硬质岩高边坡地下水实测研究

马成超,陈志坚

(河海大学地球科学与工程学院,江苏 南京 211100)

地下水是影响边坡稳定性的重要因素之一。地下水通过改变边坡内部岩体和结构面的应力状态以及力学性状,导致边坡稳定性发生较大变化。邓华锋等[1]论述了地下水与岩体的耦合作用会使岩质边坡的稳定性越来越低;周勇等[2]经分析提出了强降雨对岩土互层边坡的整体稳定性影响显著;鲁婷等[3]通过数值模拟得出:反倾层状边坡中地下水位到达边坡中部以上后,边坡稳定安全系数会快速下降;刘小平等[4]通过对边坡渗压观测成果的分析指出,坡内渗透压力对边坡稳定性有一定影响;刘艳辉等[5]通过对边坡位移、地下水位监测资料的分析,判断龙滩水电站左岸B区边坡处于稳定状态;方志明等[6]分析某岩石高边坡地下水渗流场对降水的响应过程发现,持续的大雨对边坡深部的地下水位影响明显,且雨后仍会在一定时期内继续影响边坡的地下水渗流场,进而影响边坡稳定性。因此,渗压动态观测作为一种评价地下水对边坡作用的监测手段,常被运用于边坡安全监测中。对于主要赋含裂隙水的岩质边坡,由于裂隙水所具有的不均匀性和各向异性[7],传统的打垂直钻孔观测地下水动态变化的方式具有一定局限性,即使是相距很近的垂直钻孔,所观测到的地下水动态相差也会很大,从而导致监测结果难以反映地下水真实的变化情况,同时造成钻孔的浪费。因此,地下水的动态监测必须在边坡组成结构与地下水补径排条件分析的基础上进行布置。

1 路堑边坡的组成结构与地下水补径排条件

东疏港高速公路在采用明挖方式横穿中云台山后,于公路两侧形成高陡硬质岩路堑高边坡[8]。边坡最大坡高超过200 m,属一级边坡工程。左坡按每级坡高10 m,分20级开挖,单级坡角55°,总坡角43°(见图1)。

边坡残坡积层零星分布于低洼处和冲沟内,全强风化带厚度不足1 m,基岩以倾向北东的弱风化变粒岩为主;中部夹倾向坡内的绿泥石片岩,在坡内起滞水、隔水的作用。区内主要发育有NNE、NE、NWW及NEE 4组结构面(见图2)。

其中对地下水起控制性作用的一组为与坡面近平行的NE向陡倾角裂隙(倾角70°～88°),隙宽一般1～5 mm。路堑段坡体东南部较缓,整体坡度约20°,西北部较陡,整体坡度>30°。路堑边坡南侧为早期废弃采石场,采石开挖的爆破松动作用强烈。陡倾角裂隙发育的边坡岩体,倾倒变形问题较突出[9-12]。边坡内部地下水完全靠降水入渗补给,基岩裂隙水的补给途径主要有:残坡积层和全强风化带孔隙水下渗补给;通过陡倾角裂隙,尤其是NE向裂隙直接接受降雨入渗补给[13]。边坡岩体的渗流特征表现为:入渗降水沿NE向和NW向陡倾角裂隙下渗,当遇到绿泥石片岩时,地下水下渗受阻,并在绿泥石片岩顶面富集。由于绿泥石片岩倾向坡内,在其顶面富集的地下水首先沿平行坡面的NE向陡倾角裂隙向路堑边坡两侧渗流,并排泄于北侧天然坡面,尤其是南侧废弃采石场开挖面(见图3)。只有在长历时强降水条件下,地下水才能通过NW向陡倾角裂隙向路堑边坡开挖面溢出。边坡地下水渗流和排泄的这一特征被雨后坡面排水孔渗水情况和坡面混凝土喷层水迹的调查结果充分证明。

图1 中云台山路堑边坡左坡Fig.1 The left slope at the cutting section of Middle Yuntai Mountain

图2 结构面总体走向玫瑰图Fig.2 The general trend of structural surface rose diagram

图3 中云台山左坡监测点分布示意图Fig.3 Schematic diagram of the distribution of the monitoring points on left slope of Middle Yuntai Mountain

2 地下水动态监测技术与测点布置

综上所述,路堑边坡岩体基本由弱风化、微风化和新鲜坚硬岩组成,地下水的分布和渗流严格受控于NE向和NW向陡倾角裂隙,倾向坡内的绿泥石片岩为滞水、阻水层。故垂直观测孔的观测效果很差,观测结果难以反映路堑边坡内的地下水渗透压力。因此采用在绿泥石片岩上部布置斜向观测孔,在斜向观测孔底部布置振弦式渗压计的观测方案(见图4)。

