地下水对管廊基坑岩质边坡稳定性的影响研究

2021-10-19王家全常志凯林桂武林志南钟张宝

水力发电 2021年7期

王家全，常志凯，林桂武，林志南，钟张宝，胡锋

(1.广西科技大学土木建筑工程学院，广西柳州 545006；2.中铁二十五局集团第四工程有限公司，广西柳州 533000)

0 引言

基坑边坡稳定性研究对于采用明挖法施工的管廊工程具有重要意义。南方降雨量大、持续时间长，雨水极易向低洼地带汇集，在排水不及时的情况下基坑底部常出现积水现象。此外，在新冠疫情的影响下工地人员不足，因雨水渗流及基坑底部积水引起的边坡稳定性问题更加突出，给管廊项目安全建设埋下了隐患。研究发现，影响岩质边坡稳定性的因素主要有岩体强度、不连续面特征、地下水等[1-2]。地下水是影响边坡稳定性的重要因素[3-5]，影响边坡稳定性的地下水主要为通过大气降水、地表水、凝结水等汇集形成的潜水，潜水对边坡的影响主要表现在水体由高处向低处的径流、渗流以及在基坑底部存积。张卓等[6]指出雨水入渗改变岩质边坡渗流场分布是引起滑坡的主要因素之一；张勃成等[7]认为充水高度是影响岩质边坡稳定性的重要参数；刘才华、汪映红等[8-9]研究发现，随着水位的升高边坡稳定性逐渐降低，且稳定性降低速率逐渐增大；Dong、郭双枫等[10-11]指出岩土粘聚力和内摩擦角是影响边坡稳定性的重要参数；贾官伟等[12]研究发现，坡内水位下降速率滞后于坡外时，指向边坡外的渗流是引起边坡失稳的重要原因；江德飞等[13]分别采用传递系数法和FLAC3D强度折减法计算岩质边坡的稳定性，对比发现两者计算结果基本一致，但FLAC3D强度折减法中可以考虑各土层间的变形协调，可以更客观反映水与边坡间的相互作用。相较于土质边坡，岩质边坡实际工程中高度较大，岩石强度大且吸水性弱，但如果忽视水对岩质边坡结构面的影响，就会增大岩质边坡失稳的风险。因此，应在前人研究基础上，进一步加深关于水体对岩质边坡稳定性的影响研究。

前人的研究主要从水对岩土体软化作用及渗流影响边坡稳定性的角度展开，较少关注潜水面高度和基坑水位线高度对边坡稳定性的影响。为此，本文以现场地质勘测报告为基础，充分考虑边坡所处的环境条件，结合水位监测和FLAC3D三维建模软件分析不同潜水面高度和基坑水位线高度对管廊基坑的高岩质边坡稳定性的影响，并提出了切实可行的滑坡灾害防治方案。

1 工程概况

广西某在建管廊项目采用明挖法施工，设计管廊底面标高为78.17～108.20 m。根据现场地质勘测报告，场地内地层岩性自上而下依次为杂填土、可塑状黏土、强风化白云岩、中风化白云岩。项目段管廊基坑开挖深度为17.3 m，采用多级台阶式放坡开挖以提高边坡的稳定性，第1级台阶深度3 m，第2级台阶深度6 m，两级台坡坡率均为1∶1，台阶宽度为1.5 m。边坡剖面及支护见图1。

图1 边坡剖面及支护(单位：mm)

根据本项目管廊设计标准，管廊设计使用年限为100年，属于一级建筑，结合DL/T 5353—2006《水电水利工程边坡设计规范》，可能发生滑坡并危及一级建筑物安全的边坡属于B类边坡，边坡设计安全系数需满足：持久状况1.25、短暂状况1.15、偶然状况1.05。

2 数值模型的建立

2.1 模型建立

管廊基坑两侧岩质边坡为对称结构，为提高建模计算效率，以一侧边坡为基础构建三维模型，边坡模型尺寸为40 m×25.75 m×19.3 m(长×宽×高)。模型从上向下依次为红黏土层、强风化白云岩层、中风化白云岩层，强风化白云岩层与中风化白云岩层分界面与水平面夹角为22.6°。岩土体的本构模型采用M-C模型。三维边坡模型见图2。材料参数见表1。

图2 三维边坡模型

表1 材料参数

2.2 工况设计

为研究潜水面高度和基坑水位线高度对边坡稳定性的影响，保持基坑水位线不变，改变潜水面高度，其中水位线1高度为14.3 m，水位线2高度为11.3 m，水位线3高度为8.3 m。为研究基坑水位线高度对边坡稳定性的影响，保持潜水面高度不变，改变基坑水位线高度，水位线4高度为9.0 m，水位线5高度为6.0 m，水位线6高度为3.0 m。水位线示意见图3。为探讨锚固支护方案是否满足边坡稳定性需求，无锚固支护工况设置为系列1，有锚固支护工况设置为系列2，试验工况组合见表2。

