黃土削峁填溝高填方地下水監測與分析

張繼文，于永堂，李 攀 ，杜偉飛 ，劉 智

(1. 機械工業勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710043；2. 西安建筑科技大學土木工程學院，陜西 西安 710055；3. 陜西省特殊土工程性質與處理技術重點實驗室，陜西 西安 710043)

近年來，隨著我國西部黃土丘陵溝壑區經濟社會的快速發展，受地形、空間限制，可供城鎮發展、基礎設施建設的土地資源越來越少，為了解決建設用地問題，通過“削峁填溝”方式形成的大面積高填方工程越來越多．這類工程的原始地形地貌、水文地質、工程地質條件往往較為復雜． 填方工程建設后，地形地貌改變將引起地下水補給、徑流和排泄條件改變，使土體的強度和應力狀態發生變化，進而對高填方體的變形和穩定產生影響． 工程實踐表明，地下水對高填方的影響，主要體現在浸泡軟化、滲透變形、動水壓力和凍融等方面[1-4]，國內一些填方工程因水的問題未處理好，已出現了邊坡滑塌、大變形及失穩等問題[5-7]．針對高填方工程的地下水變化問題，國內學者通過模型試驗[8]、數值模擬[9-10]等方法進行定性分析和預測，但由于高填方場地的環境地質條件往往較為復雜，上述方法常常難以反映真實情況．鑒于地下水變化情況及其工程效應，是關系到高填方邊坡穩定、填方地基變形速率和穩定時間的重要因素，開展復雜水文地質條件下，大面積黃土高填方工程地下原位監測意義重大．通過地下水動態變化的原位監測，不但可以對地下水的異常變化預警預報，客觀評價疏排水措施有效性，還可為地下水數值模擬、巖土工程設計和施工提供可靠的水文參數．

本文以黃土丘陵溝壑區某高填方工程為例，介紹了黃土高填方工程地下水的監測內容和方法，通過對該工程施工過程和竣工后的地下水動態監測，獲得了地下水的空間變化規律和趨勢．

1 工程概況

1.1 工程特點

本工程位于陜北黃土高原中部，地處黃土丘陵溝壑區，是我國濕陷性黃土地區開展的大規模造地工程之一．工程建設過程采取了一系列工程措施，如設置地下排水系統疏排地下水；對原地基濕陷性黃土進行了強夯處理，消除黃土濕陷性；通過挖除、強夯、碾壓等方式處理不良地質體，消除地質隱患；對填筑體采用以沖擊碾壓為主、局部強夯補強等施工工藝進行壓實處理等．

與其他填方工程相比，本工程具有如下特點：①地形地貌、水文地質與工程地質條件復雜：場地地形起伏，溝壑縱橫，切割強烈，谷底和溝谷兩側出露基巖裂隙有地下水涌出；梁峁斜坡地帶分布有深厚的濕陷性黃土，谷底局部區域分布有高壓縮性的軟弱淤積土等特殊巖土；場地中存在崩塌、滑坡、土洞等不良地質體．②深挖高填：最大填挖方高度均超過100m，平均填挖方高度超過30 m．③面積大：填挖方總面積超過10 km2．④土石方量大：總填挖方量超過3億m3．⑤施工條件差，工期緊，施工工作面廣，施工組織復雜．⑥沉降控制要求高：填挖方場地均為建設用地，上部結構對地基的沉降與差異沉降要求嚴格．⑦填方工程屬于千年大計工程，高填方地基的穩定性和耐久性要求極高．

1.2 氣象條件概況

建設場地位于溫暖帶半干旱大陸性季風氣候區． 根據當地氣象站1951～2005年資料，多年平均降水量為562 mm，最大值為871 mm，最小值為330 mm，日最大降水量139.9 mm（1981年），時最大降水62 mm（1979年），近20年來，年平均降水量為496 mm．多年平均降雨量最高的月份出現在6～9月，集中了全年約 70%的降雨量，其次是 4月、5月和10月，其它月份降雨量很少．

