淺議邊坡巖土工程勘察中的水文地質(zhì)工作

余永春

（江西省地質(zhì)局第十地質(zhì)大隊(duì)，江西 鷹潭 335000）

地下水是邊坡穩(wěn)定性最大的影響因素之一，尤其是由散體物質(zhì)組成的土質(zhì)邊坡和裂隙發(fā)育的巖質(zhì)邊坡，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，百分之九十以上邊坡失穩(wěn)與地下水的活動(dòng)密切相關(guān)。然而，目前許多小型邊坡勘察時(shí)，卻往往對(duì)水文地質(zhì)工作不夠重視，在水文地質(zhì)條件章節(jié)基本上都是簡(jiǎn)單地劃分一下含水層和隔水層，簡(jiǎn)要說(shuō)明區(qū)域地下水補(bǔ)徑排條件，在分析邊坡穩(wěn)定不利影響因素時(shí)，籠統(tǒng)描述地下水的沖刷作用對(duì)邊坡穩(wěn)定不利，沒(méi)有根據(jù)地下水對(duì)邊坡破壞進(jìn)行具體的實(shí)質(zhì)性分析。究其原因，一方面可能是我們經(jīng)常面對(duì)的邊坡規(guī)模很小，水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，而且一般勘察設(shè)計(jì)單位都是同一家，甚至是同一個(gè)人，在設(shè)計(jì)時(shí)按照常規(guī)把地下水的因素考慮進(jìn)去，做好截排水工作，勘察時(shí)基本忽略；另一方面，也許是對(duì)邊坡變形破壞機(jī)理不夠清晰，忽視了地下水在邊坡變形破壞方面的重要性，對(duì)水文地質(zhì)資料收集不夠重視；再者，或許由于水文地質(zhì)資料收集過(guò)程比較復(fù)雜，耗時(shí)耗財(cái)，增加了工作成本。不管何種原因，這都是一個(gè)很不好的現(xiàn)象，在水文地質(zhì)條件復(fù)雜地區(qū)，勘察報(bào)告可能會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的誤判，導(dǎo)致設(shè)計(jì)失誤，留下安全隱患，甚至發(fā)生災(zāi)難性后果。本文就地下水在邊坡穩(wěn)定性影響方面，簡(jiǎn)要闡述各項(xiàng)水文地質(zhì)因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響機(jī)理，并簡(jiǎn)要介紹水文地質(zhì)調(diào)查和勘查的工作方法[1-3]。

1 地下水對(duì)坡體破壞的機(jī)理分析

對(duì)邊坡的穩(wěn)定性取決定作用的是邊坡物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，如果將之稱(chēng)之為“內(nèi)因”，那么，地下水作為邊坡破壞的主要地質(zhì)營(yíng)力之一，就可稱(chēng)之為“外因”。我們必須清楚地下水在邊坡破壞過(guò)程中如何發(fā)揮作用，才會(huì)明白如何防止邊坡發(fā)生破壞，或者說(shuō)懂得怎樣進(jìn)行邊坡治理設(shè)計(jì)。下面從區(qū)域水文地質(zhì)條件和場(chǎng)地水文地質(zhì)條件方面分別論述地下水對(duì)邊坡破壞的機(jī)理。

1.1 區(qū)域水文地質(zhì)條件的影響機(jī)理

邊坡巖土工程地質(zhì)勘察與房屋建筑巖土勘察有較大的區(qū)別，就是勘察區(qū)的范圍要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于邊坡坡區(qū)的范圍，勘察報(bào)告名稱(chēng)也有所區(qū)別，習(xí)慣上把勘察的“察”字換成“查”字，也就是“勘查報(bào)告”，這里面包含的一個(gè)重要的意義，就是要進(jìn)行較大范圍的調(diào)查，從工程地質(zhì)的角度出發(fā)，就是要查明邊坡周邊區(qū)域的地層巖性和構(gòu)造發(fā)育情況，從水文地質(zhì)的角度出發(fā)，就是要了解清楚周邊的區(qū)域水文地質(zhì)條件、邊坡所處的水文地質(zhì)單元（含水系統(tǒng)）以及在本單元中的補(bǔ)徑排位置，不同的含水系統(tǒng)邊坡破壞機(jī)理不同，比如：