图3 水位线示意

表2 试验工况组合

3 结果分析

本项目中强风化与中风化岩石的岩层分界面所在平面与边坡所在平面垂直，为切向坡，边坡临空面方向为X向，岩层分界面走向方向为Y向。以工况1-1为例，岩层分界面上部的强风化岩石层在Y向位移十分微小，最大为0.86 mm，但在X向最大位移达到10.90 mm，最大位移位置位于岩层分界面方向最下方。工况1-1位移云图见图4。从图4可知，岩质边坡未出现贯通性破坏面，只是在边坡左上角形成局部楔形体滑动，变形模式属于滑移-压致拉裂，破坏类型属于典型的楔形破坏[14]。工况1-1应力云图见图5。从图5可知，岩层分界面的应力集中现象主要体现在Y向，在X向无明显的应力集中，这是由于岩质边坡滑移的主要原因为岩层分界面上部岩石沿Y向有滑移趋势，遭遇前方岩石阻挡后，上部岩石表现出X向移动趋势，进而引起岩质边坡在X向的滑坡。因此，当岩质边坡属于切向坡，且具有一定倾角的岩层分界面暴露于边坡临空面时，应对岩质边坡进行相应支护，同时还要加强分界面部位的监测，避免岩层分界面上部的岩层滑移引发滑坡灾害。

图4 工况1-1位移云图

图5 工况1-1应力云图

3.1 潜水面高度对边坡稳定性的影响

不同工况边坡应力、位移和安全系数见表3。X向位移云图见图6。潜水面高度为11.3 m时，边坡X向的最大位移为6.64 mm；潜水面高度为11.3 m时，最大位移为6.43 mm；潜水面高度为14.3 m时，最大位移增加至10.90 mm，而岩层分界面最低点为13.3 m，表明潜水主要通过弱化岩层分界面的力学特性影响岩质边坡的稳定性，这与文献[15-16]研究结果一致。此外，对于边坡稳定性的影响在宏观方面主要表现为岩层分界面上方的岩石层在边坡临空面方向位移增加。从坡底应力和Z向位移角度分析可知，随着潜水面高度的增加，边坡自重逐渐增大，边坡底部X向水平应力逐渐增加，无地下水时坡底X向应力为2.58×105Pa，水位线高度为14.3 m时，坡底X向应力为4.43×105Pa，同时坡底Z向位移逐渐增大。从边坡安全系数分析可知，随着潜水面高度的增加，岩质边坡安全系数逐渐减小。但潜水面高度变化对边坡安全系数的影响并不显著，水位线高度为14.3 m时，边坡安全系数为1.09；水位线高度为8.3 m时，边坡安全系数为1.12。因此，通过设置截水沟、疏干孔等排水设施降低潜水面高度，避免潜水弱化岩层分界面强度，对于保证边坡稳定十分重要。

表3 边坡应力、位移和安全系数

图6 X向位移云图

3.2 基坑水位线对边坡稳定性的影响

不同工况边坡应力、位移和安全系数见表4。随着基坑水位线增高，岩质边坡安全系数逐渐下降，边坡位移逐渐增大，这与文献[17-18]研究结果一致。王超[19]研究发现，未经整体加固的高陡边坡最大位移发生在坡脚位置。X向位移云图见图7。从图7可知，随着基坑水位线的增加，边坡X向最大位移部位由岩层分界面位置逐渐转移至坡脚位置，坡体位移和边坡底部向上隆起的高度先增后减，这是由于在水的浮力作用下，上部滑体有效质量减小，减弱了上部强风化岩层滑移，提高了岩层分界面部位的稳定性，但是，积水高度的增加降低了边坡底部岩石的稳定性。从坡底应力和Z向位移分析可以发现，随着基坑水位线高度的增加，坡底X向应力和Z向位移先增加后减小，这也从侧面证明了随着基坑水位线高度的增加，边坡最大位移位置发生了改变。因此，基坑水位线高度对边坡的稳定性影响显著，在实际工程中要尽量避免边坡底部大量积水。

表4 边坡应力、位移和安全系数

图7 X向位移云图

4 支护方案及效果

根据以上分析，此项目边坡稳定性较低的原因：一方面，是强风化岩层与中风化岩层分界面存在倾斜角度，在水的软化作用下岩层分界面上部强风化岩层滑移进一步加剧；另一方面，水位线以下岩土体提供的抗滑力随着基坑水位线的升高逐渐降低。因此，防滑坡治理方案从排水和支护2个方面进行综合防治：

(1)排水设施。在滑坡区周界设置环形截水沟，滑坡坡面上设置平台排水沟及疏干孔，形成有机整体，尽量减少地表水下渗，使地下水位降低，减少地下水对岩土体物理力学性能的影响。

(2)管井井点排水。用于潜水层降水，对于渗透系数大的砂砾层、地下水丰富的地层具有广泛适用性，具有施工简单、出水量大等特点，每口管井出水流量可达到50～100 m3/h，可降低地下水位深度约3～5 m。

(3)边坡锚固。在岩层分界面部位设置锚杆框格梁，岩层分界面所处台阶深度为10 m，放坡坡比为1∶1.50，平台宽度为1.5 m，锚杆长度9 m，锚固体与台座混凝土强度大于15 MPa。

根据上述方案为岩质边坡提供支护，支护后边坡安全系数见表5。从表5可知，无地下水影响的情况下，边坡稳定性满足短暂工况使用需求，在潜水作用下边坡极易发生滑坡灾害。计算结果显示，滑坡防治方案对于岩质边坡稳定性有较大提升，并且满足持久状况下的安全系数标准。2020年12月本项目管廊工程完工并进行了土体回填，在管廊工程施工过程中，边坡稳定性良好，锚固结构无显著变形。在2020年6月～7月的雨季中，基坑底部未出现明显积水，也未出现滑坡事故。以上情况表明，对管廊基坑进行排支结合的防滑坡综合处置，可避免坑底积水，从而有效提高了边坡的稳定性。