地下水与降雨对边坡地下渗流场的影响

李 尚 军

(太原市地质环境监测站，山西 太原 030009)

1 工程背景

1.1 工程地质概况

某工程建设场地的地貌类型属构造剥蚀中、高山区，植被较发育，基岩局部裸露。拟建场地两侧为走向北西的山岭，中间是一狭长的槽谷地形，槽谷横断面呈“U”形，两侧山体的坡角在30°～40°之间，槽谷中较平缓；槽谷的纵坡角5°～20°，斜长约750 m，宽约120 m～180 m，总面积146 600 m2。拟建场地南部以通往滑雪场的公路为界，北部的温水河为该场区最低侵蚀标准面。拟建场区高程1 639.03 m～1 823.52 m，最大高差约184.49 m,见图1。

根据本次钻探揭露情况，对下伏基岩上统(Ptsh)的白云岩及板岩按其风化程度差异分为第③-1层强风化白云岩，第③-2层弱风化白云岩，第④-1层强风化板岩，第④-1层弱风化板岩。

该施工场区在地质构造上为淮阳山字状构造西翼，由于该区域在历史上地质活动较为频繁，所以该区域褶皱构造以及断裂构造是比较发育的。而场区周边的区域性构造主要为有一条东西走向的九道—阳日大断裂带和一条北东走向的新华大断裂带，北西走向的板桥大断裂带和九冲大断裂带，规模较小的尚有呈北西走向的黄家坪断层，长方断裂，大洛溪断层、大坪断层等。研究区域位于这些断裂构造夹持的相对稳定的区域内，大断裂带未在场地区域内穿插而过。研究区域为单斜构造，地层产状为：倾向约为286°～291°，倾角约为41°～46°，岩层内节理裂隙较发育。

1.2 水文地质条件

研究区域北侧的河流为附近唯一的地表水体，河宽约12 m～25 m，水深0.80 m～2.00 m，平均坡降约15‰，一般流量约为2.62 m3/s，总体特点为：水量汇流较快，历时较短，容易暴涨暴落，有典型的山区河流特征。根据调查访问，其最大洪水位约为1 640 m。另外，边坡东西两侧均有小冲沟，平时水量较小，雨季时为坡体主要排水通道。排泄斜坡上的地表水和地下水，其流量约0.02 m3/s。

根据场地内出露的基岩的地层岩性和地下水在该场区含水介质中的赋存条件，以及水动力特征等因素，边坡区地下水类型可分为松散土层孔隙水、基岩裂隙水两大类。由于冲沟的切割，浅层孔隙水及基岩裂隙水主要作纵向径流，通过冲沟排泄出区外。区内地下水更多受地形、地貌控制，多具有就地补给，就地排泄的特点。经调查，在拟建场地中有4处泉水出露。总体来说，地下水较丰富。

1.3 地震活动

根据国家地震局及有关地质资料，在距研究区域200 km范围内，自有史料记载讫今共发生Ms≥4.7级地震57次。这些地震活动的基本特点是：强度小，频度低，震源浅。据统计，这些地震对研究区域的影响烈度均小于6度。

根据GB 18306—2001中国地震动参数区划图，研究区域及邻近地区的地震动峰值加速度为0.05g，按1990年国家地震局颁布的《中国地震烈度区划图》查看后显示，本区的基本地震烈度为6度。

2 地下水及降雨对该边坡影响的数值模拟研究

为进一步分析和研究在地下水及降雨情况下，研究区域不稳定边坡的变形机理，本文在假定部分特征参数情况下，利用MODFLOW模拟软件，对该边坡在地下水和降雨所产生的不同渗流场情况进行了模拟，对该边坡有可能形成滑坡的变形机理进行了分析[1-3]。

2.1 基于MODFLOW的边坡的建模处理

通过前期地质勘查成果资料可知，开挖形成的边坡大体上可分为3层[4]。

3)第③层为基岩，其主要为灰～灰白色白云岩，中厚层～厚层状构造。顶部强风化带较破碎，厚2 m～3 m,平均厚度2.80 m；下部弱风化带岩体较完整。在一线及东部，下伏基岩为深灰～灰黑色板岩，薄～中厚层状，强风化带平均厚2.50 m。

因此，本文在建模过程中，将该边坡体区域大体分为3层[5]。利用前期地质勘查获得的边坡内各层的高程及其厚度数据，结合其地形地貌特征，建立边坡的三维仿真模型。

2.2 参数的选取

综合考虑，该数值模拟模型所需要的参数大体上有以下几种：降雨量、入渗补给系数、蒸发量，覆盖层和软弱层的渗透系数、有效孔系数、储水系数等。上述系数数据通过实验、查阅有关资料得出，如表1所示。

表1 渗透系数、有效孔系数及储水系数表

2.3 模型的效验

通过监测点的监测资料，用最初监测值拟合初始渗流场，然后通过模拟与后来的监测实际值对比，如结果相差不大，则可用于之后的渗流场模拟，见表2，表3。

表2 2016年11月25日水位监测成果

表3 2016年12月23日水位监测成果

用2016年11月25日的监测数据作为效验数据进行模拟，输入初始条件后，在正常状态(10 mm/d)下模拟30 d后的地下水等值线。

模拟出的各监测点的水位数据如表4所示。

表4 30 d后的水位变化模拟值

模拟结果与2016年12月23日的原型监测结果相比较，相差不大，因此，在实际工作中，可以根据实际观测数据，利用本文所建数值模拟模型，在适当调整模拟的参数(降雨量、持续天数，蒸发量等)的情况下，开展不同工况条件下的渗流场模拟。

2.4 危险工况下的边坡渗流场模拟结果

本文对危险工况(最不利情况)下的边坡体进行了渗流场模拟试验，即在持续性大暴雨(假定雨量为10 d,200 mm/d)的情况下，模拟了边坡渗流场的情况，掌握了在大暴雨情况下地下水渗流场的情况。

由模拟结果可知，在相对较低高程区域的渗流场明显高于其高程，可知在这些区域内土体中的水基本已经饱和。在持续性降雨工况下的地下水渗流场变化，随着降雨量的增大和降雨持续时间的增长,场地区域在持续性暴雨的工况下，区域内的土体在降雨及其地下水渗流作用下，饱和度已经基本饱和，土体饱和后硬度软化，随着孔隙水压力增大，粘聚力降低，有效应力降低，强度迅速降低，可能会对边坡稳定性产生影响。

3 结语

在覆盖层坡体内部，因为大量地下水的持续渗透，渗流场和自身应力场不断互相作用，会极大程度的减小坡体的稳定性。因此在边坡治理过程当中,应加强由于降雨和地下室原因导致的土体稳定性下降的因素，减少降雨在地表的滞留时间，以增加边坡在暴雨工况下的稳定性。