1.3 填方前的水文地質概況

建設場區主溝流域面積約13 km2，溝道長度約7.5 km，比降約18.3‰，枯水期溝谷地表水流量一般小于18 m3/h，主溝多年平均徑流量估值約32.87萬m3/a． 水流量隨季節變化大，枯水季節流量小，僅在雨季有斷續洪流，但區域內可見下降泉出露，流量較?。雎兜貙又饕獮榈谒南?、新近系和侏羅系，典型橫向水文地質結構如圖1所示．地下水類型為第四系孔隙潛水和侏羅系基巖裂隙水兩大類． 第四系孔隙潛水主要分布于河谷區，基巖裂隙水全區分布，二者在河谷區水力聯系密切，構成雙層介質統一含水體．第四系含水層主要為洪積層，厚度一般小于10 m；基巖含水層主要為砂巖風化層，強風化帶的厚度一般小于4 m．地下水補給來源為大氣降水，以泉水溢出、蒸發及人工開采等方式排泄．天然條件下，地下水自周邊分水嶺地帶順地勢向溝谷徑流匯集，并轉化為地表徑流排泄于區外．

圖1 典型橫向水文地質結構圖Fig.1 Typical cross-section drawing of hydro-geological structure

1.4 填方后的地下水疏排措施

為了保證地下水順利排出，本工程沿主要沖溝溝底設置了主盲溝，在自然支溝溝底設置次盲溝，結合地形、泉眼出露和滲流情況設置支盲溝，主盲溝、次盲溝和支盲溝相連，形成全長達數十公里的地下盲溝排水系統，將原溝底的地表水、出露泉等以樹枝狀有機聯通．盲溝由土工布包裹碎石反濾層、涵管等組成，地下水由溝谷兩側向溝谷中心匯集，通過土工布向盲溝內入滲，可使地下水滲入排出而阻止泥土進入．此外，在主、次盲溝交接部位設置若干豎向監測抽水井，用于監控地下水位，若盲溝作用減弱，地下水位上升，人工抽水進行控制．

2 地下水監測及分析

為了研究高填方體施工過程及竣工后，原地基及填筑體內部的地下水動態變化規律，本次設置了地下水位、盲溝水流量、孔隙水壓力、地表水下滲深度監測點，建立了一套地下水監測網．由于高填方工程監測尚無專門規范，本次監測工作主要參照《地下水動態監測規程》[11]進行．地下水位采用電接觸懸錘式水位計法監測；出露泉流量和盲溝水流量，采用堰槽法及流速儀面積法測量；孔隙水壓力采用埋設孔隙水壓力計法測量；地表水下滲深度采用鉆探取樣、烘干法測定．

2.1 地下水位監測結果及變化規律

地下水位監測斷面分為順溝方向和橫剖面方向兩類，以順溝方向為主．地下水位觀測孔主要布置在邊坡、主盲溝與次盲溝中心線附近、主盲溝與次盲溝交匯處、地下泉露頭部位、淤地壩區域等，用于監測盲溝、排水通道附近的地下水位變化情況，判斷盲溝排水設施的有效性和地基土的固結排水情況．水位觀測孔孔底穿過土層進入基巖以內，以實現對原地基和填筑體內的地下水位監測．除專門設置水位觀測孔外，還利用場地中的監測抽水井、測斜孔、分層沉降孔等進行水位觀測．

圖2為鎖口壩填方邊坡順溝方向的地下水位分布剖面圖．該區域位于整個填方場地的溝口位置，是監測地下水位變化的重點部位．圖2中，填方施工前，地下水位順溝谷地勢逐步降低，地下水位高程為961.76～964.11 m，平均水力比降為1.23%，較為平緩．填方竣工后，地下水位略有抬高，但仍處于原地面以下．鎖口壩邊坡后緣的地下水位變化很小，表明原地基中修建的地下排水盲溝系統使上游的地下水壓力順利宣泄，保持了邊坡后緣地下水基本處于穩定狀態．

圖2 鎖口壩填方邊坡順溝方向地下水分布圖Fig.2 Distribution of underground water in the high fill slope

