黃土高填方邊坡滲透變形機理的物理模擬

劉川, 馮杰, 張強*, 梁智, 潘凱, 王志鵬

(1.成都理工大學, 地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室， 成都 610059； 2.廣東中煤江南工程勘測設計有限公司， 廣州 510440; 3.中建材西南勘測設計有限公司， 成都 610052)

結(jié)構性、濕陷性、水敏性和強度時效性等是黃土具有的獨特水理特性，使其在水的作用下極易發(fā)生破壞[1-2]。中國黃土以其地層全、分布廣、厚度大和特殊的工程性質(zhì)而著名于世，覆蓋面積達6.3×105km2，在平面上由山西、陜西和甘肅為主組成的“中央黃土高原”向外展布[3]。在中國眾多山間河谷型盆地城市中，有限的土地資源嚴重阻礙了城市化進程，因地制宜開發(fā)利用土地，科學有效開展“削山填溝”造地工程就成了開辟城市發(fā)展用地的一種新思路[4-5]。

以天水市馬蘭黃土為研究對象，研究區(qū)位于天水市某遷建機場的一處試驗段內(nèi)，屬于黃土高填方區(qū)。由于大面積的填方工作會改變場區(qū)原有的地下水滲流場，包括地下水位的抬升、地下水補給、徑流、排泄途徑的遷移等，其中填方邊坡的變形、失穩(wěn)就是地下水引起的典型工程問題之一[6]。

已有很多學者針對黃土地區(qū)地下水引起的工程問題進行了不同角度的研究。吳瑋江等[7]對黃土-泥巖接觸面滑坡的特征與成因進行了分類和總結(jié)；Qi等[8]通過試驗表明超孔隙水壓力的大小與小的軸向應力有關；曹從伍等[9]對黑方臺地區(qū)黃土滑坡的破壞機理進行了物理模擬試驗研究；陳陸望等[10]通過數(shù)值模擬分析挖填工程影響下的地下水流時空分布及其穩(wěn)定機制，得出原始地形是控制地下水流場的主要因素；亓星等[11]通過現(xiàn)場調(diào)查和對典型滑坡剖面黃土含水率的實測發(fā)現(xiàn)，黃土層底部受地下水的長期浸泡軟化所形成的軟基效應是使黃土滑坡不斷發(fā)生的主要原因。

眾多學者的研究基礎上，采用物理模擬試驗的方法，模擬場區(qū)填方后水位的變化情況，通過微型孔隙水壓力傳感器和測壓管水位數(shù)據(jù)，分析地下水對填方邊坡的作用，包括地下水的作用機理、過程及成災模式等。

1 場區(qū)地質(zhì)環(huán)境概況

場區(qū)地處西秦嶺山地與隴西黃土丘陵的過渡帶，位于藉河和羅玉溝河中間的黃土山梁上，山梁南北兩側(cè)受河流深切，為河流谷地，平面上形成一山隔兩河的地貌格架，屬于剝蝕殘留的黃土丘陵區(qū)梁峁溝壑。研究區(qū)位于橋子溝與張家溝之間邊坡段，該區(qū)為低山緩坡地形，如圖1、圖2所示。整體坡度一般為5°～15°，邊坡頂部高程1 605～1 615 m，坡腳高程為1 460～1 538 m，高差75～138 m。

圖1 物理模擬試驗區(qū)全貌Fig.1 Overall view of the physical simulation test area

圖2 試驗段三維地形圖Fig.2 3D topographic map of test section

研究區(qū)工程影響深度范圍內(nèi)地下水含水系統(tǒng)主要分為第四系松散巖類孔隙裂隙水含水系統(tǒng)、第四系松散巖類孔隙水含水系統(tǒng)和基巖裂隙水含水系統(tǒng)，其中以第四系松散巖類含水系統(tǒng)為主。地下水補給依靠大氣降雨補給為主、農(nóng)耕灌溉入滲補給為輔，降雨主要集中在每年7—9月，年平均降雨量為514.8 mm。研究區(qū)地下水一方面在重力的作用下沿孔隙、裂隙向南北兩側(cè)斜坡下部滲流排泄，補給勢低洼部位的地下水；另一方面在陡坎、沖溝等地形切割合適的部位以下降泉的形式出露排泄。由于場區(qū)復雜的地貌條件和巖性條件，地下水分布具有普遍性分布、不連續(xù)帶狀分布、水位埋深變化大、不同地貌單元含水層厚度差異大等特點。

