地下水对滑坡稳定性的影响探讨

2022-03-23王福军

建材与装饰 2022年7期

杨松，王福军

（重庆市地质矿产勘查开发局107 地质队，重庆 400000）

1 滑坡稳定性与地下水的关系

我国地大物博，水资源丰富。据统计，我国的水资源的总存储量为2.8 万亿m3左右。为防治水涝洪水灾害，促进经济建设，我国大力建设水利水电工程并取得了辉煌的成就。水利部统计资料表明，2021 年我国已建成各种各样水库近10 万座，水库数量在世界上排名遥遥领先，目前我国著名的大型水库有：金沙江流域的乌东德水库、长江流域的三峡大坝和葛洲坝，黄河流域的龙羊峡水库、珠江流域的龙滩水库等，随着这些水库的建成使用，区域内洪涝灾害得到了很大程度的缓解，在减少自然灾害的同时，水库充分发挥了灌溉、发电、旅游、供水等功能，为社会经济发展提供了强劲的动力，是名副其实的民生工程。但水库大坝在减少洪涝灾害的同时由于运行期间不可避免的水位升降对边坡体造成扰动，进而加剧了边坡潜在滑坡体复活甚至产生新的失稳灾害[1]。

通常，滑坡灾害是在多种因素共同作用下发生的，而水-岩土体之间的相互作用是造成岸坡失稳的重要原因之一。由于临水岸坡处水位不断发生变化以及大气降水都会引起岸坡体内地下水位、渗透压力、渗流场的变化，最终对岸坡体的稳定性造成影响诱发滑坡灾害。统计资料表明，发生在库水位下降过程的中的滑坡灾害约占60%，国内外历史上记载的水位升降期间发生的岸坡失稳灾害也层出不穷。

边坡失稳是在多种因素共同作用下形成的，究其根本原因，通常是边坡体岩土体抗滑能力减弱，下滑力增大，边坡发生滑动演化为滑坡灾害。地下水位变化是指水库在运行期间为满足防洪、蓄水、灌溉、发电等运营需求而对地下水位进行调节，在库区流域无强降雨情况下，水库一般运行水位表现出一定的季节性特点，当汛期流量大时，水位波动幅度一般都较大，而水位上升、下降都会加剧岸坡老滑坡体的复活以及新滑坡体的形成[2]。

地下水位下降时对岸坡的影响主要表现为对岸坡岩土体的侵蚀浪蚀作用，岸坡体内形成较高水力梯度，以及地下水位对岸坡剥蚀后坡体表面形态发生变化加速了岩土体的风化作用。水位上升对岸坡的影响主要表现为饱和部分增加导致重力增加，下滑力变大，随着岸坡内地下水位的上升，坡体内渗流通道增多，增加了滑坡灾害发生的风险。此外岩土体抗剪强度指标也会随着含水率的增加而有所降低，不利于岸坡稳定性，所以研究水位波动岸坡稳定性变化首先要探究岸坡浸润线变化规律[3]。

2 地下水对滑坡稳定性的影响案例分析

滑坡稳定性影响因素中，与地下水直接相关的两个外界影响因素是库水位和降雨，二者通过多对地下水位的影响对滑坡稳定性造成影响。通过地下水的抬升，对滑带土产生软化，增大膨胀力，增大滑坡体自重，增大渗透压力等物理化学作用，进而导致滑坡失稳变形[4]。

2.1 工程概况

某工程位于该地区的城区交界处，设计为二级公路，路线全长7.725km。路基的开挖引起多处边坡变形破坏，其中研究区滑坡位于公路k2+784—k3+685.075段南侧，滑坡的产生主要由于道路开挖导致，坡顶高程约560m，主滑方向约N50E，位于公路的转弯处。场地所在地区属亚热带季风气候区，温暖湿润，四季分明，降水充沛。历年平均气温为17.4℃，最热月历年平均气温达到28.9℃，最冷月历年平均气温5.3℃。历年极端最高气温40.5℃，极端最低气温-4℃。

2.2 工程地质

研究区滑坡海拔535～560m，原始地表整体坡度在15°～350°。滑坡平面形状近似马蹄形，场地植被发育。滑坡西侧外围有断层构造，走向近南北方向，产状多变。为监测边坡变形过程和坡内地下水水位，在场地内布置了地表变形与水位监测系统。

2.3 水文地质

根据现场勘察，研究区滑坡的地下水丰富，补给速度较快，水量较大。道路开挖后，边坡初始水位为最高水位。通过现场的勘测调查，滑坡区域内的地下水主要为孔隙水，分布在第四系残坡积土中，含水层厚度大约17～38m，补给来源主要为大气降水与灌溉回水，以泉水或者侧向排泄为主。由于滑坡体松散破碎，为地下水的赋存和流动提供了良好条件。在高地下水位作用下，坡体强度大幅降低，抗滑力大幅下降，极易引发变形。因此亟需排出坡体的地下水，降低地下水水位，以提高坡体的稳定性。

