基于监测数据的硬质岩路堑边坡地下水分布特征与防渗效果评价

赵仲珩，陈志坚

(河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 211100)

随着我国现代化建设的发展，工程边坡的数量与日俱增。这些边坡的稳定性关系着工程的成败与人民的生命财产安全。影响边坡稳定的因素复杂多样，而水的作用是边坡稳定性评价中不可忽视的重要因素，地下水的赋存与运移往往成为边坡失稳的诱发因素[1-2]。对于岩质边坡，地下水补给来源为降雨入渗补给且主要赋存于各类裂隙中，地下水对岩质边坡稳定的影响更为关键。岩质边坡相较于土质边坡在物质构成上并无本质区别，但岩质边坡中存在大量的裂隙、节理、断层等结构面，具有明显的结构性，其稳定性相较于受岩性影响外，更受到岩体结构的控制[3]。边坡岩体在多种外营力共同作用下发生渐进性演变，而降水和地下水作用是促进这一过程的核心因素[4]。地下水对岩质边坡的作用可以概括为几个方面[5-9]：(1)水-岩物理化学作用；(2)静水压力；(3)动水压力；(4)岩土体及结构面的软化；(5)岩土体含水量和容重的增大。周志芳等[10]分析了次降雨下地下水动态资料，计算得到的边坡稳定系数随地下水位同步变化且迟后于降雨。曾芮等[11]通过数值模拟得出：强降水作用使得岩体后缘裂隙快速充水，对岩体产生向外推力，是岩体崩塌倾倒破坏的重要直接诱因。张勃成等[12]将计算模型与实例结合，论述了水力作用是诱发边坡失稳的重要因素。

对于某些地质条件复杂的边坡，边坡内部力学作用复杂，加上降雨等环境因素的影响，边坡岩土体的力学参数和稳定状态并非一成不变的，从而难以确定，边坡安全监测在边坡工程中具有重要意义[13]。沈强等[14]分析抗滑桩加固边坡的监测成果，发现边坡形成了第二滑动面，并指出较大变形出现在雨季。陈强等[15]通过对公路边坡的测缝计、地下水位数据分析，验证了地下水对边坡稳定的影响，判断边坡存在滑坡危险。为此，依托连云港中云台山路堑左坡岩质高边坡喷锚支护工程开展实测研究。

1 工程概况

中云台山路堑左边坡开挖坡面产状为NE52°/NW∠55°，高速公路从一垭口处横穿中云台山山脉，路面标高15～17 m，路左侧山顶标高289.2 m。本文研究的左坡2010年6月开挖完成，人工坡高(即开挖深度)约200 m、总体坡度为42.4°。边坡布置20级台阶，每级坡高10 m，除第一级台阶坡度为76°，第二十级台阶坡度为49°外，从第二至十九级台阶坡度均为55°，台面宽度为3 m(其中有4个平台台面宽度为9 m)，如图1所示。

图1 左边坡坡度示意图Fig.1 Schematic diagram of the left-side slope

左边坡于2010年6月完成开挖和坡面喷锚支护，岩体岩性以二长浅粒岩为主，属坚硬岩。中云台山路堑段并无明显的断层标志和现象，主要软弱结构面为绿泥石片岩夹层，主要结构面为片理面和构造裂隙。岩体发育有片理，片理产状NE40°～60°/SE∠10°～30°。边坡夹有数条绿泥片岩软弱夹层(间距大约30～50 m)，产状NE15°/SE∠28°，在边坡中起隔水作用。

岩体发育的裂隙主要有3组：Ⅰ组：NW300°～320° /NE、SW∠70°～88°陡倾角裂隙，走向与坡面近正交，属陡倾角大裂隙，延伸几十米到几百米，而且切割深、裂隙面平直、产状稳定、多呈微张到闭合、无充填，它控制了区内天然边坡陡坎和危岩的分布；Ⅱ组：NE30°～40°/ NW、SE∠70°～88°陡倾角裂隙，走向与坡面近平行，倾向坡内或坡外，作为主要裂隙，其规模相对较小，延伸长度多在十几米到几十米，左边坡两侧为废弃采石场，可见其切割深度几米到十几米，其间距也较Ⅰ组大，沿裂隙面存在蚀变现象，在地表多表现为冲刷深槽，深槽宽度可达30～40 cm，深度可达1～3 m，可见该组裂隙对岩体结构、抗冲蚀和风化能力以及岩体透水性影响较大；Ⅲ组：NE10°～20°/NW∠36°～45°压性小断层，走向与坡面近平行，倾向坡外，属倾向坡外的顺向结构面，在坡面稀疏分布，间距60～70 m。

