基于監測數據的硬質巖路塹邊坡地下水分布特征與防滲效果評價

趙仲珩，陳志堅

(河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 211100)

隨著我國現代化建設的發展，工程邊坡的數量與日俱增。這些邊坡的穩定性關系著工程的成敗與人民的生命財產安全。影響邊坡穩定的因素復雜多樣，而水的作用是邊坡穩定性評價中不可忽視的重要因素，地下水的賦存與運移往往成為邊坡失穩的誘發因素[1-2]。對于巖質邊坡，地下水補給來源為降雨入滲補給且主要賦存于各類裂隙中，地下水對巖質邊坡穩定的影響更為關鍵。巖質邊坡相較于土質邊坡在物質構成上并無本質區別，但巖質邊坡中存在大量的裂隙、節理、斷層等結構面，具有明顯的結構性，其穩定性相較于受巖性影響外，更受到巖體結構的控制[3]。邊坡巖體在多種外營力共同作用下發生漸進性演變，而降水和地下水作用是促進這一過程的核心因素[4]。地下水對巖質邊坡的作用可以概括為幾個方面[5-9]：(1)水-巖物理化學作用；(2)靜水壓力；(3)動水壓力；(4)巖土體及結構面的軟化；(5)巖土體含水量和容重的增大。周志芳等[10]分析了次降雨下地下水動態資料，計算得到的邊坡穩定系數隨地下水位同步變化且遲后于降雨。曾芮等[11]通過數值模擬得出：強降水作用使得巖體后緣裂隙快速充水，對巖體產生向外推力，是巖體崩塌傾倒破壞的重要直接誘因。張勃成等[12]將計算模型與實例結合，論述了水力作用是誘發邊坡失穩的重要因素。

對于某些地質條件復雜的邊坡，邊坡內部力學作用復雜，加上降雨等環境因素的影響，邊坡巖土體的力學參數和穩定狀態并非一成不變的，從而難以確定，邊坡安全監測在邊坡工程中具有重要意義[13]。沈強等[14]分析抗滑樁加固邊坡的監測成果，發現邊坡形成了第二滑動面，并指出較大變形出現在雨季。陳強等[15]通過對公路邊坡的測縫計、地下水位數據分析，驗證了地下水對邊坡穩定的影響，判斷邊坡存在滑坡危險。為此，依托連云港中云臺山路塹左坡巖質高邊坡噴錨支護工程開展實測研究。

1 工程概況

中云臺山路塹左邊坡開挖坡面產狀為NE52°/NW∠55°，高速公路從一埡口處橫穿中云臺山山脈，路面標高15～17 m，路左側山頂標高289.2 m。本文研究的左坡2010年6月開挖完成，人工坡高(即開挖深度)約200 m、總體坡度為42.4°。邊坡布置20級臺階，每級坡高10 m，除第一級臺階坡度為76°，第二十級臺階坡度為49°外，從第二至十九級臺階坡度均為55°，臺面寬度為3 m(其中有4個平臺臺面寬度為9 m)，如圖1所示。

圖1 左邊坡坡度示意圖Fig.1 Schematic diagram of the left-side slope

左邊坡于2010年6月完成開挖和坡面噴錨支護，巖體巖性以二長淺粒巖為主，屬堅硬巖。中云臺山路塹段并無明顯的斷層標志和現象，主要軟弱結構面為綠泥石片巖夾層，主要結構面為片理面和構造裂隙。巖體發育有片理，片理產狀NE40°～60°/SE∠10°～30°。邊坡夾有數條綠泥片巖軟弱夾層(間距大約30～50 m)，產狀NE15°/SE∠28°，在邊坡中起隔水作用。

巖體發育的裂隙主要有3組：Ⅰ組：NW300°～320° /NE、SW∠70°～88°陡傾角裂隙，走向與坡面近正交，屬陡傾角大裂隙，延伸幾十米到幾百米，而且切割深、裂隙面平直、產狀穩定、多呈微張到閉合、無充填，它控制了區內天然邊坡陡坎和危巖的分布；Ⅱ組：NE30°～40°/ NW、SE∠70°～88°陡傾角裂隙，走向與坡面近平行，傾向坡內或坡外，作為主要裂隙，其規模相對較小，延伸長度多在十幾米到幾十米，左邊坡兩側為廢棄采石場，可見其切割深度幾米到十幾米，其間距也較Ⅰ組大，沿裂隙面存在蝕變現象，在地表多表現為沖刷深槽，深槽寬度可達30～40 cm，深度可達1～3 m，可見該組裂隙對巖體結構、抗沖蝕和風化能力以及巖體透水性影響較大；Ⅲ組：NE10°～20°/NW∠36°～45°壓性小斷層，走向與坡面近平行，傾向坡外，屬傾向坡外的順向結構面，在坡面稀疏分布，間距60～70 m。