松散孔隙含水系統(tǒng)，透水性較好的邊坡，地下水對(duì)邊坡破壞方式以潛蝕為主，由于孔隙含水層顆粒大小混雜，地下水在長(zhǎng)期的滲透過(guò)程中，將其中的細(xì)小顆粒帶走，慢慢將坡體掏空，出現(xiàn)緩慢的滲透變形，超過(guò)臨界狀態(tài)后坡體失穩(wěn)滑塌；透水性差的邊坡，地下水在坡體中難于滲出，產(chǎn)生超靜水壓力，降低土體的強(qiáng)度，同時(shí)也增加土體的飽和容重，相當(dāng)于減小了抗滑力，增加了下滑力，從而使邊坡出現(xiàn)蠕滑變形，發(fā)展到一定階段后形成快速滑動(dòng)，邊坡整體失穩(wěn)。

基巖裂隙含水系統(tǒng)，地下水對(duì)邊坡的破壞方式以靜水壓力為主。裂隙的發(fā)育和連通性在自然界千差萬(wàn)別，對(duì)于裂隙發(fā)育和連通性不均勻的邊坡，降雨可能引起坡體后緣地下水位短時(shí)間內(nèi)快速抬高，靜水壓力瞬間增大，同時(shí)滑動(dòng)面內(nèi)的膠結(jié)充填物質(zhì)在水的浸泡下可能發(fā)生軟化，減低滑面的摩擦力，從而引起邊坡失穩(wěn)。另外，在地下水豐富、滲透性好的區(qū)域，滲透力的作用也非常明顯，裂隙發(fā)育、連通性好、滲流速度快、地下水豐富的巖質(zhì)邊坡，在地下水長(zhǎng)期滲流的沖刷作用下，裂隙充填物逐漸被沖刷干凈，巖塊失去支撐下沉，導(dǎo)致坡體變形破壞。

巖溶含水系統(tǒng)，地下水對(duì)邊坡的破壞方式以溶蝕和沖刷為主，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的溶蝕作用，將地下水徑流通道擴(kuò)大，當(dāng)位于邊坡附近的溶洞發(fā)育到一定程度時(shí)，可能導(dǎo)致地面塌陷，從而引起邊坡變形破壞，也可能在汛期由于大量的巖溶水往坡外滲透，對(duì)邊坡造成沖刷從而引起邊坡失穩(wěn)。

各種含水系統(tǒng)中邊坡不限于以上幾種破壞形式，在邊坡調(diào)查過(guò)程中應(yīng)根據(jù)具體情況具體分析，這里只是舉例說(shuō)明各種含水系統(tǒng)中邊坡破壞的主要方式之一，來(lái)說(shuō)明區(qū)域水文地質(zhì)在邊坡勘查中分析邊坡變形破壞機(jī)理的重要性。另外，補(bǔ)給區(qū)和徑流區(qū)、排泄區(qū)地下水對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響也不同，例如，迎水坡可以看成邊坡處于地下水的補(bǔ)給區(qū)，地下水從坡面向內(nèi)入滲，滲透力與邊坡下滑方向相反，相當(dāng)于增大了阻滑力，對(duì)邊坡穩(wěn)定有利，而在徑流區(qū)和排泄區(qū)，地下水從坡體內(nèi)部往外形成滲流，滲透力與下滑方向相同，相當(dāng)于增大了下滑力，對(duì)邊坡穩(wěn)定大多不利，自然界的滑坡大多數(shù)出現(xiàn)在地下水的排泄區(qū)，這從另一個(gè)方面說(shuō)明了查明水文地質(zhì)條件的重要性。