路堑边坡左坡地下水系统靠降雨入渗补给。开挖坡面经细石混凝土喷护并设有排水孔，各级平台均设有截排水沟，左坡主要补给途径为上部天然坡面残坡积层与强风化带孔隙水下渗补给、陡倾角裂隙直接下渗补给。基岩裂隙发育，NW向裂隙为地下水向下渗流提供了有利条件，下渗地下水渗流至反倾绿片岩夹层处，地下水向下运移受阻，在绿片岩夹层顶部富集后易沿NE向裂隙向边坡两端渗流并排泄于边坡两侧的天然坡面，尤其是南端废弃采石场开挖面。在2020年1月现场调查中，对坡面排水孔渗水情况和坡面混凝土喷层水迹的调查结果符合上述边坡地下水渗流与排泄特征。

2 地下水监测技术与测点布置

由于边坡高陡，且存在结构面不利组合，地下水往往是边坡稳定性的重要控稳因素之一，为防止掉块产生的落石危害高速公路安全运营，地下水及渗透压力监测是路堑边坡的重要监测内容。前文已论述该边坡地下水的分布和渗流严格受控于NW向陡倾角裂隙、NE向陡倾角裂隙和倾向坡内的绿片岩夹层，为确保监测质量，采用在绿泥石片岩上部布置斜向观测孔的方法，左边坡地下水监测系统设有12套渗压计，具体布置情况见表1、图2、图3。

图3 渗压计分布示意图Fig.3 Schematic diagram of distribution of pressure meter

表1 渗压计布置情况表Tab.1 Layout table of pressure meter

图2 斜向布置渗压计示意图Fig.2 Schematic diagram of inclined layout of pressure meter

其中，渗压计采用美国基康公司生产GK4500—350 kPa型振弦式渗压计，传感器长133 mm，直径为19.1 mm量程为35 m水头压力，最小灵敏度为0.025% F.S.，精度为±0.1% F.S.，工作温度为-20℃～+80℃可同时自动观测不同深度的地下水渗透压力和地下水温度，传感器所在位置测得压力可换算成等压力水柱高度再换算为地下水位高程[16]，计算公式为：

(1)

式中：G为渗压计率定系数，m/Hz2；K为温度修正系数，m/℃，f0为传感器埋设时初始频率，Hz；fi为第i时刻时实测频率，Hz；t0为传感器埋设时初始温度，℃；ti为第i时刻时实测温度，℃；H0为渗压计初始埋设高程，m。

3 地下水位实测结果分析

取2018年10月9日—2019年10月8日的监测数据进行计算，结果见表2，下面将对各平台监测数据进行分析。

表2 各测点监测期内地下水位动态Tab.2 Groundwater level dynamics during the monitoring period of each measurement point

194平台为路堑边坡中最高的开挖坡面平台，靠近边坡顶部大面积的天然坡面，易受上部天然坡面残坡积层与强风化带孔隙水下渗补给，地下水位受大气降水影响明显，全年地下水位变化幅度达5.97 m。在2021年12月的现场调查中发现细石混凝土出现老化破损，喷层出现隆起、剥落，坡面裂缝发育且被钙质析出物充填，裂缝渗水痕迹明显，如图4所示，坡面细石混凝土喷层的老化破损率呈现逐年增大趋势，混凝土喷层架空、喷层下石渣淘蚀问题逐渐显现，降雨入渗补给和坡内渗流作用增强，不利于路堑边坡稳定。

图4 194平台开裂坡面Fig.4 194 cracking slope of the platform

统计各平台渗压计监测期水位增量，如图5(a)所示，对路堑边坡垂向地下水特征进行研究。在降雨量较少的2018年10月—2019年5月，各平台地下水位整体呈下降趋势，路堑边坡中部绿片岩夹层与NE向结构面发育，地下水易于沿结构面水平向运移向废弃采石场天然坡面排泄，故SYL942测点地下水下降速度较快，下降量明显大于其他平台测点。在2019年6月—8月丰水季断续性长历时强降水影响下，各监测点地下水位呈上升趋势，在连续降雨后地下水位明显抬升，且各平台地下水位增长与降雨存在有规律的滞后，距离天然坡面越远的监测点，其滞后时间越长，而雨后，地下水位能够较快消散，说明边坡内部排水通畅。这表明了中下部坡面细石混凝土喷层完整度高，截渗能力强，坡内地下水主要接受坡面降雨入渗和边坡上部地下水径流补给，边坡中下部测点受边坡上方地下水径流影响明显，坡体内以NW向陡倾角裂隙主的垂向的渗流通道顺畅。