圖3 某典型溝谷填方區地下水位觀測孔布置圖Fig.3 The locations of underground water observation wells in the fill section of a typical gully

圖4 地下水位變化歷時曲線Fig.4 Curves of groundwater level vs.observation time

建設場區內典型支溝的地下水位監測點布置如圖 3所示，地下水位變化的歷時曲線如圖 4所示．由圖4可知，該支溝內地下水位有升有降，其中位于溝谷上游的監測點 SW-1，水位持續下降，位于溝谷中下游和溝口的監測點SW-2和SW-3，水位先上升后小幅波動（水位升降小于1m）．監測點SW-4位于主溝中，竣工一年后，地下水位已降低至土巖分界面以下，因水位觀測孔孔底高于水位面，此后該孔中一直無水． 圖4中SW-1監測點位于淤地壩中部，與排水盲溝相鄰，地下水位持續降低，已從施工前的1 039.95 m（2012年3月1日）降低至工后的1 034.19 m（2015年9月4日）．填方施工前，淤地壩區域在原始自然淤積后，地下水位上升，上部含水量不大，呈可塑狀態；地下水位附近及其下的淤積土多呈軟塑～流塑狀態．填方竣工后，通過采取碎石墊層強夯加固地基，鋪設方格網狀的碎石排水盲溝等方式進行地下水疏排，加速地基土的排水固結．填方竣工后，上游淤積壩中地下水補給量下降，使地下水位不斷下降，通過地下盲溝等排滲設施不斷排出，表明壩內設置的排滲設施對促進淤積土的排水固結起到較好的作用．下游地下水位上升的現象表明，填方施工改變了地下水滲流場，人工填土在一定程度上抬高了部分溝谷下游的地下水排泄基準面，以保證有足夠的水力梯度使地下水流出． 場區地下水位的變化表明，高填方地基的地下水系統正逐步從分散局部的第四系孔隙潛水和侏羅系基巖裂隙水轉變為具有穩定水位的地下水流系統．

2.2 盲溝水流量監測結果及變化規律

本次在主溝鎖口壩坡腳盲溝出水口處設置了水流量監測點，用于監測整個填方場地主盲溝總排水量（圖5）．除水流量監測外，同時搜集同時期當地氣象部門發布的降雨資料，對比二者關聯性．

盲溝水流量監測工作自2012年10月29日開始，此時上游填方體施工已開始進行，監測點上游的地下盲溝排水系統已經建設完成．盲溝水流量和當地降雨量監測結果如圖6所示． 由圖6可知，水流量高值一般出現在的6月至8月間，低值一般出現在11月至次年4月間，降水量的季節分配影響著盲溝水流量的變化，地下盲溝水流量響應降水的時間略有滯后．滯后的原因在于地下水在土體或基巖裂隙中運動，屬于介質流，滲透速度較為緩慢；大面積填方場地的地下水系統具有較大的儲容空間，滲透、排泄能力有限，集中或間斷性的降水補給可作為儲蓄量，在季節變動時緩慢釋放．

圖5 主盲溝水流量監測Fig.5 Water flow monitoring of the main blind ditch

圖6中，填筑施工期間，盲溝水流量變化主要經歷四個顯著的階段：①2012年10月底至2013年2月底，冬歇停工期間，水流量從最初監測時的32.6 m3/h降低至18.3 m3/h．②2013年3月初至2013年5月底，水流量進一步降低，本階段水流量維持在低值范圍內，平均值為14.4 m3/h，水流量變化與上游施工抽取地下水及該時期大氣降水較少等因素有關．③2013年6月至2013年9月間，大氣降水較多，地下水獲得補給，且施工抽水量減少，盲溝出水量逐步增大至峰值流量21.7 m3/h．④2013年10月后，填方施工大部分已經完成，大氣降水減少，水流量又開始逐步降低，但變化幅度明顯低于施工期，水流量隨季節變化的規律更加明顯．