根據(jù)上面的分析可以看出，不同的含水系統(tǒng)、在邊坡含水系統(tǒng)中不同位置，邊坡變形破壞機(jī)理各有不同，因此在邊坡勘查前，首先要充分收集邊坡所處位置的區(qū)域水文地質(zhì)工程地質(zhì)資料，根據(jù)所掌握的區(qū)域資料，分析邊坡可能的變形破壞機(jī)理，再布置野外調(diào)查和勘察工作。只有在認(rèn)真分析和研究區(qū)域水文地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，才能使勘察工作有針對(duì)性地開(kāi)展，野外工作的目的性也更強(qiáng)，第一手資料收集比較完整，使勘察報(bào)告更加詳實(shí)，而且系統(tǒng)[4]。

1.2 場(chǎng)地水文地質(zhì)條件的影響機(jī)理

場(chǎng)地水文地質(zhì)條件是包括場(chǎng)地內(nèi)及周邊附近地下水的分布、埋藏、補(bǔ)給、徑流、排泄、地下水的水量、水質(zhì)、水溫及地下水形成的地質(zhì)條件的總稱(chēng)。地下水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的破壞作用主要表現(xiàn)為：水位升高增加坡體容重和靜水壓力，增加了下滑力，降低邊坡穩(wěn)定系數(shù)；地下水浸泡坡體，使坡體物質(zhì)的凝聚力和內(nèi)摩擦角降低，阻滑力下降；地下水滲透對(duì)坡體形成沖刷，產(chǎn)生滲透力，相當(dāng)于增加了下滑力；此外，地下水長(zhǎng)期緩慢滲透還會(huì)發(fā)生潛蝕作用，破壞坡體結(jié)構(gòu)，使坡體的貯水能力和導(dǎo)水能增強(qiáng)，從而加速坡體的破壞；地下水的動(dòng)態(tài)變化，也會(huì)打破坡體受力平衡，從而影響邊坡穩(wěn)定。

地下水位升高，增加了巖土體的含水量，使巖土體的天然（或飽和）容重增大，根據(jù)圓弧滑動(dòng)和平面滑動(dòng)兩種下模式進(jìn)行分析，容重增大會(huì)增加下滑力矩（圓弧滑動(dòng)）或下滑力（平面滑動(dòng)），對(duì)邊坡穩(wěn)定性不利，同時(shí)，也會(huì)增加滑動(dòng)面上的法向壓力，增大摩擦力，增加抗滑力矩和抗滑力。從力學(xué)角度計(jì)算算分析，摩擦系數(shù)小于1，滑動(dòng)面的傾角一般小于45°，所以下滑力（矩）增大比例一般都大于抗滑力（矩），因此容重增大總體上對(duì)邊坡穩(wěn)定不利。地下水位升高還會(huì)直接導(dǎo)致坡體內(nèi)靜水壓力增大，面向坡外的靜水壓力對(duì)邊坡破壞極大，它一方面產(chǎn)生靜水壓力，使?jié)撛诓环€(wěn)定體增加下滑力，另一方面，由于水頭升高，坡體內(nèi)地下水的水力梯度增大，滲透速度也隨之增大，增大滲透力，增加了下滑力，同時(shí)也會(huì)加快地下水對(duì)坡體的潛蝕速度，對(duì)邊坡穩(wěn)定極為不利。

地下水浸泡邊坡坡體，由于孔隙中充滿(mǎn)了水，固體顆粒之間的連接被水阻隔，凝聚力降低；水浸泡過(guò)的土體會(huì)軟化，摩擦系數(shù)變小，也就是內(nèi)摩擦角變小。凝聚力和內(nèi)摩擦角直接反映土體自身的強(qiáng)度，在沒(méi)有軟弱結(jié)構(gòu)面等天然滑動(dòng)面的情況下，邊坡土體依靠凝聚力和內(nèi)摩擦角在一定狀態(tài)下（包括坡高、坡度、土體重度、濕度等等）能夠保持自我穩(wěn)定，但如果土體被水浸泡軟化，強(qiáng)度降低，土體內(nèi)部會(huì)形成破裂面，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。