路塹邊坡左坡地下水系統靠降雨入滲補給。開挖坡面經細石混凝土噴護并設有排水孔，各級平臺均設有截排水溝，左坡主要補給途徑為上部天然坡面殘坡積層與強風化帶孔隙水下滲補給、陡傾角裂隙直接下滲補給。基巖裂隙發育，NW向裂隙為地下水向下滲流提供了有利條件，下滲地下水滲流至反傾綠片巖夾層處，地下水向下運移受阻，在綠片巖夾層頂部富集后易沿NE向裂隙向邊坡兩端滲流并排泄于邊坡兩側的天然坡面，尤其是南端廢棄采石場開挖面。在2020年1月現場調查中，對坡面排水孔滲水情況和坡面混凝土噴層水跡的調查結果符合上述邊坡地下水滲流與排泄特征。

2 地下水監測技術與測點布置

由于邊坡高陡，且存在結構面不利組合，地下水往往是邊坡穩定性的重要控穩因素之一，為防止掉塊產生的落石危害高速公路安全運營，地下水及滲透壓力監測是路塹邊坡的重要監測內容。前文已論述該邊坡地下水的分布和滲流嚴格受控于NW向陡傾角裂隙、NE向陡傾角裂隙和傾向坡內的綠片巖夾層，為確保監測質量，采用在綠泥石片巖上部布置斜向觀測孔的方法，左邊坡地下水監測系統設有12套滲壓計，具體布置情況見表1、圖2、圖3。

圖3 滲壓計分布示意圖Fig.3 Schematic diagram of distribution of pressure meter

表1 滲壓計布置情況表Tab.1 Layout table of pressure meter

圖2 斜向布置滲壓計示意圖Fig.2 Schematic diagram of inclined layout of pressure meter

其中，滲壓計采用美國基康公司生產GK4500—350 kPa型振弦式滲壓計，傳感器長133 mm，直徑為19.1 mm量程為35 m水頭壓力，最小靈敏度為0.025% F.S.，精度為±0.1% F.S.，工作溫度為-20℃～+80℃可同時自動觀測不同深度的地下水滲透壓力和地下水溫度，傳感器所在位置測得壓力可換算成等壓力水柱高度再換算為地下水位高程[16]，計算公式為：

(1)

式中：G為滲壓計率定系數，m/Hz2；K為溫度修正系數，m/℃，f0為傳感器埋設時初始頻率，Hz；fi為第i時刻時實測頻率，Hz；t0為傳感器埋設時初始溫度，℃；ti為第i時刻時實測溫度，℃；H0為滲壓計初始埋設高程，m。

3 地下水位實測結果分析

取2018年10月9日—2019年10月8日的監測數據進行計算，結果見表2，下面將對各平臺監測數據進行分析。

表2 各測點監測期內地下水位動態Tab.2 Groundwater level dynamics during the monitoring period of each measurement point

194平臺為路塹邊坡中最高的開挖坡面平臺，靠近邊坡頂部大面積的天然坡面，易受上部天然坡面殘坡積層與強風化帶孔隙水下滲補給，地下水位受大氣降水影響明顯，全年地下水位變化幅度達5.97 m。在2021年12月的現場調查中發現細石混凝土出現老化破損，噴層出現隆起、剝落，坡面裂縫發育且被鈣質析出物充填，裂縫滲水痕跡明顯，如圖4所示，坡面細石混凝土噴層的老化破損率呈現逐年增大趨勢，混凝土噴層架空、噴層下石渣淘蝕問題逐漸顯現，降雨入滲補給和坡內滲流作用增強，不利于路塹邊坡穩定。

圖4 194平臺開裂坡面Fig.4 194 cracking slope of the platform

統計各平臺滲壓計監測期水位增量，如圖5(a)所示，對路塹邊坡垂向地下水特征進行研究。在降雨量較少的2018年10月—2019年5月，各平臺地下水位整體呈下降趨勢，路塹邊坡中部綠片巖夾層與NE向結構面發育，地下水易于沿結構面水平向運移向廢棄采石場天然坡面排泄，故SYL942測點地下水下降速度較快，下降量明顯大于其他平臺測點。在2019年6月—8月豐水季斷續性長歷時強降水影響下，各監測點地下水位呈上升趨勢，在連續降雨后地下水位明顯抬升，且各平臺地下水位增長與降雨存在有規律的滯后，距離天然坡面越遠的監測點，其滯后時間越長，而雨后，地下水位能夠較快消散，說明邊坡內部排水通暢。這表明了中下部坡面細石混凝土噴層完整度高，截滲能力強，坡內地下水主要接受坡面降雨入滲和邊坡上部地下水徑流補給，邊坡中下部測點受邊坡上方地下水徑流影響明顯，坡體內以NW向陡傾角裂隙主的垂向的滲流通道順暢。

