不同降雨组合作用下的滑坡失稳机理，结果表明饱和传导率的垂直方向变化会引起渗透水的积聚，从而导致非饱和土层孔隙水压力增大，诱发滑坡；Klubertanz运用多相介质理论模型研究了浅层滑坡的起动机理，结果表明如果降雨入渗量、补给速率也快，土体会很快进入饱和状态，土体中孔隙水压力会快速增大，从而促使斜坡土体向不稳定方向发展[8]。

由于雨水入渗作用加大了边坡岩土体的重度，坡体内含水量升高会降低滑面的正应力、减小摩阻力，进而降低坡体抗滑力。同时，地下水上升产生的动水压力沿边坡临空面产生的分量增大了坡体下滑力，且孔隙水压力产生的“水楔作用”推动了坡体上裂隙的扩展进程，进而破坏岩土体，使边坡发生渐进性破坏。另外，由于地表水的入渗使地下水水位急剧上升，坡体内孔隙水压力快速增加，地下水的作用使得边坡力学参数发生渐进破坏[9]，且地下水的浸润作用对边坡中的软弱夹层进一步弱化，促使其岩土体强度不断降低。

许多边坡潜在滑动区的地下水主要来源于坡体后缘径流及降雨入渗，边坡工程中对于边坡中地下水渗流作用的控制方式主要是通过排水措施，常见的排水方式[10]包括地表排水沟、排水盲沟、水平排水孔和地下排水洞等，这些排水措施都是利用水的重力势能，将高水位的水排到低位区。此外，虹吸排水[11-13]、充气排水[14-15]等也在越来越多的边坡工程中得到应用。其中，虹吸排水由于其机理限制了排水高度，目前无法应用于深度较大的排水工程中；由于充气速率和压力与含水层的关系较为复杂，所以充气排水的技术和方法仍在探索中。因此，寻求有效的控制坡体地下水的方法仍是边坡工程防治方法亟待解决的问题。

考虑到地下水的渗流作用机理，边坡工程中对地下水的主要防治理念是“防渗阻截”，即通过工程措施减少地表渗入和削弱地下渗流。而帷幕的作用能够很好地发挥“阻截”地下水减弱渗流作用的效果，可通过改变坡体中地下水渗流来达到改善边坡稳定性的目的。目前，帷幕灌浆技术已经普遍应用于工程实践，切实地解决了工程中的防渗漏问题[16-17]，如市政工程中地铁、桥梁施工等。其机理是将浆液灌入岩体或土层的裂隙、孔隙，形成连续的阻水帷幕，以减小渗流量和降低渗透压力。近年来，帷幕灌浆的工艺越来越成熟，逐渐成为工程中防渗漏方面的主要技术手段，在建筑工程中对于安全运行及防渗漏起着不可替代的作用，然而帷幕技术在边坡工程中的应用至今研究甚少。基于此，本文通过建立边坡数值模型，模拟了帷幕对边坡中地下水渗流过程的阻截作用效果，研究了帷幕阻截地下水渗流场的影响因素，并对边坡中设置渗流阻截帷幕技术的关键问题进行讨论，分析帷幕布设位置和深度对地下水渗流场的作用规律及边坡稳定性的响应规律，寻求通过帷幕的作用对边坡中地下水进行控制的方法。

1 边坡渗流阻截机理

边坡稳定性评价中普遍采用以极限平衡法为基础的条分法[18-19]，本文对条分法计算边坡稳定性系数进行了简要说明，见图1。

图1 条分法计算边坡稳定性系数示意图Fig.1 Schematic diagram of slope stability coefficient calculated by slice method

条分法计算边坡稳定性系数的公式如下[20]：

(1)

其中:

土体条块所受到的浮力为

NWi=γwhiwLicosαi

(2)

渗透压力产生平行滑面分力TDi为

TDi=NWisinβicos(αi-βi)

(3)

渗透压力产生垂直滑面分力为RDi为

RDi=NWisinβisin(αi-βi)

(4)