滲透力是邊坡破壞的主要因素之一，它是地下水滲流過(guò)程中作用在巖土上的拖拽力，作用力方向與水流方向一致，大小與水力梯度成正比，在滲透系數(shù)不變的環(huán)境下，水力梯度越大，地下水流速越大，滲透力也越大。滲透力施加在邊坡巖土體上，沿滲流方向自?xún)?nèi)向外對(duì)坡體產(chǎn)生直接的破壞，滲流速度越大，破壞力越強(qiáng)。

在地下水流速非常緩慢的情形下，滲透力微弱，但可以帶走土體中的細(xì)小顆粒，對(duì)坡體產(chǎn)生潛蝕作用，潛蝕一般會(huì)是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，一開(kāi)始這種作用很微弱，甚至不易發(fā)現(xiàn)。隨著時(shí)間的推移，細(xì)小顆粒被地下水帶走逐漸增多，使坡體中的孔隙度逐漸變大，結(jié)構(gòu)變得松散，同時(shí)滲透性增強(qiáng)，地下水流速也變大。所以潛蝕過(guò)后一方面會(huì)破壞坡體本身的結(jié)構(gòu)，另一方面又會(huì)加大地下水的滲透作用，對(duì)坡體產(chǎn)生綜合破壞。“千里之堤，毀于蟻穴”就是這個(gè)意思，“防微杜漸”用于這里也很合適。

地下水的水質(zhì)對(duì)邊坡破壞研究較少，水質(zhì)方面，個(gè)人認(rèn)為要考慮一些有溶蝕性和腐蝕性的地下水在長(zhǎng)期的滲透過(guò)程中對(duì)坡體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，也有一些含膠結(jié)物的地下水可能會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生膠結(jié)作用，比如巖溶水，可能會(huì)形成一些鈣質(zhì)膠結(jié)。對(duì)坡體巖土膠結(jié)可能會(huì)發(fā)展成為邊坡治理的一個(gè)方向，值得探討。

另外，地下水是不斷運(yùn)動(dòng)變化的，而且會(huì)直接接受大氣降水和其他地表水他、地下含水層的補(bǔ)給，水位、水量、滲透流速、水質(zhì)、水溫等參數(shù)都是不斷變化的，也就是說(shuō)地下水動(dòng)態(tài)變化比較大，而這種動(dòng)態(tài)變化也會(huì)對(duì)邊坡產(chǎn)生不利影響。比如前面已經(jīng)闡述了水位升高的、水流加速等方面的影響。所以邊坡勘察時(shí)必須調(diào)查當(dāng)?shù)氐叵滤畡?dòng)態(tài)變化規(guī)律，特別是邊坡破壞區(qū)域地下水動(dòng)態(tài)變化情況以及邊坡破壞時(shí)動(dòng)態(tài)指標(biāo)臨界值，可用于指導(dǎo)地災(zāi)應(yīng)急處理工作，也可根據(jù)臨界值在邊坡治理設(shè)計(jì)時(shí)采取措施降低或消除地下水作用帶來(lái)的風(fēng)。

2 邊坡水文地質(zhì)調(diào)查和勘查的工作方法

邊坡勘查要在收集和分析研究邊坡所處位置的水文地質(zhì)及工程地質(zhì)區(qū)域資料，結(jié)合邊坡變形破壞范圍和破壞特征，在現(xiàn)場(chǎng)踏勘的基礎(chǔ)上，編制詳細(xì)的勘察大綱。大綱的主要內(nèi)容包括目的意義、工作范圍和任務(wù)、工作方法和進(jìn)度安排、質(zhì)量控制措施、需要收集的資料等等，本文簡(jiǎn)單介紹勘察時(shí)各項(xiàng)水文地質(zhì)資料收集以及現(xiàn)場(chǎng)勘察資料收集的工作方法。

