地下水對管廊基坑巖質邊坡穩定性的影響研究

王家全，常志凱，林桂武，林志南，鐘張寶，胡 鋒

(1.廣西科技大學土木建筑工程學院，廣西 柳州 545006；2.中鐵二十五局集團第四工程有限公司，廣西 柳州 533000)

0 引 言

基坑邊坡穩定性研究對于采用明挖法施工的管廊工程具有重要意義。南方降雨量大、持續時間長，雨水極易向低洼地帶匯集，在排水不及時的情況下基坑底部常出現積水現象。此外，在新冠疫情的影響下工地人員不足，因雨水滲流及基坑底部積水引起的邊坡穩定性問題更加突出，給管廊項目安全建設埋下了隱患。研究發現，影響巖質邊坡穩定性的因素主要有巖體強度、不連續面特征、地下水等[1-2]。地下水是影響邊坡穩定性的重要因素[3-5]，影響邊坡穩定性的地下水主要為通過大氣降水、地表水、凝結水等匯集形成的潛水，潛水對邊坡的影響主要表現在水體由高處向低處的徑流、滲流以及在基坑底部存積。張卓等[6]指出雨水入滲改變巖質邊坡滲流場分布是引起滑坡的主要因素之一；張勃成等[7]認為充水高度是影響巖質邊坡穩定性的重要參數；劉才華、汪映紅等[8-9]研究發現，隨著水位的升高邊坡穩定性逐漸降低，且穩定性降低速率逐漸增大；Dong、郭雙楓等[10-11]指出巖土粘聚力和內摩擦角是影響邊坡穩定性的重要參數；賈官偉等[12]研究發現，坡內水位下降速率滯后于坡外時，指向邊坡外的滲流是引起邊坡失穩的重要原因；江德飛等[13]分別采用傳遞系數法和FLAC3D強度折減法計算巖質邊坡的穩定性，對比發現兩者計算結果基本一致，但FLAC3D強度折減法中可以考慮各土層間的變形協調，可以更客觀反映水與邊坡間的相互作用。相較于土質邊坡，巖質邊坡實際工程中高度較大，巖石強度大且吸水性弱，但如果忽視水對巖質邊坡結構面的影響，就會增大巖質邊坡失穩的風險。因此，應在前人研究基礎上，進一步加深關于水體對巖質邊坡穩定性的影響研究。

前人的研究主要從水對巖土體軟化作用及滲流影響邊坡穩定性的角度展開，較少關注潛水面高度和基坑水位線高度對邊坡穩定性的影響。為此，本文以現場地質勘測報告為基礎，充分考慮邊坡所處的環境條件，結合水位監測和FLAC3D三維建模軟件分析不同潛水面高度和基坑水位線高度對管廊基坑的高巖質邊坡穩定性的影響，并提出了切實可行的滑坡災害防治方案。

1 工程概況

廣西某在建管廊項目采用明挖法施工，設計管廊底面標高為78.17～108.20 m。根據現場地質勘測報告，場地內地層巖性自上而下依次為雜填土、可塑狀黏土、強風化白云巖、中風化白云巖。項目段管廊基坑開挖深度為17.3 m，采用多級臺階式放坡開挖以提高邊坡的穩定性，第1級臺階深度3 m，第2級臺階深度6 m，兩級臺坡坡率均為1∶1，臺階寬度為1.5 m。邊坡剖面及支護見圖1。

圖1 邊坡剖面及支護(單位：mm)

根據本項目管廊設計標準，管廊設計使用年限為100年，屬于一級建筑，結合DL/T 5353—2006《水電水利工程邊坡設計規范》，可能發生滑坡并危及一級建筑物安全的邊坡屬于B類邊坡，邊坡設計安全系數需滿足：持久狀況1.25、短暫狀況1.15、偶然狀況1.05。

2 數值模型的建立

2.1 模型建立

管廊基坑兩側巖質邊坡為對稱結構，為提高建模計算效率，以一側邊坡為基礎構建三維模型，邊坡模型尺寸為40 m×25.75 m×19.3 m(長×寬×高)。模型從上向下依次為紅黏土層、強風化白云巖層、中風化白云巖層，強風化白云巖層與中風化白云巖層分界面與水平面夾角為22.6°。巖土體的本構模型采用M-C模型。三維邊坡模型見圖2。材料參數見表1。