134平台分别在边坡北部、中部、南部埋设SYL1341、SYL1342、SYL1343测点，监测边坡120～134 m部分地下水位变化，如图5(b)所示，故以134平台测点为例，对路堑边坡水平方向地下水特征进行研究。图5结果表明，该平台北侧的地下水渗透压力水头高程高于南侧，北部监测点地形陡峻且远离坡顶的天然坡面，由于锚喷细石混凝土的截渗作用，该区域地下水位受大气降水的影响极弱、整个水文年地下水位均较稳定，表明锚喷细石混凝土阻隔了大气降水入渗坡体的通道，地下水整个监测期均处于稳定状态，这对边坡稳定是极其有利的。SYL1342、SYL1343测点全年地下水位变化趋势一致，且中部测点地下水位始终高于南部测点约3 m，这与片理的产状分布相一致。SYL1343监测期内地下水变化幅度为5.72 m高于SYL1342的5.10 m，且SYL1343拥有更快地下水位变化速度，这表明了：南部废弃采石场天然坡面为路堑边坡重要的地下水排泄区域；边坡越靠近南部，地下水渗流越大。根据路堑边坡勘察报告，路堑边坡南采石场天然坡面NE向裂隙发育，岩石破碎、铁锰质渲染明显，这与上述结果吻合。

图5 边坡地下水位变化图Fig.5 Variation diagram of slope groundwater level

94平台除SYL942测点外，其余测点远离排泄区域和能够接受降雨入渗补给的天然坡面，地下水位受大气降水的影响表现为明显的季节性，与短历时降雨过程的相关性较弱，而雨后的地下水位消散过程缓慢，且表现为季节性消散，SYL942位于SYL1342正下方，两测点间水力联系强，边坡中部存在大渗流量的垂向渗流通道，推测为路堑边坡南部54～124 m高程的边坡岩体存在倾倒变形现象，边坡岩体透水性增强，地下水不易大量聚集。总体上看94平台细石混凝土喷层截渗能力强，对边坡稳定有利。

54平台测点监测结果与134平台相似，平台北部、中北部与中南部测点远离路堑边坡外围的天然坡面，细石混凝土锚喷防护截渗后，该区域地下水受大气降水影响很小，地下水位较稳定。SYL544测点因临近路堑边坡南侧采石场且测点分布高程已低于南侧废弃采石场底部，故该区域地下水位受大气降水影响明显，细石混凝土喷层完整度高，截排水效果好，有利于坡脚的安全稳定。

4 结论

1)路堑边坡地下水主要接受降雨入渗补给，边坡顶部天然坡面、上部平台及南侧容易接受降雨入渗补给，降雨后各平台地下水增长存在规律性滞后，越低的平台降雨过后，路堑边坡内部地下水位越能够快速消散，表明路堑边坡内部排水通畅。

2)路堑边坡、远离路堑边坡轮廓线的区域，地下水位受大气降水的影响表现为明显的季节性，与降雨过程较弱，据此判断，这些区域的坡内地下水主要接受边坡上部地下水径流补给。

3)本监测期降雨量较少，结合十年来的监测数据，判断左边坡坡面以下约30 m深度范围为透水性强，虽然路堑边坡地下水贫乏，但在丰水季节，边坡约30 m深度范围内仍间歇性赋存丰富的地下水。即使地下水贫乏，渗透压力仍对边坡变形产生较大影响

4)路堑边坡南部的地下水位变化受路堑边坡南侧外围天然坡面降雨入渗和废弃采石场排泄作用的影响显著，降雨后，地下水位能够快速消散，表明边坡渗流通道发育，这对位于其下方的84～124 m高程平台之间的三角体抗滑稳定是不利的。

5)虽然路堑边坡细石混凝土喷层整体上较完整，整体截渗、排水能力较好，但渗流量较大的194平台、134平台南端等区域坡面喷层老化破损率逐年上升，部分坡面出现喷层隆起、剥落，长期来看不利于地下水位的稳定和边坡的安全，应继续加强对边坡地下水渗透压力的监测。