現(xiàn)場(chǎng)勘察前，首先要收集區(qū)域水文地質(zhì)和工程地質(zhì)資料和氣象資料，勘察過(guò)程中，要查明場(chǎng)區(qū)含、隔水層的巖性、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、分布和埋藏特征、連通性、富水性，以及地下水的流向、流速、滲透系數(shù)、水力梯度、水質(zhì)、水溫和地下水的動(dòng)態(tài)變化情況。

區(qū)域資料必須依靠收集和分析研究，現(xiàn)有的區(qū)域水文地質(zhì)工程地質(zhì)資料覆蓋面最大的是1：20萬(wàn)區(qū)域水文地質(zhì)工程地質(zhì)調(diào)查報(bào)告，有些縣市還有1：10萬(wàn)的區(qū)域水文地質(zhì)資料，省地質(zhì)檔案館保存最全，部分地質(zhì)勘察單位檔案館一般也有。要認(rèn)真分析研究邊坡在區(qū)域水文地質(zhì)單元中所處位置，預(yù)測(cè)勘查區(qū)的地層、構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、工程地質(zhì)條件等，在此基礎(chǔ)上編制勘察大綱。

氣象因素是誘發(fā)邊坡變形破壞的一個(gè)重要因素，一方面，大氣降水形成的地面流會(huì)對(duì)邊坡造成直接的沖刷，另一方面，大氣降水會(huì)補(bǔ)給地下水，以地下水的方式對(duì)邊坡造成影響，所以邊坡勘察時(shí)必須收集氣象資料。氣象資料需要到當(dāng)?shù)貧庀缶质占越甑馁Y料為主，十年以遠(yuǎn)的氣象資料可作為校核工況參考使用。氣象資料收集時(shí)要特別注意一些極值，比如：最大日降雨量、最大小時(shí)降雨量、極端最低氣溫等，因?yàn)榛伦冃瓮窃跇O端天氣條件下發(fā)生的。地表水與地下水往往較為密切的水力聯(lián)系，而且存在補(bǔ)排關(guān)系，所以研究地下水離不開(kāi)地表水。

勘查區(qū)內(nèi)含、隔水層的巖性、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、分布和埋藏特征可以先依據(jù)區(qū)域資料預(yù)判，然后根據(jù)勘察鉆孔采取的巖心來(lái)驗(yàn)證，在勘察現(xiàn)場(chǎng)做好鉆孔水文地質(zhì)工程地質(zhì)編錄，編錄的內(nèi)容包括分層描述地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖心狀態(tài)特征、孔隙及裂隙的發(fā)育連通情況、鉆孔初見(jiàn)水位、終孔穩(wěn)定水位等，并根據(jù)巖性和構(gòu)造發(fā)育、孔隙和裂隙發(fā)育連通情況來(lái)劃分含水層和隔水層。

含水層的富水性需要根據(jù)勘察鉆孔抽水試驗(yàn)成果計(jì)算得出，鉆探施工過(guò)程中簡(jiǎn)易水文觀測(cè)通過(guò)沖洗液消耗量也能大致判斷含水層和隔水層，根據(jù)孔內(nèi)漏水程度可以大致判斷含水層的富水性，工作經(jīng)驗(yàn)越豐富，判斷越準(zhǔn)確[6]。

地下水的流向一般根據(jù)地下水水頭高低來(lái)判斷，水往低處流，地下水也是由高水頭區(qū)流向低水頭區(qū)，規(guī)模小的簡(jiǎn)單邊坡，地下水流向單一，結(jié)合地形和水頭很容易判斷；大型邊坡地下水埋藏分布條件比較復(fù)雜，邊坡內(nèi)地下水的流向也很復(fù)雜，需要根據(jù)鉆孔終孔穩(wěn)定水位畫(huà)地下水等水位線(xiàn)圖，才能較為準(zhǔn)確判斷邊坡區(qū)內(nèi)的地下水流向。