2 物理模擬試驗

2.1 試驗裝置

通過對場區(qū)的勘察后發(fā)現(xiàn)，高填方邊坡受地下水位的抬升可能會引起土體滲透變形及邊坡變形失穩(wěn)等問題。因此，本次物理模擬試驗選取的是場區(qū)試驗段Ⅰ區(qū)的高填方邊坡作為模擬試驗對象。

本次試驗所需的模型箱尺寸為長200 cm、寬45 cm、高78 cm，模型箱一側(cè)為可上下移動的給水溢流箱，可根據(jù)試驗需求調(diào)節(jié)水頭高度，模擬實際的地下水位。模型箱側(cè)面的11組測壓管等距分布，測壓管設置有上、中、下三個進水口，待土體裝填完成后，土體內(nèi)部的孔隙水可通過三個進水口進入測壓管，以揭示實時的地下水水位變化情況。模型箱下部為儲水箱，儲水箱內(nèi)部的小型水泵提供供水能力，共同與上部的給水排水溢流箱構成循環(huán)供水系統(tǒng)(圖3)。

本次試驗的數(shù)據(jù)信息采集系統(tǒng)則由HC-25微型孔隙水壓力傳感器和HCSC-32壓力采集系統(tǒng)構成，通過靈敏度極高的孔隙水壓力傳感器對內(nèi)部各層土體的孔隙水壓力變化進行監(jiān)測，同時將傳感器采集的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸至電腦專業(yè)軟件進行處理，實現(xiàn)地下水對坡體穩(wěn)定性破壞的實時監(jiān)測(圖4)。

圖4 孔隙水壓力傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig.4 Pore water pressure sensor and data acquisition system

2.2 方案設計

根據(jù)前期勘察鉆孔揭露情況，該區(qū)地層縱向分布特征為：植物土層、濕陷性粉質(zhì)黏土層、粉質(zhì)黏土層和下伏為新近系泥巖。擬定試驗區(qū)的填方邊坡高差約92 m，邊坡水平長度約230 m，頂面平整區(qū)寬度約140 m，設計坡比為1∶2.5，如圖5所示。根據(jù)模型箱的尺寸，采用1∶200的相似比對場區(qū)進行等比例縮放，縮放后模型坡高為0.46 m，頂面平整區(qū)寬度為0.7 m，邊坡水平長度為1.15 m。

土體采用試驗區(qū)現(xiàn)場取得的重塑馬蘭黃土(Q3)，并進行分層夯實，試驗控制各層土體基本物理性質(zhì)的相似系數(shù)為1∶1，如表1所示。

由于該地區(qū)原始地下水補給源主要為大氣降水，本次物理模擬使用邊界水頭的抬升模擬地下水位的抬升，在已確立的模型邊界條件、源匯項、水文地質(zhì)參數(shù)的前提下，進行填方施工后地下水滲流場分析預測，以數(shù)值模擬得出水位埋深結(jié)果為依據(jù)，地下水水位在平整面以下約14 m處，如圖6所示，采用1∶200相似比縮放至模型箱后，控制邊界水頭高度約平整面以下7 cm處，同時邊界條件最大限度地與現(xiàn)場相一致。

2.3 數(shù)據(jù)采集

在模型箱的土體填裝過程中，將孔隙水壓力傳感器按照預先標記的位置鋪設在各層黃土中，根據(jù)原始地形的變化，對易產(chǎn)生滲透變形的部位加密布設，保證一個縱斷面有2～3個孔隙水壓力傳感器，以便后期進行孔隙水壓力變化的對比分析。通過對各層土體的厚度進行分析，傳感器縱向排列在模型箱內(nèi)的間隔分別為10 cm和5 cm。此外，安裝在箱體側(cè)面的11組測壓管的間距為15 cm，并且每組測壓管上都附有毫米級刻度尺，測壓管分別有上、中、下3個進水口，在每個進水口處均貼上紗布，防止土顆粒堵塞管口。由于模型底部為不透水層，所以不考慮模型箱底部進水口進水，只考慮中部和上部兩個進水口進水，如圖7所示。試驗前進行飽水調(diào)試，預先排除測壓管內(nèi)的氣泡，消除試驗誤差。

3 試驗過程及數(shù)據(jù)分析

將給水邊界水位控制在模型箱內(nèi)黃土平整面以下7 cm處，通過坡體內(nèi)各部位埋設的孔隙水壓力傳感器和模型箱側(cè)面的測壓管，獲得了不同位置孔隙水壓力及水位隨時間變化的過程曲線。

表1 各層土體的基本物理性質(zhì)