圖2 三維邊坡模型

表1 材料參數

2.2 工況設計

為研究潛水面高度和基坑水位線高度對邊坡穩定性的影響，保持基坑水位線不變，改變潛水面高度，其中水位線1高度為14.3 m，水位線2高度為11.3 m，水位線3高度為8.3 m。為研究基坑水位線高度對邊坡穩定性的影響，保持潛水面高度不變，改變基坑水位線高度，水位線4高度為9.0 m，水位線5高度為6.0 m，水位線6高度為3.0 m。水位線示意見圖3。為探討錨固支護方案是否滿足邊坡穩定性需求，無錨固支護工況設置為系列1，有錨固支護工況設置為系列2，試驗工況組合見表2。

圖3 水位線示意

表2 試驗工況組合

3 結果分析

本項目中強風化與中風化巖石的巖層分界面所在平面與邊坡所在平面垂直，為切向坡，邊坡臨空面方向為X向，巖層分界面走向方向為Y向。以工況1-1為例，巖層分界面上部的強風化巖石層在Y向位移十分微小，最大為0.86 mm，但在X向最大位移達到10.90 mm，最大位移位置位于巖層分界面方向最下方。工況1-1位移云圖見圖4。從圖4可知，巖質邊坡未出現貫通性破壞面，只是在邊坡左上角形成局部楔形體滑動，變形模式屬于滑移-壓致拉裂，破壞類型屬于典型的楔形破壞[14]。工況1-1應力云圖見圖5。從圖5可知，巖層分界面的應力集中現象主要體現在Y向，在X向無明顯的應力集中，這是由于巖質邊坡滑移的主要原因為巖層分界面上部巖石沿Y向有滑移趨勢，遭遇前方巖石阻擋后，上部巖石表現出X向移動趨勢，進而引起巖質邊坡在X向的滑坡。因此，當巖質邊坡屬于切向坡，且具有一定傾角的巖層分界面暴露于邊坡臨空面時，應對巖質邊坡進行相應支護，同時還要加強分界面部位的監測，避免巖層分界面上部的巖層滑移引發滑坡災害。

圖4 工況1-1位移云圖

圖5 工況1-1應力云圖

3.1 潛水面高度對邊坡穩定性的影響

不同工況邊坡應力、位移和安全系數見表3。X向位移云圖見圖6。潛水面高度為11.3 m時，邊坡X向的最大位移為6.64 mm；潛水面高度為11.3 m時，最大位移為6.43 mm；潛水面高度為14.3 m時，最大位移增加至10.90 mm，而巖層分界面最低點為13.3 m，表明潛水主要通過弱化巖層分界面的力學特性影響巖質邊坡的穩定性，這與文獻[15-16]研究結果一致。此外，對于邊坡穩定性的影響在宏觀方面主要表現為巖層分界面上方的巖石層在邊坡臨空面方向位移增加。從坡底應力和Z向位移角度分析可知，隨著潛水面高度的增加，邊坡自重逐漸增大，邊坡底部X向水平應力逐漸增加，無地下水時坡底X向應力為2.58×105Pa，水位線高度為14.3 m時，坡底X向應力為4.43×105Pa，同時坡底Z向位移逐漸增大。從邊坡安全系數分析可知，隨著潛水面高度的增加，巖質邊坡安全系數逐漸減小。但潛水面高度變化對邊坡安全系數的影響并不顯著，水位線高度為14.3 m時，邊坡安全系數為1.09；水位線高度為8.3 m時，邊坡安全系數為1.12。因此，通過設置截水溝、疏干孔等排水設施降低潛水面高度，避免潛水弱化巖層分界面強度，對于保證邊坡穩定十分重要。

