公路邊坡工程施工中地下水指標(biāo)取值范圍探討

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(云南省交通科學(xué)研究院/云南省交通工程試驗(yàn)檢測(cè)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650000)

公路邊坡工程施工中地下水指標(biāo)取值范圍探討

魯婷，肖強(qiáng)，孫文杰，劉宇

(云南省交通科學(xué)研究院/云南省交通工程試驗(yàn)檢測(cè)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650000)

地下水對(duì)邊坡工程的穩(wěn)定性和施工安全性有著重要影響，針對(duì)《高速公路路塹高邊坡工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南》中地下水指標(biāo)的取值范圍展開(kāi)討論，分析地下水影響機(jī)制并采用Geo-Slope數(shù)值模擬三類邊坡類型的地下水位線對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，得出結(jié)論，(1)《指南》中對(duì)地下水指標(biāo)的定義是模糊的；(2)地下水位位于邊坡中部及其以下時(shí)，地下水位的上升對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響不大，施工安全風(fēng)險(xiǎn)較低；水位高于邊坡中部后，其對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響顯著增強(qiáng)，施工安全風(fēng)險(xiǎn)亦然。(3)建議將地下水水位作為分級(jí)取值依據(jù)，并將邊坡中部及其以下劃為一級(jí)，邊坡中部以上根據(jù)線性插值進(jìn)行分級(jí)。

路塹高邊坡；地下水；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；施工安全；穩(wěn)定性

近年來(lái)，公路、鐵路隧道及橋梁等工程施工過(guò)程中逐漸引入了施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估制度，相關(guān)的研究工作也日益增多，人們提出了多種風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估準(zhǔn)則、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法和風(fēng)險(xiǎn)控制措施[1,2]，用以規(guī)范管理施工過(guò)程，避免施工過(guò)程中出現(xiàn)安全事故。2014年12月交通運(yùn)輸部發(fā)布了《高速公路路塹高邊坡工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南》(以下簡(jiǎn)稱《指南》)，指出列入國(guó)家和地方基本建設(shè)計(jì)劃的新建、改建、擴(kuò)建的高速公路，在工程實(shí)施階段應(yīng)進(jìn)行路塹高邊坡施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并且推薦了由坡高、坡比、地層巖性、坡體結(jié)構(gòu)、地下水等11項(xiàng)指標(biāo)組成的量化評(píng)估方法——指標(biāo)體系法[3]。然而，在實(shí)際工程評(píng)估過(guò)程中，由于對(duì)各個(gè)指標(biāo)的理解和應(yīng)用存在差異性，同一邊坡的評(píng)估結(jié)果往往因人而異，例如《指南》中的“地下水”一指標(biāo)，其推薦的相關(guān)取值范圍是值得進(jìn)一步討論的，本文旨在通過(guò)分析和建立數(shù)值模擬，總結(jié)使用《指南》過(guò)程中應(yīng)注意的地方，希望對(duì)廣大同行的使用提供一定的參考價(jià)值。

1 地下水指標(biāo)取值范圍

《指南》將邊坡施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分為總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和專項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。本文主要討論總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估?？傮w風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系由建設(shè)規(guī)模(坡高、坡比)、地質(zhì)條件(地層巖性、坡體結(jié)構(gòu)、地下水)、誘發(fā)因素(施工季節(jié)、自然災(zāi)害)、施工環(huán)境(工程措施、周邊環(huán)境)、資料完整性(地質(zhì)資料、設(shè)計(jì)文件)五類共11個(gè)指標(biāo)組成。11個(gè)指標(biāo)分別從邊坡穩(wěn)定性和施工安全性兩個(gè)方面來(lái)綜合評(píng)價(jià)邊坡的總體評(píng)估分值。

1.1 地下水對(duì)邊坡土體作用

地下水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響是毋庸置疑的。地下水對(duì)邊坡巖土體的作用主要體現(xiàn)在[4]：

(1)增加邊坡巖土體自重。地下水儲(chǔ)存于邊坡巖土體孔隙中，相比于地下水水位線以上的巖土體，重量明顯增加，該部分對(duì)邊坡坡體下滑力貢獻(xiàn)較大。

(2)降低土體抗剪強(qiáng)度。大量研究表明，地下水降低了土體的內(nèi)摩擦角和粘聚力，降低了土體的強(qiáng)度。

(3)靜水壓力作用。靜水壓力值是由地下水水位決定的，水頭越大，壓力就越大，對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響就越嚴(yán)重。靜水壓力能增大滑動(dòng)力和減小摩擦阻力，會(huì)降低巖體結(jié)構(gòu)面有效抗剪強(qiáng)度，從而對(duì)邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響[5]。