图4 斜孔渗压观测孔示意图Fig.4 Schematic diagram of the osmotic pressure in inclined hole

斜向观测孔的分布高程取决于开挖面绿泥石片岩的揭露情况,以观测孔不打穿绿泥石片岩为原则。渗压计布设深度和观测孔结构取决于钻孔岩芯揭露的NE向陡倾角裂隙分布情况,测试段布设深度内,NE向陡倾角裂隙发育,反映地下水渗流情况的裂隙面铁锰渲染普遍。观测孔布置情况如表1所列。

表1 观测孔布置情况Table 1 Observation wells arrangement diagram

每个观测孔布置渗透压力常用地下水位高程来反映,各平台地下水位计算公式为

(1)

其中:H0为渗压计初始埋设高程(m);f0为传感器埋设时的初始模数(Hz2);Fi为第i时刻实测模数(Hz2);t0为渗压计埋设时的初始温度(℃);ti为第i时刻实测温度(℃);G为渗压计率定系数(m/Hz2);K为温度修正系数(m/℃)。

3 实测结果分析

取中云台山路堑段反倾岩质高边坡2017年5月—2018年5月的实测资料进行计算研究,监测结果见表2、图5和图6。

实测结果显示,路堑边坡顶部与南部靠近天然坡面的监测点(SYL941、SYL1343等)在枯水季节,地下水位呈现下降趋势;在丰水季节断续性长历时强降水影响下,监测点的地下水位呈现上升趋势,表明路堑边坡内部的地下水主要接受大气降水入渗补给。在降水过程中,路堑边坡内部地下水位的上升滞后于降水过程,距离天然坡面越远的监测点,其滞后时间越长,也进一步佐证了路堑边坡内部的地下水主要为降水入渗补给。边坡北部测点由于受喷护面的阻隔,大气降水对北部地下水的影响微弱。

2017年8月4日—8月6日,连云港发生强降水,边坡南部各个测孔出现最大水位值。取靠近边坡南部废弃采石场的SYL941、SYL1342、SYL544 3个不同高程测孔的实测数据进行分析(见图7)。

表2 各测点监测期内地下水位动态Table 2 Groundwater level dynamics at each monitoring point during the monitoring period

图5 134平台地下水位时程曲线Fig.5 Time travel curve of groundwater level on 134 platform

图6 第19级平台地下水位与降水量时程曲线Fig.6 Time travel curve of groundwater level and rainfall on the level 19 platform

图7 边坡南部强降水期间地下水位增长率曲线Fig.7 Growth rate curve of groundwater level in the south of slope during heavy rainfall

实测结果表明:SYL544测孔的地下水位增长变化率明显>SYL1342>SYL941,即降水过程中低高程测孔的地下水位上升速度更快,雨后地下水位下降速度也更快,这表明边坡南部原废弃采石场的存在,既有利于大气降水的入渗也有利于坡内地下水的排泄,也进一步证明了斜孔渗压观测技术在安全监测中的灵敏性。取8月3日—7日MGZ1242锚杆每日6次的轴力实测数据,得锚杆轴力变化率曲线(见图8)。

图8 第12级平台MGZ1242锚杆轴力变化率曲线Fig.8 Level 12 platform MGZ1242 anchor bolt axial force changing rate curve

由图8可知,锚杆轴力变化率在8月3日—4日期间受温度影响存在<0.1 kN/d的波动,但是在经历8月4日的强降雨后,测点所在处降水入渗补给增强,导致地下水渗流作用增强,进一步引起锚杆轴力的变化率随着地下水水位的升降发生近0.4 kN/d的波动,剥离温度对锚杆轴力的影响,可知地下水渗流引起的动水压力仍能对锚杆轴力变化率造成约0.3 kN/d的影响,虽然轴力的变化率尚处于工程稳定允许范围内,但当路堑岩质高边坡遭遇更大规模降水时,其所引起的锚杆轴力的波动也将随之增大,这不利于边坡变形的收敛,严重者将导致边坡失稳。

4 结论

(1) 中云台山路堑边坡残坡积层分布少,厚度薄,坡内部地下水完全靠降水入渗补给,入渗降水沿NE向和NW向陡倾角裂隙下渗,当遇到绿泥石片岩时,地下水下渗受阻,并在倾向坡内的绿泥石片岩顶面富集。随后沿平行坡面的NE向陡倾角裂隙向路堑边坡两侧渗流。

(2) 采用在绿泥石片岩上部布置斜向观测孔,在测孔的测试段过水裂隙分布较多的部位布置振弦式渗压计的观测方案来监测地下水动态,实测结果表明边坡内部地下水主要接受大气降水入渗补给,大气降水对边坡顶部与南部测点的地下水动态影响明显,对北部测点影响较小。靠近废弃采石场的测点地下水排泄更通畅。

(3) 监测结果与坡体组成结构及地下水的补径排分析具有较高的一致性,证明斜孔渗压观测技术在硬质岩高边坡中具有较好的适用性。通过分析强降水影响下锚杆轴力的变化得知当边坡遭遇更大规模降水时,边坡南部地下水位的起伏变化将有可能导致边坡失稳,故应继续加强对边坡地下水渗透压力的监测。