填方施工前，監測點上游出露的26處泉眼在枯水期總排水量為9.1 m3/h，河流斷面的地表流量為9.4 m3/h，流域面積約7.84 km2．枯水期河流流量可看作是降水入滲補給量．竣工后，2014年枯水期最小水流量出現在2月18日，實測水流量為17.8 m3/h，大于填方施工前監測點上游同期各泉總流量．全年平均水流量為20.2 m3/h，年徑流量約為17.7萬m3/a，是填方施工前年徑流量的53.8%． 綜合地下水位和盲溝水流量監測結果可知，高填方竣工1年后，盲溝水流量隨季節變化呈現周期性波動，地下水順利渲泄，表明地下排水設施可有效排出高填方體內部的地下水，地下水的補給、徑流、排泄逐步趨于平衡和穩定．水流量未發生持續性陡增或陡降，出水口水質僅在2013年施工期雨季期間偶見渾濁，經踏勘發現是溝口鎖口壩處地表徑流沖刷臨時邊坡坡面，水沿裂隙流入地下造成，經及時加固處理，消除了隱患． 工后期水質持續保持清澈，無明顯泥沙流出．

圖6 2012-2014年盲溝水流量與降雨量關系曲線Fig.6 Water flow of main blind ditch in relation to precipitation between 2012 and 2014

2.3 孔隙水壓力監測結果及變化規律

本次在溝谷中心部位，填筑體和原地基內不同深度土層中布設了孔隙水壓力計，用于監測施工期和工后的孔隙水壓力變化情況．孔隙水壓力計的埋設采取一孔多測點的形式，即在同一鉆孔內安裝多個孔隙水壓力計，測點之間采用膨潤土密封隔離．由于監測區域內的孔隙水壓力變化具有共性特點，這里選取J1號監測點為例進行說明．J1號監測點共設置了4支孔隙水壓力計，P1、P2設置在原地基中，在原地基強夯處理完成后埋設，P3、P4設置在填土中，隨填土施工同步埋設．J1號監測點填方前地下水位為964.11 m，原地基強夯處理完成后，水位升至967.46 m，填筑體施工完成后地下水位進一步升至970.32 m．根據孔隙水壓力監測結果，繪制孔隙水壓力增量、填土厚度與觀測時間的關系曲線如圖7所示．孔隙水壓力增量與填土荷載增量關系曲線如圖8所示．

圖 7中，P1測點在填土施工前已位于地下水位以下，土中的孔隙水壓力在隨填土厚度的增大而快速增大，連續加載后出現峰值，停荷恒載后，孔隙水壓力開始逐步消散．P2測點初始階段位于地下水位以上，在填方施工過程，地下水位緩慢抬升，使P2測點位于地下水位以下，該測深處的孔隙水壓力增量隨填土厚度的增大與P1測點有著類似的變化規律．施工完成后，地下水位基本穩定，孔隙水壓力逐步消散．P3、P4測點位于填土中，處于地下水水位以上非飽和土中，孔隙水壓力未發生明顯變化，也間接表明地下水未發生繼續向上的滲流．

圖7 填土厚度-孔壓增量-觀測時間關系曲線Fig.7 Curves of fill thickness vs. pore water pressure increment vs. observation time

圖8 孔壓增量-荷載增量關系曲線Fig.8 Curves of pore water pressure increment vs. load increment

研究表明，當地基處于穩定狀態，孔隙水壓力增量與荷載呈線性關系；當地基中孔隙水壓力與荷載關系出現非線性轉折，表示地基出現局部剪切破壞，當其發展到一定程度時，地基將發生失穩[12]． 因此可以用實測孔隙水壓力增量與荷載的關系判定地基穩定情況．圖8中，P1、P2測點在施工加載期間，孔隙水壓力增長與荷載增量成線性關系，未發生非線性轉折（即曲線斜率未發生突然增大），表明原地基未發生剪切破壞，處于穩定狀態．