圖6 數(shù)值模擬試驗段Ⅰ區(qū)填方整平后預測水位剖面Fig.6 Predicted water level profile after filling leveling in area I of numerical simulation test section

圖7 孔隙水壓力傳感器及測壓管展布圖Fig.7 Pore water pressure sensor and piezometer tube layout

整個試驗過程共計20 d(480 h)，共獲得了10個孔隙水壓力傳感器、8組測壓管的試驗數(shù)據(jù)。孔隙水壓力數(shù)據(jù)采集時間間隔為30 s，測壓管水位數(shù)據(jù)的采集間隔時間為2 h，試驗數(shù)據(jù)按時間間隔(以96 h為一個周期)，將整個試驗時間劃分為5個研究周期，如圖8所示。每個實驗周期結(jié)束后對孔隙水壓力變化特征及水位變化情況、邊坡滲水、變形情況進行分析。

在第一研究周期內(nèi)，土體未達到飽和狀態(tài)，由于基質(zhì)吸力的影響，促使土顆粒之間的水氣界面形成內(nèi)凹的彎液面，導致部分傳感器采集的孔隙水壓力值為負值。靠近給水邊界的CH1、CH2、CH3、CH5、CH6傳感器數(shù)據(jù)開始緩慢上升，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出輕微波動，說明在給水邊界附近的細顆粒土體一直在流失，而沿滲流方向的一段滲流路徑區(qū)域內(nèi)發(fā)生了細顆粒土體的積聚，在顆粒流失和顆粒積聚產(chǎn)生的復合效應下，導致了孔隙水壓力出現(xiàn)輕微地波動變化。

在第二研究周期內(nèi)，CH6傳感器數(shù)據(jù)曲線開始出現(xiàn)波峰波谷，CH1、CH2傳感器數(shù)據(jù)穩(wěn)定于165 h后也相繼出現(xiàn)波峰波谷，原因是CH6傳感器位于整個模型土體的中部，填方土體厚度較大，是粉質(zhì)黏土與粉土的交界部位，CH1、CH2傳感器位于泥巖界面上，是泥巖與粉質(zhì)黏土的交界部位。經(jīng)長時間的水力作用，坡體內(nèi)部逐漸發(fā)生細微的滑移和拉裂，并且滑移速度較慢，導致孔隙水壓力傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出波峰波谷的形態(tài)曲線。

在第三研究周期內(nèi)，CH2～CH8傳感器數(shù)據(jù)均在第245小時左右出現(xiàn)驟升，并且驟升后的孔壓值基本不變或變幅較小。從圖9可以明顯地看出，在試驗進行到第245小時左右，隨著滲流作用的持續(xù)，土體基質(zhì)吸力逐步降低，強度劣化程度逐步加深和孔隙水壓力的累計作用，邊坡的前緣開始出現(xiàn)蠕滑變形[圖10(a)]，并牽引后緣形成弧形拉裂縫[圖10(b)]。如圖10所示為孔隙水壓力變化特征，位于泥巖層上的CH2、CH3、CH4傳感器連接的土體和原地基土層上的CH5、CH6、CH7傳感器連接的土體在該研究其內(nèi)孔隙水壓力和坡體內(nèi)的應力逐步累積，并在應力累積至突破其鎖固段抗剪強度后形成了貫穿的裂隙[圖10(c)]，至此應力得以釋放，坡體內(nèi)部形成了新的滲流通道，并在較短的時間內(nèi)完成應力的調(diào)整而逐步趨于一個新的應力平衡狀態(tài)，監(jiān)測點水頭值反映出，在邊坡出現(xiàn)滑移破壞一段時間后水頭保持穩(wěn)定。

圖8 CH1～CH10孔隙水壓力變化過程總曲線Fig.8 General curve of CH1～CH10 pore water pressure change process

圖9 第三研究周期CH1～CH10孔隙水壓力變化過程曲線Fig.9 The change process curve of CH1～CH10 pore water pressure in the third research period

圖10 第三研究周期內(nèi)邊坡滲水、蠕滑拉裂、滑移變形特征Fig.10 Characteristics of water seepage, creepage cracking, and slip deformation of the slope in the third study period

在第四、第五研究周期內(nèi)，邊坡內(nèi)部貫穿裂縫形成了穩(wěn)定的滲流通道，在邊界水頭穩(wěn)定補給的情況下，監(jiān)測點的孔隙水壓力基本保持穩(wěn)定。部分傳感器數(shù)據(jù)存在波動現(xiàn)象，原因是監(jiān)測點附近存在土顆粒的堆積和流失，導致靈敏度較高的傳感器測得的孔隙水壓力值上下波動。

