地下水对边坡稳定性的影响及治坡措施

汪 翔

(福建省196地质大队，福建 漳州 363005)

0 前 言

岩石边坡稳定性问题影响着地质工程的安全性和经济性。边坡变形破坏的因素错综复杂，其中地下水是岩质边坡失稳的关键性因素。随着地下水的侵蚀，不连续的构造以及不同强度的岩体在动水压力和静水压力的作用下，容易出现位移、剪切变形或扩展劈裂，成为边坡失稳的起因。刘玉凤等[1]认为，地下水的渗入改变边坡渗流场分布是边坡不稳定和边坡滑坡的因素之一。王家全等[2]则从岩土内部出发，认为岩土粘聚力是边坡失稳的重要原因。张艳博等[3]发现，透水性差的黏性土易造成边坡失稳，且边坡施工在不同阶段对岩土作用的方式不同。总体而言，基坑底部的地下水容易造成边坡失稳滑塌，给工程质量及安全带来极大的隐患。

本文基于福建永安某边坡实测地质资料，研究天然工况和暴雨工况下地下水对边坡稳定性影响，并针对性地提出治理措施。在此基础上利用Ansys 软件计算天然情况下和暴雨情况下边坡塑性状况和位移状况，初步探索地下水对边坡稳定性的影响规律，为该地区降雨诱发滑坡问题提供参考借鉴。

1 工程概况

福建永安某边坡点所在地势总体北高南低，附近最高海拔为531.20 m，最低海拔标高为390 m，相对高差约140 m，切割深度一般不大，山坡多为凸形坡。当地最低侵蚀基准面约为390 m。边坡体地形坡度较陡，沟谷切割程度为中等。边坡山坡海拔435 m以上坡度较均匀，坡度约26.5°，下部坡度变化较大，其中西侧海拔430 m以下坡度较大，约45°，海拔430～435 m较缓，坡度约14°，东侧坡度下陡上缓，坡度25°～45°。坡脚修建小路，形成小型人工边坡，坡度较大。

1.1 水文条件

大湖镇吴坊村滑坡岩土体下的地下水类型主要为第四系风化基岩裂隙水及松散岩类孔隙水，区域内水系发达。该地区地下水位常年受季节性降水量变化影响，雨季水位较高，波动幅度较大。暴雨期间，地下水水位上升较快，变化幅度为1.0～2.5 m左右，枯水期地下水埋深约5～8 m。地表植被多为毛竹，毛竹的根系主要在浅土层横向延伸，往深土层延伸的不多，毛竹根系的延伸对地表水的下渗有一定的影响，加剧土层之间的粘结性的破坏，对边坡影响较大。

1.2 地质条件

根据岩土工程勘察结果并结合前期资料，勘查区所在区域地层主要有：第四系残坡积土层、下伏基岩主要为灰、灰黄色燕山早期第三次侵入钾长花岗岩(γ5)。其分布及特征由上至下如表1所示。

表1 地质参数概览表 单位：m

2 计算模型及参数选取

由于在勘查时间段内，该处边坡体地下水水位埋置较深，在计算时，地下水的渗透压和水的浮力未进行评价，根据边坡的形态特征，以垂直滑体走向的方向选取计算选择剖面，根据勘查布置钻孔位置，选择2-2′剖面进行稳定性计算和分析。剖面基地标高为500 m，水位深度分别为9.4、7.8、2.1 m。计算模型见稳定性计算剖面简图(如图1所示)。

图1 2-2′剖面边坡稳定性计算剖面

在实验室内共计对16件滑体土原状土样进行了物理力学性质试验，分别为12件坡积粉质黏土和4件含角砾黏土。按照室内土工试验统计值，本次计算天然容重粉质黏土取18.8 kN/m3；饱和容重粉质黏土取23.3 kN/m3。在暴雨工况下，滑面强度取土体的饱和强度，土体容重取饱和容重[4]。根据当地工程经验结合滑坡体目前状况，同时对比室内土工试验数据，校核滑带土的抗剪强度，结合瑞典条分法[5]，计算稳定性的c、φ值。滑体土力学性质试验成果和统计结果见表2。

表2 滑体土力学性质试验成果统计表

3 稳定性分析结果

在天然工况下，采用天然抗剪强度值进行计算。由于该滑坡的主导因素为水，在暴雨或岩土体饱和的状态下，需模拟暴雨工况下的稳定性，则采用岩土体在饱和状态下的抗剪强度值。由于试验中所做的残余剪切试验是反复对试验土样进行剪切试验，故在岩土体的极限状态下，其抗剪强度达到极限值。按照《边坡防治工程设计与施工技术规范》(DZ/T 0219—2006)(以下简称《技术规范》)，选出2种特殊工况进行边坡稳定性分析计算，分别为天然工况和暴雨工况，天然状态下的安全系数为1.20～1.30。天然工况的荷载组合为自重+地下水；暴雨工况的荷载组合为自重+暴雨[6]。天然状态下采用c=23.1 kPa、φ=18.0°；饱和状态下采用c=11.8 kPa、φ=9.8°、v=0.3。根据分析结果，结合图1，利用Space Claim绘制边坡，并将简图导入Ansys中计算不同工况条件下边坡位移和塑性应力变化。