(4)軟化、泥化作用。地下水對(duì)邊坡巖體具有明顯的軟化、泥化作用，對(duì)邊坡中存在的軟弱夾層作用尤為明顯。順傾的軟弱夾層受地下水軟化后，摩擦力銳減，邊坡抗滑力大大減小，極可能造成邊坡失穩(wěn)。

1.2 地下水指標(biāo)取值范圍劃分

在總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，《指南》將地下水指標(biāo)歸為地質(zhì)條件類，將其視為控制邊坡穩(wěn)定性重要指標(biāo)，將其取值范圍劃分為四個(gè)級(jí)別，見(jiàn)表1。

表1 總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估地下水指標(biāo)取值

說(shuō)明：根據(jù)地下水的分布范圍和地下水的類型及邊坡體的儲(chǔ)水構(gòu)造確定?；鶐r承壓水取大值，基巖裂隙和土層孔隙潛水取小值。

(1)表1中所指的“地下水”定義需要進(jìn)一步明確，泛指地下水水位還是特指地下水露頭(如泉水)，兩者間是有一定的區(qū)別的。地下水水位通常由鉆孔揭露，在邊坡開(kāi)挖面是比較難見(jiàn)到的，除非開(kāi)挖坡腳原處于地下水水位以下；地下水露頭多數(shù)情況下也不會(huì)出現(xiàn)，一般是具有明顯隔水作用的地層將地下水阻隔后從坡面流出或滲出，這種情況下，巖性分界面可能發(fā)展成為邊坡失穩(wěn)的潛在滑移面。

(2)表1中分級(jí)與分值的對(duì)應(yīng)關(guān)系。邊坡上部有地下水時(shí)，分值較低；邊坡下部有地下水時(shí)，分值較高。即如果該地下水是指地下水水位，則可理解為地下水水位越低，邊坡穩(wěn)定性越差，分值越高；地下水水位越高，邊坡穩(wěn)定性越差，分值越低。如果是該處地下水是指地下水露頭，將其理解為露頭以上坡體發(fā)生破壞，則露頭出露越高，分值越低；露頭出露越低，分值越高。

顯然經(jīng)討論，表1中對(duì)于地下水的理解定義是不明確的。

2 分析討論

2.1 地下水露頭

天然邊坡上有地下水出露，表明地下水存在較為完整的補(bǔ)徑排途徑。不管是以點(diǎn)狀、線狀或是股狀出露，在坡體后側(cè)均存在穩(wěn)定的補(bǔ)給源，地下水通過(guò)徑流到達(dá)坡面位置由于地形限制或者隔水巖組的阻隔便向坡體外排出?？蓮膬蓚€(gè)方面對(duì)其進(jìn)行分析：

(1)地下水出露影響施工。天然斜坡經(jīng)過(guò)開(kāi)挖后，由于存在穩(wěn)定的補(bǔ)給，流量并不會(huì)明顯減小，在一定程度上影響了施工安全。

圖1 邊坡地下水出露示意圖

(2)地下水出露影響邊坡穩(wěn)定性。如圖1所示，邊坡是由松散堆積層、泥巖以及砂巖組成，地下水遭到泥巖阻隔，出露于坡面。地下水在滲流沖刷作用下，帶走上部松散堆積體和基巖接觸面的充填物和膠結(jié)物，磨平基巖接觸面的粗糙巖面，降低摩擦系數(shù)。此外，基巖接觸面物質(zhì)在受到地下水的沖刷、浸泡后，發(fā)生軟化、泥化。從而使得松散堆積層巖如圖1所示潛在滑移面1發(fā)生滑動(dòng)。地下水出露的位置越高，可能發(fā)生滑動(dòng)的部分越少，風(fēng)險(xiǎn)越小。

地下水的露頭也可以理解為在該處的地下水水位，在露頭下部，可以將坡體巖體視為飽水狀態(tài)。坡體開(kāi)挖后，一方面天然應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化，可能產(chǎn)生如圖1所示的潛在滑移面2，發(fā)生整體性的滑動(dòng)。

2.2 地下水水位線對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響

地下水水位線的位置對(duì)邊坡穩(wěn)定性具有較大影響。為了進(jìn)一步論證地下水水位線與邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系，本文利用Geo-Slope軟件分別對(duì)類均質(zhì)邊坡、順傾層狀邊坡和反傾層狀邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬分析。為了方便結(jié)果的比較，本文采用了簡(jiǎn)化畢肖普法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較研究。