式中:Wi为第i条块的重力(kN)；NWi为第i条块所受到的浮力(kN)；Ci为第i条块的黏聚力(kPa)；φi为第i条块的内摩擦角(°)；γw为水的容重(kN/m3);hiw为第i条块法向力作用点距弧面的高度(m);Li为第i条块滑面长度(m)；αi为第i条块滑面倾角(°)；βi为第i条块地下水流向(°)；P为地震力(地震加速度a)。

渗透力是等效的体积力，来源于渗流场中土体条块周围的孔隙水压力差，宏观上表现为渗流对土体骨架的拖拽作用[21]，其作用方向与渗流方向一致，渗透力和浮力联合作用的效果与孔隙水压力是等效的，且在流网比较简单的条件下，采用渗透力计算滑坡稳定性系数的工作量比用周边孔隙水压力计算要少得多[20]。

根据非饱和土力学[22]、地下水动力学[23]相关理论，地下水渗透力简析见图2。

图2 边坡渗流阻截帷幕的作用机理示意图Fig.2 Mechanism of interception curtain in slope

由图2可见，天然状态下边坡的地下水水头线为连续的抛物线状的曲线，在阻截帷幕作为不透水层的作用下，地下水径流路径发生了改变。

地下水单位体积的渗透力(kN/m3)为

(5)

式中：J为地下水渗透力(kN)；A为地下水径流截面面积(m2)；L为地下水径流路径的长度(m);△hAB为水头差(m)；γw为水的容重(kN/m3)。

由公式(5)可知，在不透水阻截帷幕的作用下，地下水径流路径的长度(L)增大，相比于原始状态，地下水单位体积的渗透力减小，从而对边坡稳定性有利。

边坡治理，首先要对其进行稳定性分析，本文采用严格满足平衡条件且具有良好收敛性的Morgenstern-Price法对帷幕作用的渗流阻截规律进行研究，并结合饱和非饱和渗流理论，从地下水渗流场角度，对比分析帷幕在不同位置和深度时对边坡中地下水渗流阻截的作用效果。

2 边坡中渗流阻截作用效果的数值模拟分析

2.1 边坡数值模型的建立

本文借助Geo-Studio软件对边坡中渗流阻截帷幕的作用效果与规律进行数值模拟，采用的边坡数值模型见图3。

图3 边坡数值模型示意图Fig.3 Schematic diagram of slope numerical model

边坡岩土体采用任珊珊等[11]模型参数，坡体为含细砂的黏土，将坡体视为均质各向同性的连续介质，具体参数见表1。

表1 边坡岩土体模型参数Table 1 Model parameters of slope rock and soil

根据边坡数值模型，通过设置单位零流量边界模拟阻截帷幕的作用效果，由此可得到边坡中渗流阻截帷幕示意图，见图4。

图4 边坡中渗流阻截帷幕示意图Fig.4 Schematic diagram of slope seepage interception curtain

2.2 原始状态下边坡中地下水渗流场的模拟分析

本文利用Geo-Studio中SEEP/W模块模拟得到未布设帷幕的情况下边坡中地下水渗流场，并由此得到地下水水位线，见图5。

图5 原始状态下边坡中地下水渗流场Fig.5 Slope groundwater seepage field under initial state

由图5可见，在原始状态下，边坡中地下水浸润线是一条平滑的曲线，同时采用Morgenstern-Price法计算得到原始状态下边坡的稳定性系数为1.274。

2.3 阻截帷幕作用下边坡中地下水渗流场的模拟分析

2.3.1 阻截帷幕位置对边坡稳定性的影响分析

这里主要讨论阻截帷幕的布设位置与边坡稳定性的相关性。由施工实际出发，在帷幕深入地表以下一定深度时会对边坡中地下水产生阻截效应，因此考虑在潜在滑坡体中靠近坡脚位置布设帷幕更为适宜且切合实际工程需要，主要原因有两点：一是靠近坡脚处地形略显平缓，该处地下水往往埋藏较浅，可使帷幕有效阻截地下水渗流浸润深度相对更大；二是该部位附近施工条件较为容易，同时经验算对比分析，将帷幕布设在潜在滑坡体中前部较坡后缘部分会显著提高边坡的稳定性。