3.1 自重+地下水

图2为边坡在自然工况下的坡体塑性应变云图。根据图2可知，坡体的临界面在坡地可见小块塑性区，稍有屈服，边坡发生滑动破坏的可能性较小。Ansys APDL显示数据仍可计算，并得出该工况下相应的折减系数即安全系数为1.698。根据《技术规范》可知，此时边坡安全系数处于稳定状态，说明天然工况下地下水对边坡的影响不是十分显著。

图2 天然工况下塑性区

3.2 自重+暴雨

在暴雨条件下，由于边坡饱和土体增加，岩体在降水的软化作用下，抗强剪度和折减系数也随之降低。图3～4分别是边坡在暴雨工况下的坡体塑性应变、位移云图。如果设计工况是坡体从天然状况骤升至饱和状况，则考虑水压荷载作用。如图4所示，随着地下水位逐渐升高，边坡坡体整体呈圆弧状下滑，整个面呈屈服状态，计算得出最大位移值为1 574 mm。边坡不利结构带暴漏。图5所示为Y轴土体承载应力，受雨水入渗导致的水压力影响，Y轴岩层应力明显集中，且有向X轴滑移趋势。此时坡体应力的不稳定性状态十分显著，安全系数从1.698下降至1.043，远远小于规定的1.2。安全系数变化较大，主要是由于暴雨导致坡体岩层力学强度降低。

图3 暴雨工况下塑性区

图4 暴雨工况下X轴位移区

图5 暴雨工况下Y轴应力区

基于以上计算，在天然工况下，该边坡岩土体处于稳定状态；在暴雨工况下，边坡岩土体是不稳定状态。若该边坡遇强降雨或连续降水，大量地表水入渗土中，土体极易吸水饱和，土体的抗剪强度就会急剧下降，致使土体自重增加，当边坡体中的滑动带岩土体达到极限状态下，边坡体稳定性就会严重降低，从而导致边坡体失稳，对周边居民生活和生产活动的影响巨大，因此，需要对该边坡进行相应有效的治理。

4 边坡工程防治措施

4.1 重力挡墙

重力式挡土墙设置位置在坡脚已建民宅与水泥路之间的坡度较大的边坡，挡土墙采用重力式M7.5浆砌片石，挡土墙坡率为1∶ 025，基础持力层选用粉质黏土或残积黏性土，基础为C20片石混凝土基础，粉质黏土承载力为180 kPa，残积黏性土承载力为190 kPa，挡墙基础与岩土体摩擦系数为0.25，基础持力层能满足上部挡墙荷载要求。同时，在挡土墙中间位置设置泄水孔，泄水孔可选用Φ80软式透水管，设置方式应外倾10%，单根长约5 m。

4.2 排水加固

本次案例中，在坡体中部设置软式透水管，排水沟主要设置的位置在边坡后缘裂缝外侧，软式透水管是地表水向两侧排泄，设置截排水沟主要截流地表水，从坡体两侧及坡面上向坡脚排泄，排水沟选用M7.5浆砌石，深度为0.50 m，截排水沟两侧通向坡脚水泥路内侧，内侧也设置排水沟，依据地形水流从东向西排泄，并在坡体周边设置排水沟。

4.3 治理后位移场监测

在墙体或土体中预埋测斜管进行深层水平位移的监测，各深度水平位移通过测斜仪观测[7]。共设置4个深层位移监测点：WF01、WF02、WF03和WF04。深层位移监测点WF01最大位移值位于地表，治理前位移值为41.8 mm，治理后位移值为19.1 mm；深层位移监测点WF02在施工工程中位移较明显，主要是土体上部部发生位移，治理前最大位移值为-76.1 mm，治理后最终值为-23.4 mm；深层位移监测点WF03在施工工程中位移较明显，主要是土体下部发生位移，治理前最大位移值为-53.5 mm，间隔一年测得最终值为小于25 mm；深层位移监测点WF04总体位移量不大，相对稳定，位移较大部位在地表，不影响边坡的稳定性。各深层位移监测点在施工初阶段及竣工初期都有所位移，实施边坡治理后逐步趋于稳定。

5 结 语

本文结合地质实测和Ansys软件对福建永安某边坡稳定性进行了分析。分析结果表明，在天然工况下，边坡坡角处稍有屈服，但安全系数处于规定范围内；在暴雨工况下，当地下水位升高时，边坡安全系数受到影响，边坡整体出现下滑状态，边坡安全系数不符合控制系数标准，易形成滑坡或泥石流等自然灾害。针对该情况，以重力挡墙和排水加固对边坡进行治理，经对位移监测点进行监测，位移相对稳定，不影响边坡稳定性。

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