2.2.1 類均質(zhì)邊坡

計(jì)算模型采用文獻(xiàn)6中的模型參數(shù)：選用1:1.5均質(zhì)土坡，坡高為10 m，粘聚力c=8 kPa，內(nèi)摩擦角φ=20°，γ=18.5 kN/m3，土體位于地下水水位以下時(shí)γsat=20 kN/m3，地下水水位根據(jù)表1分級(jí)范圍進(jìn)行調(diào)整，指定滑面出入口位置進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

(a)地下水水位線位于邊坡下部 (b)地下水水位線位于邊坡中下部

(c)地下水水位線位于邊坡中上部 (d)地下水水位線位于邊坡上部

圖2地下水水位對(duì)類均質(zhì)邊坡穩(wěn)定性影響模擬

如圖2所示，邊坡安全系數(shù)K隨著地下水水位的增高而變小，表明隨著地下水水位的增高邊坡發(fā)生破壞的可能性越大，施工風(fēng)險(xiǎn)也逐漸增高。此外，由圖中可以看出，地下水水位由邊坡下部到邊坡中部，對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響是較小的，而從中部到上部，安全系數(shù)發(fā)生驟降，表明在類均質(zhì)土坡中，地下水水位對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響不是均勻變化的，而是先平緩后升高。由此來(lái)看，對(duì)于類均質(zhì)土坡，《指南》中地下水指標(biāo)的取值范圍不應(yīng)是均勻劃分，而是應(yīng)該存在一定的梯度關(guān)系。

2.2.2 順傾層狀邊坡

計(jì)算模型為昆磨高速公路小勐養(yǎng)至磨憨段改擴(kuò)建工程第1標(biāo)段某邊坡實(shí)例。該邊坡坡高44.7 m，設(shè)計(jì)坡比為1:0.75，邊坡是由粉質(zhì)粘土、強(qiáng)風(fēng)化泥巖及中風(fēng)化泥巖組成的順傾層狀邊坡，坡體巖土物理力學(xué)參數(shù)取值見(jiàn)表2。

地下水水位根據(jù)表1分級(jí)范圍進(jìn)行調(diào)整，指定滑面出入口位置進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

表2 邊坡巖土物理力學(xué)參數(shù)取值

(a)地下水水位線位于邊坡下部 (b)地下水水位線位于邊坡中下部

(c)地下水水位線位于邊坡中上部 (d)地下水水位線位于邊坡上部

圖3地下水位對(duì)順傾層狀邊坡穩(wěn)定性影響模擬

如圖3所示，地下水位位于邊坡下部時(shí)，邊坡安全系數(shù)為1.214；位于邊坡中下部時(shí)，邊坡安全系數(shù)為1.204；位于邊坡中上部時(shí)，邊坡安全系數(shù)為1.128；位于邊坡上部時(shí)，邊坡安全系數(shù)為1.086。由此例可以看出，順傾層狀邊坡中，隨著地下水位的增高，邊坡安全系數(shù)逐漸減低，且當(dāng)?shù)叵滤辉龈叩竭吰轮胁恳陨虾?，邊坡安全系?shù)下降速度增快。這個(gè)特征與類均質(zhì)土坡是類似的。

2.2.3 反傾層狀邊坡

計(jì)算模型為昆磨高速小勐養(yǎng)至磨憨段改擴(kuò)建工程第七標(biāo)段某邊坡實(shí)例。該邊坡坡高68.9 m，設(shè)計(jì)坡比為1:0.75，邊坡是由粉質(zhì)粘土、泥巖、砂巖及安山巖組成的反傾層狀邊坡，坡體巖土物理力學(xué)參數(shù)取值見(jiàn)表3。

為了便于比較，本例證同樣采用類均質(zhì)土坡和順傾層狀邊坡類似，地下水水位根據(jù)表1分級(jí)范圍進(jìn)行調(diào)整。指定滑面出入口位置進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。以下為模擬結(jié)果。

表3 邊坡巖土物理力學(xué)參數(shù)取值

如圖4所示，地下水位位于邊坡下部時(shí)，邊坡安全系數(shù)為1.001；位于邊坡中下部時(shí)，邊坡安全系數(shù)為0.983；位于邊坡中上部時(shí)，邊坡安全系數(shù)為0.976；位于邊坡上部時(shí)，邊坡安全系數(shù)為0.897。與類均質(zhì)土坡和順傾層狀邊坡極其類似的是，反傾層狀邊坡中，隨著地下水位的增高，邊坡安全系數(shù)逐漸減低，且當(dāng)?shù)叵滤辉龈叩竭吰轮胁恳陨虾?，邊坡安全系?shù)下降速度增快。