滲透系數(shù)在含水層可通過(guò)鉆孔抽水試驗(yàn)或注水試驗(yàn)成果計(jì)算得出，基巖裂隙含水層還可通過(guò)鉆孔壓水試驗(yàn)成果計(jì)算得出；透水不含水的地層，可通過(guò)鉆孔注水試驗(yàn)成果計(jì)算得出，也可通過(guò)試坑滲水試驗(yàn)成果計(jì)算得出；弱透水的第四系含水層可通過(guò)變水頭鉆孔注水試驗(yàn)成果計(jì)算得出。

水力梯度代表單位滲透距離的水頭變化，根據(jù)地下水等水位線(xiàn)圖，可以很方便計(jì)算得出。地下水的流速等于水力梯度和滲透系數(shù)的乘積。有了水力梯度、流速等數(shù)據(jù)，就可以計(jì)算滲透力，滲透力等于水力梯度、地下水容重和坡體體積三者之積。水質(zhì)要通過(guò)采取地下水樣分析得出，需要提醒一下的是，采取侵蝕性分析水樣時(shí)，需要添加適量的碳酸鈣粉，另外，取樣量也要按照規(guī)范規(guī)定取足。

地下水動(dòng)態(tài)資料，對(duì)于勘察期很短的情況，需要通過(guò)調(diào)查訪(fǎng)問(wèn)大致得出，對(duì)于勘察期長(zhǎng)的大型邊坡，須選擇部分勘察孔作為長(zhǎng)期觀測(cè)鉆孔，通過(guò)定期和不定期觀測(cè)得出，這里說(shuō)的不定期觀測(cè)，主要是指根據(jù)大氣降雨或其他對(duì)地下水動(dòng)態(tài)有顯著影響因素發(fā)生變化的情況下，視情況加密觀測(cè)。如果條件允許，可以考慮保留部分長(zhǎng)觀孔，到治理工程結(jié)束后繼續(xù)觀測(cè)，許多邊坡變形破環(huán)都是在地下水環(huán)境發(fā)射急劇變化的條件下發(fā)生的，通過(guò)對(duì)這些長(zhǎng)觀孔地下水位等參數(shù)的觀測(cè)，可以起到監(jiān)測(cè)預(yù)警的效果，根據(jù)觀測(cè)結(jié)果和現(xiàn)實(shí)發(fā)生的情況分析對(duì)比，在今后的地災(zāi)防治工作還有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

以上闡述只是邊坡勘察過(guò)程中常用的水文地質(zhì)勘察方法，目的是取到拋磚引玉的效果，工作中遇到的是各種不同地質(zhì)環(huán)境條件邊坡，需要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)確定有針對(duì)性的勘察措施，具體問(wèn)題具體分析，切不可生搬硬套，以免貽誤大家。

3 結(jié)語(yǔ)

巖土力學(xué)研究的三大問(wèn)題包括巖土的強(qiáng)度、變形和滲透，而這三者均與地下水密切相關(guān)，所以在巖土工程勘察、特別是邊坡巖土工程勘察中，需要非常重視水文地質(zhì)勘察工作。本文是在翻閱了許多的勘察成果資料的基礎(chǔ)上，自認(rèn)為以往大多數(shù)巖土勘察成果中水文地質(zhì)方面重視程度不足，想給大家提個(gè)醒，所以就寫(xiě)了這篇不夠成熟的文字，供大家參考。

限于本人知識(shí)的局限性和時(shí)間關(guān)系，文中內(nèi)容顯得零散，沒(méi)有全面系統(tǒng)地闡述，望大家見(jiàn)諒。