為了更直觀、有效地反映物理模擬試驗過程中每一含水層的孔隙水壓力變化規(guī)律，將泥巖層、原地基土層、填方地基土層各土層的孔隙水壓力變化繪制成圖并分析，結(jié)果如圖11所示。

圖11 泥巖層、原地基土層、填方地基土層的孔 隙水壓力變化曲線Fig.11 The change curve of pore water pressure of mudstone layer, original foundation soil layer, and fill foundation soil layer

圖12 物理模型坡體匯水區(qū)位置分布示意圖Fig.12 Physical model slope catchment position distribution schematic

泥巖層CH1、CH2、CH3、CH4傳感器的孔隙水壓力變化曲線，在第245小時左右邊坡前緣出現(xiàn)蠕滑變形滑移，各傳感器數(shù)據(jù)均出現(xiàn)驟升，其中CH2傳感器數(shù)據(jù)驟升的幅度最大。原地基土層CH5、CH6、CH7傳感器的孔隙水壓力變化曲線圖，在第245小時左右邊坡前緣出現(xiàn)蠕滑變形滑移，各傳感器數(shù)據(jù)均出現(xiàn)驟升，其中CH6、CH7傳感器數(shù)據(jù)驟升的幅度較大，該數(shù)據(jù)說明CH2、CH6、CH7傳感器監(jiān)測的區(qū)域處于富水區(qū)，水流較集中，水頭較高，如圖12所示。CH6傳感器在第400～450小時之間，多次出現(xiàn)了波峰波谷的振動變化，主要是由于邊坡變形和滑移拉裂過程中伴隨著應力的累計→孔隙水壓力升高→應力釋放→顆粒的流失→孔隙水壓力降低→細顆粒堆積堵塞→孔隙水壓力升高-滲流通道疏通→顆粒流失→孔隙水壓力降低的往復變化過程，也說明了地下水滲流過程中伴隨著潛蝕作用，土體物質(zhì)不斷被潛蝕帶走，形成貫通的潛蝕通道，發(fā)生了滲透變形。

在整個研究周期內(nèi)，通過對測壓管中水位高度的讀取，地下水水位變化整體呈現(xiàn)出緩慢上升至最終逐漸穩(wěn)定的趨勢。第三個研究周期的后期，邊坡滑移范圍進一步向后緣擴展，形成多級滑移陡坎，水流在土體內(nèi)部形成了新的滲流通道，滲水量發(fā)生較大的改變，導致坡體水位下降，但很快又恢復了穩(wěn)定，到達一個相對穩(wěn)定的均衡狀態(tài)。第五個研究周期結(jié)束時，地下水水位處于填筑土體內(nèi)，水位以下填筑體處于飽水狀態(tài)，地下水水位變化基本與原地基地形起伏形態(tài)相似，揭示了填方后的地下水滲流場變化主要受原始地形的影響。

4 結(jié)論與建議

(1)填方后的地下水滲流場變化主要受原始地形的影響，凹陷地形易于匯水，地下水流動受阻，易形成積水區(qū)，使地下水位抬升高度較大。隨著時間的累積，地下水不斷浸潤、浸泡地基土，使其強度劣化，加之毛細水上升作用而使地基發(fā)生濕餡和濕化沉降，易造成地基不均勻沉降變形而拉裂。

(2)地下水位的抬升后的滲流作用會造成部分土體顆粒的損失，潛蝕形成貫通的地下水徑流通道，從而發(fā)生管涌、流土等滲透變形破壞，影響填方地基和填方邊坡的穩(wěn)定性性。

(3)地下水對填方地基、填方邊坡的動水壓力、靜水壓力和滲透作用，將使邊坡的穩(wěn)定性急劇下降，在長期累積作用下，易在邊坡坡腳等富水區(qū)產(chǎn)生蠕滑變形，并牽引邊坡后緣發(fā)生滑移拉裂，并發(fā)生漸進式破壞而引發(fā)較大規(guī)模的邊坡滑移。通過物理模擬，得出該地區(qū)馬蘭黃土填方邊坡受地下水影響產(chǎn)生變形滑移模式為“漸進后退-牽引式滑移”。

結(jié)合本次物理模擬試驗，針對馬蘭黃土高填邊坡存在的一些工程問題提出以下幾點建議：①場區(qū)進行填方之前，應在容易積水的區(qū)域加密盲溝的布設，尤其是在填方體較厚的區(qū)域，做好地下水的疏排工作；②對原始地況下的溝谷地區(qū)應及時清淤，防止為后期的填筑體提供天然滑面。