基于以上分析，本文分别在潜在滑坡体靠近坡脚至坡体中部不同位置布设阻截帷幕，用来探讨边坡帷幕技术的作用效果并寻求阻截帷幕的最佳布设位置。通过在坡体内某位置设置帷幕，模拟得到阻截帷幕作用下边坡中地下水渗流场(见图6)，并与原始状态下边坡中地下渗流场(见图5)进行了对比。

图6 阻截帷幕作用下边坡中地下水渗流场Fig.6 Slope groundwater seepage field under the action of interception curtain

通过对比图5和图6可见，在阻截帷幕的作用下，边坡中地下水的渗流状态发生了改变，潜在滑坡体中地下水浸润线被分成两段，坡体渗流被分段阻截，由此削弱了作用于坡体的地下水渗流孔隙水压力。

通过在潜在滑坡体前缘坡脚位置附近布设相同深度的阻截帷幕，从距离坡脚0 m到16 m共布设17个不同位置的阻截帷幕(见图7)，研究阻截帷幕位置与边坡稳定性的相关性，模拟得到不同位置阻截帷幕作用下边坡的稳定性系数，见图8。

图7 不同位置的阻截帷幕示意图Fig.7 Schematic diagram of interception curtains at different positions

图8 在不同位置和深度阻截帷幕作用下边坡的 稳定性系数Fig.8 Stability coefficient of slope under the action of interception curtains of different position and depth

通过分析上述模拟结果可知，经过与原始状态即未设置帷幕的情况进行对比，在坡体中设置帷幕能有效地改善边坡的稳定性，边坡的稳定性系数由1.274提升到1.35，帷幕最佳的布设位置在距离坡脚的水平距离为5～7 m之间(见图8)。除此之外，由于帷幕的作用，边坡中地下水渗流路径被改变，其作用于坡体的地下水渗流孔隙水压力随着帷幕深度的增加而降低，但帷幕作用下滑面无显著改变。

2.3.2 阻截帷幕深度对边坡稳定性的影响分析

由上述模拟结果可知，距离坡脚相同位置随着帷幕深度的增加，其阻截坡体地下水渗流的效果越显著，故本文选取距离坡脚的水平距离分别为5 m、6 m、7 m处不同深度帷幕阻截坡体地下水渗流的作用效果进行了深入研究，见图9。

图9 不同深度阻截帷幕作用下边坡中地下水渗流场 和边坡的稳定性系数Fig.9 Groundwater seepage field and stability coefficient of slope under the action of interception curtains of different depth

由图9可见，在距离坡脚相同水平距离处，随着帷幕深度的增加，其改变地下水渗流场的作用效果相应提升，边坡稳定性显著提高，总体呈现出正相关性，帷幕作用后坡体中地下水渗流孔隙水压力明显降低，并且不同位置的帷幕阻截坡体渗流的作用效果不同，其作用效果受帷幕的位置和深度的共同影响；对比有、无帷幕作用下的地下水渗流路径具有明显的差异，即相对于原始边坡，帷幕的加入使得其渗流路径与未设置帷幕前的原渗流路径之间的土体区域受水的影响减小，一方面增大了地下水渗流路径长度，整个渗流过程中渗透压力降低对边坡的稳定有利；另一方面帷幕的作用直接引起帷幕周边地下水浸润线下降，由此地下水与上层土体接触面积减小，减弱了地下水对土体的影响，同时该区域土体由最初的饱和状态变为非饱和状态，使边坡下滑力下降，有利于边坡稳定。除此之外，帷幕的作用将原始坡体中地下水浸润线分为“两段”，使得土体整体性提高，靠近坡脚下段抗滑力增大，有利于边坡的稳定。

2.4 降雨条件下阻截帷幕作用效果的模拟分析

降雨是引起边坡中地下水渗流场变化的主要因素之一，边坡工程常见于降雨工况下发生失稳，为了研究阻截帷幕在边坡中的作用效果，对不同降雨工况条件下帷幕对边坡中地下水渗流的阻截作用效果进行了数值模拟分析。