2021 年1 月，通过采取虹吸排水、仰斜式排水等方式，排出坡体地下水。于2021 年3 月14 日再次测量地下水位，得到坡体最低水位信息。

3 地下水监测设备及工作原理

滑坡稳定性影响因素中，与地下水直接相关的两个外界影响因素是库水位和降雨，二者通过多对地下水位的影响对滑坡稳定性造成影响。通过地下水的抬升，对滑带土产生软化，增大膨胀力，增大滑坡体自重，增大渗透压力等物理化学作用，进而导致滑坡失稳变形。为了研究不同堆积层滑坡不同位置地下水受降雨和库水位的响应规律，课题组从2012 年开始持续在万州选取变形较大的6 个堆积层滑坡开展了长达9 年的地下水监测工作，旨在研究万州区堆积层滑坡的地下水响应规律[5]。

为了分析地下水对滑坡变形的影响，笔者对该滑坡段及附近土体的地表变形、地下水水位变化进行了监测。在研究区坡坡体及外围布置3 个地表位移监测点、3 个地下水位监测点。

3.1 降雨量与地下水位

根据现场测量资料，结合监测期间场地内日降雨量及地下水埋深变化，监测期间出现数次短时间较集中降雨，其中3 月6—8 日降雨最大，日降雨量超过60mm。

课题组于2021 年1 月1 日开始对地下水位进行监测，地下水水位埋深逐渐增加，即水位逐渐降低。结合降雨数据可以发现，历次降雨之后地下水埋深皆有小幅回落，但很快恢复。

（1）2021 年 1 月 11 日，排水措施开始工作，各点地下水埋深大幅增加。

（2）2021 年 1 月 25—30 日，场地内发生数次降雨，最大日降雨量达到23mm，各监测点地下水埋深出现小幅降低，降雨停止后水位迅速回落。

（3）2021 年 3 月 8 日，场地内发生强降雨，最大日降雨量达62mm，2 号、3 号点地下水埋深小幅降低，降雨停止后迅速回落。

3.2 地表水平位移

根据地表位移监测点情况分析，其中GPS04、GPS05 安装较早，2021 年 1 月 3 日开始记录数据；GPS09 安装较晚，1 月22 日开始记录数据。监测初期，各监测点累积位移皆处于持续增加状态，说明滑坡整体发生变形。2021 年 2 月之后，GPS04、GPS05 记录的累积位移逐渐平稳，表明附近边坡土体变形减缓。

GPS09 的累积位移变化相对其他监测点较大，其中位移在N 方向分量较小，基本处于稳定状态；在E 方向分量较大，且持续增加。在1 月25 日与1 月31 日，场地内发生多次降雨，最大日降雨量达23mm，GPS09的E 方向位移分量明显增加，位移速率加快。

2 月5 日之后，由于地下水排出，水位降低，GPS09东方向位移速率明显放缓，说明地下水对滑坡西北部分的变形作用影响较大，应进一步通过稳定性分析研究地下水对滑坡稳定性的作用。

4 稳定性分析

4.1 计算方法及参数选择

道路边坡的稳定性分析采用Geostudio 的Slope 模块进行，该模块在进行边坡稳定性分析中占有重要的地位，是滑坡稳定性计算领域的专业软件。其计算原理是应用极限平衡理论对单一边坡的稳定性系数进行计算。在计算时，可建立多种计算模型，然后输入计算参数分析边坡的稳定性[6-8]。

研究区滑坡体为第四系残坡积土构成，部分夹杂少量碎块，下层深部为奥陶系的基岩。根据该地区地质勘察报告，结合工程地质手册及反演分析结果，稳定性分析中采用的土体主要参数见表1。

表1 土体主要参数

以初始状态水位为最高水位，以2021 年1 月2 日测得水位为最低水位，在最高水位与最低水位间从高到低另取3 个水位值，共计5 种水位工况，采用完全相同的方法在各种工况下分别计算该边坡的稳定性系数，达到控制变量效果。

4.2 稳定性计算结果

（1）计算剖面选取：结合相关数据资料，选取滑坡典型剖面，在从高到低的5 种水位工况下，采用M-P 极限平衡法进行稳定性计算，所有5 个工况稳定性分析结果（安全参数）见表2。

表2 工况稳定性分析结果（安全系数）

（2）安全系数计算结果：分别计算出5 种工况下的边坡稳定性系数，如表2 所示。图1 为稳定性系数-坡体水位曲线。

图1 稳定性系数-坡体水位曲线

如图1 所示，从地下水位与边坡稳定性系数的关系曲线可以看出：①随着地下水位的降低，稳定性系数显著增加，说明边坡稳定性受到地下水影响较大，及时排出地下水十分重要。②工况5 对比工况4，水位降低但是稳定系数不再增加，说明当坡体水位比工况4 低时，地下水不再主导变形。③工况4、工况5 中边坡的稳定性系数仍旧较低，说明该边坡的稳定性储备不高，尚处于极限平衡状态。