地下水與降雨對邊坡地下滲流場的影響

李 尚 軍

(太原市地質環境監測站，山西 太原 030009)

1 工程背景

1.1 工程地質概況

某工程建設場地的地貌類型屬構造剝蝕中、高山區，植被較發育，基巖局部裸露。擬建場地兩側為走向北西的山嶺，中間是一狹長的槽谷地形，槽谷橫斷面呈“U”形，兩側山體的坡角在30°～40°之間，槽谷中較平緩；槽谷的縱坡角5°～20°，斜長約750 m，寬約120 m～180 m，總面積146 600 m2。擬建場地南部以通往滑雪場的公路為界，北部的溫水河為該場區最低侵蝕標準面。擬建場區高程1 639.03 m～1 823.52 m，最大高差約184.49 m,見圖1。

根據本次鉆探揭露情況，對下伏基巖上統(Ptsh)的白云巖及板巖按其風化程度差異分為第③-1層強風化白云巖，第③-2層弱風化白云巖，第④-1層強風化板巖，第④-1層弱風化板巖。

該施工場區在地質構造上為淮陽山字狀構造西翼，由于該區域在歷史上地質活動較為頻繁，所以該區域褶皺構造以及斷裂構造是比較發育的。而場區周邊的區域性構造主要為有一條東西走向的九道—陽日大斷裂帶和一條北東走向的新華大斷裂帶，北西走向的板橋大斷裂帶和九沖大斷裂帶，規模較小的尚有呈北西走向的黃家坪斷層，長方斷裂，大洛溪斷層、大坪斷層等。研究區域位于這些斷裂構造夾持的相對穩定的區域內，大斷裂帶未在場地區域內穿插而過。研究區域為單斜構造，地層產狀為：傾向約為286°～291°，傾角約為41°～46°，巖層內節理裂隙較發育。

1.2 水文地質條件

研究區域北側的河流為附近唯一的地表水體，河寬約12 m～25 m，水深0.80 m～2.00 m，平均坡降約15‰，一般流量約為2.62 m3/s，總體特點為：水量匯流較快，歷時較短，容易暴漲暴落，有典型的山區河流特征。根據調查訪問，其最大洪水位約為1 640 m。另外，邊坡東西兩側均有小沖溝，平時水量較小，雨季時為坡體主要排水通道。排泄斜坡上的地表水和地下水，其流量約0.02 m3/s。

根據場地內出露的基巖的地層巖性和地下水在該場區含水介質中的賦存條件，以及水動力特征等因素，邊坡區地下水類型可分為松散土層孔隙水、基巖裂隙水兩大類。由于沖溝的切割，淺層孔隙水及基巖裂隙水主要作縱向徑流，通過沖溝排泄出區外。區內地下水更多受地形、地貌控制，多具有就地補給，就地排泄的特點。經調查，在擬建場地中有4處泉水出露。總體來說，地下水較豐富。

1.3 地震活動

根據國家地震局及有關地質資料，在距研究區域200 km范圍內，自有史料記載訖今共發生Ms≥4.7級地震57次。這些地震活動的基本特點是：強度小，頻度低，震源淺。據統計，這些地震對研究區域的影響烈度均小于6度。

根據GB 18306—2001中國地震動參數區劃圖，研究區域及鄰近地區的地震動峰值加速度為0.05g，按1990年國家地震局頒布的《中國地震烈度區劃圖》查看后顯示，本區的基本地震烈度為6度。

2 地下水及降雨對該邊坡影響的數值模擬研究

為進一步分析和研究在地下水及降雨情況下，研究區域不穩定邊坡的變形機理，本文在假定部分特征參數情況下，利用MODFLOW模擬軟件，對該邊坡在地下水和降雨所產生的不同滲流場情況進行了模擬，對該邊坡有可能形成滑坡的變形機理進行了分析[1-3]。

2.1 基于MODFLOW的邊坡的建模處理

通過前期地質勘查成果資料可知，開挖形成的邊坡大體上可分為3層[4]。

3)第③層為基巖，其主要為灰～灰白色白云巖，中厚層～厚層狀構造。頂部強風化帶較破碎，厚2 m～3 m,平均厚度2.80 m；下部弱風化帶巖體較完整。在一線及東部，下伏基巖為深灰～灰黑色板巖，薄～中厚層狀，強風化帶平均厚2.50 m。

因此，本文在建模過程中，將該邊坡體區域大體分為3層[5]。利用前期地質勘查獲得的邊坡內各層的高程及其厚度數據，結合其地形地貌特征，建立邊坡的三維仿真模型。

2.2 參數的選取

綜合考慮，該數值模擬模型所需要的參數大體上有以下幾種：降雨量、入滲補給系數、蒸發量，覆蓋層和軟弱層的滲透系數、有效孔系數、儲水系數等。上述系數數據通過實驗、查閱有關資料得出，如表1所示。

表1 滲透系數、有效孔系數及儲水系數表

2.3 模型的效驗

通過監測點的監測資料，用最初監測值擬合初始滲流場，然后通過模擬與后來的監測實際值對比，如結果相差不大，則可用于之后的滲流場模擬，見表2，表3。

表2 2016年11月25日水位監測成果

表3 2016年12月23日水位監測成果

用2016年11月25日的監測數據作為效驗數據進行模擬，輸入初始條件后，在正常狀態(10 mm/d)下模擬30 d后的地下水等值線。

模擬出的各監測點的水位數據如表4所示。

表4 30 d后的水位變化模擬值

模擬結果與2016年12月23日的原型監測結果相比較，相差不大，因此，在實際工作中，可以根據實際觀測數據，利用本文所建數值模擬模型，在適當調整模擬的參數(降雨量、持續天數，蒸發量等)的情況下，開展不同工況條件下的滲流場模擬。

2.4 危險工況下的邊坡滲流場模擬結果

本文對危險工況(最不利情況)下的邊坡體進行了滲流場模擬試驗，即在持續性大暴雨(假定雨量為10 d,200 mm/d)的情況下，模擬了邊坡滲流場的情況，掌握了在大暴雨情況下地下水滲流場的情況。

由模擬結果可知，在相對較低高程區域的滲流場明顯高于其高程，可知在這些區域內土體中的水基本已經飽和。在持續性降雨工況下的地下水滲流場變化，隨著降雨量的增大和降雨持續時間的增長,場地區域在持續性暴雨的工況下，區域內的土體在降雨及其地下水滲流作用下，飽和度已經基本飽和，土體飽和后硬度軟化，隨著孔隙水壓力增大，粘聚力降低，有效應力降低，強度迅速降低，可能會對邊坡穩定性產生影響。

3 結語

在覆蓋層坡體內部，因為大量地下水的持續滲透，滲流場和自身應力場不斷互相作用，會極大程度的減小坡體的穩定性。因此在邊坡治理過程當中,應加強由于降雨和地下室原因導致的土體穩定性下降的因素，減少降雨在地表的滯留時間，以增加邊坡在暴雨工況下的穩定性。