三種結(jié)構(gòu)類型邊坡的模擬計(jì)算結(jié)果表明：隨著地下水位的升高，邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)隨之降低[6]，并且地下水位的變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，即地下水位位于邊坡中部及以下時(shí)，地下水位的上升對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響不大，水位高于邊坡中部后，其對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響顯著增強(qiáng)。

因此，如若表1中“地下水”是指地下水水位，那么分級(jí)可以將邊坡中部及其以下劃分為一級(jí)，邊坡中部以上則可用線性插值進(jìn)行劃分。

(a)地下水水位線位于邊坡下部 (b)地下水水位線位于邊坡中下部

(c)地下水水位線位于邊坡中上部 (d)地下水水位線位于邊坡上部

圖4地下水位對(duì)反傾層狀邊坡穩(wěn)定性影響模擬

3 結(jié)語(yǔ)

地下水是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素之一，本文針對(duì)《指南》中地下水指標(biāo)的取值范圍展開(kāi)討論，通過(guò)分析和模擬計(jì)算，得出以下結(jié)論：

(1)《指南》中地下水指標(biāo)的取值范圍是具有爭(zhēng)議的，如果其代表的是地下水露頭，則在實(shí)際評(píng)估中具有片面性，且在理論上使用它的分級(jí)取值是存在矛盾的；如果其指代的是地下水水位，那么通過(guò)模擬計(jì)算表明，表1中取值是有誤的。

(2)地下水位的變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，即地下水位位于邊坡中部及其以下時(shí)，地下水位的上升對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響不大，施工安全風(fēng)險(xiǎn)較低；地下水水位高于邊坡中部后，其對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響顯著增強(qiáng)，施工安全風(fēng)險(xiǎn)亦然。

(3)建議將地下水水位作為分級(jí)取值依據(jù)，并將邊坡中部及其以下劃為一級(jí)，邊坡中部以上根據(jù)線性插值進(jìn)行分級(jí)。

[1]鞏春領(lǐng).大跨度斜拉橋施工風(fēng)險(xiǎn)分析與對(duì)策研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué).2008.

[2]姚宣德.淺埋暗挖法城市隧道及地下工程施工風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估[D].北京:北京交通大學(xué).2009.

[3]中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.高速公路路塹高邊坡工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南[S].2014.12.

[4]胡憲銘.水對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響及其防治[J].金屬礦山.2009.11(增刊):736-739.

[5]買(mǎi)合木提·巴拉提.動(dòng)水條件下破損巖體邊坡變形破壞機(jī)理與應(yīng)用研究[D].烏魯木齊:新疆農(nóng)業(yè)大學(xué).2013.

[6]張衛(wèi)民,陳蘭云.地下水位線對(duì)土坡穩(wěn)定的影響分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào).2005.24(增2):5319-5322.

Discussionontherangeofgroundwaterindexesinhighwayslopeengineeringconstruction

LUTing，XIAOQiang，SUNWen-jie，LIUYu

(Yunnan Key Laboratory of traffic engineering test and detection/Yunnan Traffic Science Research Institute, Yunnan,Kunming, 650000, China)

Groundwater has an important influence on the stability and construction safety of slope engineering, This paper discusses the range of groundwater indexes in 《Guide for construction safety risk assessment of highway cutting high slope》, analyses the influence mechanism of groundwater, and the influence of groundwater level of three types of slopes on slope stability is analyzed by Geo-Slope. Draw a conclusion, (1) the definition of groundwater indicators in 《the guide》 is vague; (2)Underground water level located in the middle and below of the slope, the rise of groundwater has little effect on the slope stability, construction safety risk is low; the water level is higher than the middle of the slope and its influence on slope stability was significantly enhanced, the same is true of construction safety risk.(3) It is suggested that the groundwater level be taken as the basis for grading and the middle part of slope and its following are classified as grade one, above the slope is graded according to the linear interpolation.

high cut slope；groundwater；risk assessment；construction safety；stability

P641.74

A

1004-1184(2017)05-0048-03

2017-05-04

魯婷(1990-)，女，云南昭通人，助理工程師，主要從事公路工程研究工作。