2.4 地表水入滲特征

2013年7月以來，建設場地經歷多次連續強降雨，其中自7月1日至8月12日，出現了一次長達 11天的連陰雨天氣．為了確定降水在填方區的下滲深度，6月25日在填方區溝谷中心線低洼地帶，選擇了兩處含水率測試點，測定填土的含水率，并與8月19日現場取土測定降雨后地表水下滲深度，期間共發生降雨25天，累計降雨量達599.6 mm． 降雨前后的填土含水率測試結果如圖9所示．降雨前，填土表層和深層的變化趨勢基本一致；降雨后，一部分地表水以地表徑流和蒸發的形式排泄，另一部分地表水在重力的作用下通過黃土孔隙以滲透重力水的形式下滲，上層土體的含水率明顯增大．與6月25日測定的W1、W2點的含水率測試數據相比，實測降雨的影響深度為2.0～3.0 m．

圖9 降雨前后填土含水率測試結果Fig.9 Variety of water content in the typical fill areas before and after rainfall

為了獲得極端條件下，地表積水的入滲情況，從2013年7月初至9月末，在防洪壩前填方區局部進行了專門蓄水試驗，通過在防洪壩壩頂緊鄰積水區水面邊緣2.5 m處設置兩個鉆探取樣孔，測定土體含水率沿深度方向的變化情況，測試結果如圖10所示． 根據圖10中的含水率測試結果并結合現場鉆探揭示，填方區地表經受近3個月的長期蓄水，測試點處積水的下滲深度約為7 m．

此外，通過室內試驗研究發現，天然黃土滲透系數一般為0.02～0.30 m/d，經壓實或夯實后，滲透系數一般為 0.001～0.110 m/d，個別點的滲透系數很小，達1.1×10-5m/d，天然土和壓實土的滲透系數均表現出明顯的離散型，壓實填土的滲透性低于天然黃土1～2個數量級． 壓實土較低的滲透系數，使填方區地表積水在短時期內入滲較困難．因地下水埋藏深度大，短時期的地表積水尚無法通過包氣帶達到潛水面，難以形成對地下水的有效補給． 但是在黃土高填方工程中，因不均勻沉降等原因常會引發填方區裂縫出現，在裂縫地帶容易形成沖溝或低洼地帶，而這些負地形又成為地表水的良好匯聚點，由于裂縫自身的特點，使其成為地表水入滲的良好通道，當地表水沿裂縫下滲時，易形成落水洞．裂縫以及落水洞一旦形成，將成為地表水匯集入滲的良好通道．因此，在黃土高填方工程建設過程，應加強巡查，注意裂縫、落水洞等不良地質現象，及時發現處理，切斷地表水直接下滲的通道．

圖10 積水浸潤深度測試結果Fig.10 Infiltration depth of surface accumulated water

3 結 語

本文通過對黃土丘陵溝壑區某“削峁填溝”高填方工程施工前、施工中及竣工后長達2年的地下水監測，得到了以下認識：

(1) 以現階段既有數據判斷，場地內施工前后的地下水排泄基準面升降不一，當形成逐步穩定的排水通道后，水位將趨于穩定． 盲溝排水水質清澈，水流量與降雨量的季節分配具有一定響應關系，其流量與降水量正相關，并隨季節周期性變化，可研判盲溝排水系統目前運行正常．

(2) 施工期，飽和土中的孔隙水壓力增量與上部荷載增量存在線性關系，表明地基土處于穩定狀態；竣工后，超靜孔隙水壓力可較快消散，表明地基土固結變形正逐步趨于穩定．此外，非飽和填土中的孔隙水壓力未發生明顯變化，表明在監測深度處，地下水未發生向上滲流．

(3) 填筑體地表水入滲途徑是以孔隙滲入為主，填土經充分壓實后，3個月的長期浸水，下滲深度僅為7 m，表明短時期的地表積水尚無法通過包氣帶達到潛水面，難以對地下水產生直接補給．

(4) 黃土丘陵溝壑區通過“削峁填溝”方式形成的高填方工程，不免會對建設區域的水文地質環境產生影響，地下水系統通過自身內部調整，需要長時期才能達到穩定的平衡狀態，因此地下水的監測需長期進行，并與變形、應力監測相結合，以便于把握地下水的動態變化規律及其對工程的影響．

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