表3 邊坡應力、位移和安全系數

圖6 X向位移云圖

3.2 基坑水位線對邊坡穩定性的影響

不同工況邊坡應力、位移和安全系數見表4。隨著基坑水位線增高，巖質邊坡安全系數逐漸下降，邊坡位移逐漸增大，這與文獻[17-18]研究結果一致。王超[19]研究發現，未經整體加固的高陡邊坡最大位移發生在坡腳位置。X向位移云圖見圖7。從圖7可知，隨著基坑水位線的增加，邊坡X向最大位移部位由巖層分界面位置逐漸轉移至坡腳位置，坡體位移和邊坡底部向上隆起的高度先增后減，這是由于在水的浮力作用下，上部滑體有效質量減小，減弱了上部強風化巖層滑移，提高了巖層分界面部位的穩定性，但是，積水高度的增加降低了邊坡底部巖石的穩定性。從坡底應力和Z向位移分析可以發現，隨著基坑水位線高度的增加，坡底X向應力和Z向位移先增加后減小，這也從側面證明了隨著基坑水位線高度的增加，邊坡最大位移位置發生了改變。因此，基坑水位線高度對邊坡的穩定性影響顯著，在實際工程中要盡量避免邊坡底部大量積水。

表4 邊坡應力、位移和安全系數

圖7 X向位移云圖

4 支護方案及效果

根據以上分析，此項目邊坡穩定性較低的原因：一方面，是強風化巖層與中風化巖層分界面存在傾斜角度，在水的軟化作用下巖層分界面上部強風化巖層滑移進一步加劇；另一方面，水位線以下巖土體提供的抗滑力隨著基坑水位線的升高逐漸降低。因此，防滑坡治理方案從排水和支護2個方面進行綜合防治：

(1)排水設施。在滑坡區周界設置環形截水溝，滑坡坡面上設置平臺排水溝及疏干孔，形成有機整體，盡量減少地表水下滲，使地下水位降低，減少地下水對巖土體物理力學性能的影響。

(2)管井井點排水。用于潛水層降水，對于滲透系數大的砂礫層、地下水豐富的地層具有廣泛適用性，具有施工簡單、出水量大等特點，每口管井出水流量可達到50～100 m3/h，可降低地下水位深度約3～5 m。

(3)邊坡錨固。在巖層分界面部位設置錨桿框格梁，巖層分界面所處臺階深度為10 m，放坡坡比為1∶1.50，平臺寬度為1.5 m，錨桿長度9 m，錨固體與臺座混凝土強度大于15 MPa。

根據上述方案為巖質邊坡提供支護，支護后邊坡安全系數見表5。從表5可知，無地下水影響的情況下，邊坡穩定性滿足短暫工況使用需求，在潛水作用下邊坡極易發生滑坡災害。計算結果顯示，滑坡防治方案對于巖質邊坡穩定性有較大提升，并且滿足持久狀況下的安全系數標準。2020年12月本項目管廊工程完工并進行了土體回填，在管廊工程施工過程中，邊坡穩定性良好，錨固結構無顯著變形。在2020年6月～7月的雨季中，基坑底部未出現明顯積水，也未出現滑坡事故。以上情況表明，對管廊基坑進行排支結合的防滑坡綜合處置，可避免坑底積水，從而有效提高了邊坡的穩定性。

表5 不同工況下邊坡安全系數

5 結 語

本文以廣西某在建管廊項目為例，通過FLAC3D建模軟件，對潛水面高度和基坑水位線高度影響巖質邊坡的穩定性進行了深入分析，得出以下結論：

(1)相對于潛水面高度的變化，基坑水位線高度對邊坡安全系數影響更為顯著。隨著基坑水位線高度的增加，水體浮力作用使巖層分界面上部巖層滑移力逐漸減小，同時坡腳在臨空面方向的位移逐漸增加。因此，應制定合理降水排水措施，避免基坑底部大量積水。

(2)當巖質邊坡屬于切向坡，且具有一定傾角的巖層分界面暴露于邊坡臨空面時，巖層分界面上部巖層極易向邊坡臨空面方向滑移。

(3)高陡層狀巖質邊坡在不加支護的情況下，隨著基坑水位線的增加，邊坡失穩方式由巖層分界面上部巖層局部楔形體滑動破壞向平面破壞轉化。

(4)層狀巖質邊坡中，潛水主要通過弱化巖層分界面的強度影響邊坡的穩定性。通過設置截水溝等排水設施降低水對巖層分界面的影響，對于提高巖質邊坡的穩定性具有重要意義。因此，采取排水設施的建設、排水方案的選擇及加強巖層分界面部位支護的綜合滑坡防治方案對提高巖質邊坡的穩定性切實可行。