降雨对边坡的作用受控于累计雨量、降雨持续时间、降雨强度等，为了研究降雨作用下帷幕对边坡中地下水渗流的阻截规律，本文基于以上讨论，根据中国气象局的雨量分级标准并结合工程实际，对中雨、大雨、暴雨和特大暴雨的降雨情况分别以25 mm/d、50 mm/d、75 mm/d和100 mm/d的降雨强度、降雨持续时间24 h为条件，降雨过程共120 h进行模拟研究。

2.4.1 降雨条件下边坡稳定性分析

基于上述分析，本文分别对不同降雨条件下边坡的稳定性进行模拟，其结果见图10。

由图10可见，降雨入渗会导致边坡稳定性急剧下降，降雨强度增大和降雨持续时间的累积都对边坡稳定不利，但整个降雨过程中边坡稳定性在80 h后恢复。

2.4.2 降雨条件下阻截帷幕的作用效果分析

结合上节分析结果，当固定帷幕位置距离坡脚为6 m处时，对不同降雨工况与帷幕深度的相关性进行了模拟，其结果见图11。

图10 不同降雨条件下边坡的稳定性系数Fig.10 Slope stability coefficient under different rainfall conditions

图11 不同降雨工况与帷幕深度的相关性Fig.11 Interception curtain effect under different rainfall conditions

由图11可见，帷幕的作用能改善坡体的稳定性;经过对比，在不同的降雨条件下由于帷幕的作用,边坡的滑动范围、深度、最危险滑动面等均未发生显著的改变，帷幕的加入主要改变了原始边坡中地下水的渗流场。

通过分析图9至图11可知，在有、无降雨作用的条件下帷幕对于阻截地下水渗流、提高边坡稳定性的作用效果均较为显著；在不同降雨工况下，帷幕对地下水渗流的阻截作用能够明显提高边坡的稳定性，且在距离坡脚相同水平距离处，随着帷幕深度的增加其对地下水渗流的阻截作用越显著，由此说明借助帷幕能够提高边坡在降雨条件下的稳定性，达到滑坡防治的目的。

4 结论与建议

本文基于饱和非饱和相关理论，建立了边坡数值模型，对边坡中渗流阻截帷幕的作用效果进行了数值模拟研究，得到如下结论：

(1) 提出 “渗流阻截”地下水从而削弱边坡中地下水渗流作用的边坡防治方法。从理论方法上证实通过阻截帷幕改变边坡中地下水渗流场，从而改善边坡的稳定性，达到对边坡进行防治的目的。

(2) 通过数值模拟，研究了阻截帷幕布设位置与边坡稳定性的相关性。通过在边坡潜在滑动区不同位置、不同深度布设阻截帷幕，结果表明阻截帷幕作用在边坡中前部的位置对于提升边坡稳定性的效果更为显著，且阻截帷幕的作用效果由其深度和位置共同控制。

(3) 通过不同降雨工况的对比，阻截帷幕的加入改变了坡体内地下水渗流场，一定深度范围内，相同位置处阻截帷幕的作用效果与帷幕深度成正相关性，帷幕能起到改善边坡稳定性的作用，达到边坡防治的目的。

本文旨在探索一种新的边坡防治思路，从引起边坡稳定性的关键——坡体渗流场的角度，对坡体内地下水渗流场进行渗流阻截，经过理论分析与模拟研究证实本文的方法切实可行，可为边坡工程治理提供借鉴。另外，该思路从“防渗阻截”边坡防治水的核心理念，强调“阻截”对坡体渗流场的作用，打破了传统边坡防护中只通过排水进行治水的局限。

本文研究采用模型模拟，将帷幕设置为不透水界面，实际施工过程中建议采用回填黏土、粉煤灰等渗透性极小的物质，基于帷幕阻截作用规律并根据实际工程条件采用灵活的帷幕布设方式，以提高边坡排水防治的效果。由于工程实际施工条件的原因，实际工程可参照具体工程难度对帷幕进行合理布置，以获得较为理想的阻截效果。