134平臺分別在邊坡北部、中部、南部埋設SYL1341、SYL1342、SYL1343測點，監測邊坡120～134 m部分地下水位變化，如圖5(b)所示，故以134平臺測點為例，對路塹邊坡水平方向地下水特征進行研究。圖5結果表明，該平臺北側的地下水滲透壓力水頭高程高于南側，北部監測點地形陡峻且遠離坡頂的天然坡面，由于錨噴細石混凝土的截滲作用，該區域地下水位受大氣降水的影響極弱、整個水文年地下水位均較穩定，表明錨噴細石混凝土阻隔了大氣降水入滲坡體的通道，地下水整個監測期均處于穩定狀態，這對邊坡穩定是極其有利的。SYL1342、SYL1343測點全年地下水位變化趨勢一致，且中部測點地下水位始終高于南部測點約3 m，這與片理的產狀分布相一致。SYL1343監測期內地下水變化幅度為5.72 m高于SYL1342的5.10 m，且SYL1343擁有更快地下水位變化速度，這表明了：南部廢棄采石場天然坡面為路塹邊坡重要的地下水排泄區域；邊坡越靠近南部，地下水滲流越大。根據路塹邊坡勘察報告，路塹邊坡南采石場天然坡面NE向裂隙發育，巖石破碎、鐵錳質渲染明顯，這與上述結果吻合。

圖5 邊坡地下水位變化圖Fig.5 Variation diagram of slope groundwater level

94平臺除SYL942測點外，其余測點遠離排泄區域和能夠接受降雨入滲補給的天然坡面，地下水位受大氣降水的影響表現為明顯的季節性，與短歷時降雨過程的相關性較弱，而雨后的地下水位消散過程緩慢，且表現為季節性消散，SYL942位于SYL1342正下方，兩測點間水力聯系強，邊坡中部存在大滲流量的垂向滲流通道，推測為路塹邊坡南部54～124 m高程的邊坡巖體存在傾倒變形現象，邊坡巖體透水性增強，地下水不易大量聚集。總體上看94平臺細石混凝土噴層截滲能力強，對邊坡穩定有利。

54平臺測點監測結果與134平臺相似，平臺北部、中北部與中南部測點遠離路塹邊坡外圍的天然坡面，細石混凝土錨噴防護截滲后，該區域地下水受大氣降水影響很小，地下水位較穩定。SYL544測點因臨近路塹邊坡南側采石場且測點分布高程已低于南側廢棄采石場底部，故該區域地下水位受大氣降水影響明顯，細石混凝土噴層完整度高，截排水效果好，有利于坡腳的安全穩定。

4 結論

1)路塹邊坡地下水主要接受降雨入滲補給，邊坡頂部天然坡面、上部平臺及南側容易接受降雨入滲補給，降雨后各平臺地下水增長存在規律性滯后，越低的平臺降雨過后，路塹邊坡內部地下水位越能夠快速消散，表明路塹邊坡內部排水通暢。

2)路塹邊坡、遠離路塹邊坡輪廓線的區域，地下水位受大氣降水的影響表現為明顯的季節性，與降雨過程較弱，據此判斷，這些區域的坡內地下水主要接受邊坡上部地下水徑流補給。

3)本監測期降雨量較少，結合十年來的監測數據，判斷左邊坡坡面以下約30 m深度范圍為透水性強，雖然路塹邊坡地下水貧乏，但在豐水季節，邊坡約30 m深度范圍內仍間歇性賦存豐富的地下水。即使地下水貧乏，滲透壓力仍對邊坡變形產生較大影響

4)路塹邊坡南部的地下水位變化受路塹邊坡南側外圍天然坡面降雨入滲和廢棄采石場排泄作用的影響顯著，降雨后，地下水位能夠快速消散，表明邊坡滲流通道發育，這對位于其下方的84～124 m高程平臺之間的三角體抗滑穩定是不利的。

5)雖然路塹邊坡細石混凝土噴層整體上較完整，整體截滲、排水能力較好，但滲流量較大的194平臺、134平臺南端等區域坡面噴層老化破損率逐年上升，部分坡面出現噴層隆起、剝落，長期來看不利于地下水位的穩定和邊坡的安全，應繼續加強對邊坡地下水滲透壓力的監測。