王 飛，鄒宗興，鄢俊彪

(中國地質(zhì)大學( 武漢) 教育部長江三峽庫區(qū)地質(zhì)災害研究中心，湖北 武漢 430074)

邊坡穩(wěn)定性往往受控于坡體中地下水滲流場的變化，地下水滲流作用是引起邊坡失穩(wěn)破壞的重要因素[1-3]，分析地下水滲流場對于邊坡防治具有重要意義。對于堆積層邊坡，降雨影響地下水的滲流過程，引起整個坡體非飽和強度的變化[4]。雨水入滲形成的滲流作用增加了邊坡的下滑力，降雨過程中土體中局部孔隙水壓力瞬時劇增，土體飽水使其發(fā)生軟化，最終導致斜坡整體失穩(wěn)[5]。Rosi等[6]通過收集大約900個滑坡數(shù)據(jù)和利用41個雨量計收集到的相對降雨量，對滑坡穩(wěn)定性與降雨過程的相關(guān)性進行了綜合論證；Ran等[7]模擬了不同降雨組合作用下的滑坡失穩(wěn)機理，結(jié)果表明飽和傳導率的垂直方向變化會引起滲透水的積聚，從而導致非飽和土層孔隙水壓力增大，誘發(fā)滑坡；Klubertanz運用多相介質(zhì)理論模型研究了淺層滑坡的起動機理，結(jié)果表明如果降雨入滲量、補給速率也快，土體會很快進入飽和狀態(tài)，土體中孔隙水壓力會快速增大，從而促使斜坡土體向不穩(wěn)定方向發(fā)展[8]。

由于雨水入滲作用加大了邊坡巖土體的重度，坡體內(nèi)含水量升高會降低滑面的正應力、減小摩阻力，進而降低坡體抗滑力。同時，地下水上升產(chǎn)生的動水壓力沿邊坡臨空面產(chǎn)生的分量增大了坡體下滑力，且孔隙水壓力產(chǎn)生的“水楔作用”推動了坡體上裂隙的擴展進程，進而破壞巖土體，使邊坡發(fā)生漸進性破壞。另外，由于地表水的入滲使地下水水位急劇上升，坡體內(nèi)孔隙水壓力快速增加，地下水的作用使得邊坡力學參數(shù)發(fā)生漸進破壞[9]，且地下水的浸潤作用對邊坡中的軟弱夾層進一步弱化，促使其巖土體強度不斷降低。

許多邊坡潛在滑動區(qū)的地下水主要來源于坡體后緣徑流及降雨入滲，邊坡工程中對于邊坡中地下水滲流作用的控制方式主要是通過排水措施，常見的排水方式[10]包括地表排水溝、排水盲溝、水平排水孔和地下排水洞等，這些排水措施都是利用水的重力勢能，將高水位的水排到低位區(qū)。此外，虹吸排水[11-13]、充氣排水[14-15]等也在越來越多的邊坡工程中得到應用。其中，虹吸排水由于其機理限制了排水高度，目前無法應用于深度較大的排水工程中；由于充氣速率和壓力與含水層的關(guān)系較為復雜，所以充氣排水的技術(shù)和方法仍在探索中。因此，尋求有效的控制坡體地下水的方法仍是邊坡工程防治方法亟待解決的問題。

考慮到地下水的滲流作用機理，邊坡工程中對地下水的主要防治理念是“防滲阻截”，即通過工程措施減少地表滲入和削弱地下滲流。而帷幕的作用能夠很好地發(fā)揮“阻截”地下水減弱滲流作用的效果，可通過改變坡體中地下水滲流來達到改善邊坡穩(wěn)定性的目的。目前，帷幕灌漿技術(shù)已經(jīng)普遍應用于工程實踐，切實地解決了工程中的防滲漏問題[16-17]，如市政工程中地鐵、橋梁施工等。其機理是將漿液灌入巖體或土層的裂隙、孔隙，形成連續(xù)的阻水帷幕，以減小滲流量和降低滲透壓力。近年來，帷幕灌漿的工藝越來越成熟，逐漸成為工程中防滲漏方面的主要技術(shù)手段，在建筑工程中對于安全運行及防滲漏起著不可替代的作用，然而帷幕技術(shù)在邊坡工程中的應用至今研究甚少。基于此，本文通過建立邊坡數(shù)值模型，模擬了帷幕對邊坡中地下水滲流過程的阻截作用效果，研究了帷幕阻截地下水滲流場的影響因素，并對邊坡中設(shè)置滲流阻截帷幕技術(shù)的關(guān)鍵問題進行討論，分析帷幕布設(shè)位置和深度對地下水滲流場的作用規(guī)律及邊坡穩(wěn)定性的響應規(guī)律，尋求通過帷幕的作用對邊坡中地下水進行控制的方法。

1 邊坡滲流阻截機理

邊坡穩(wěn)定性評價中普遍采用以極限平衡法為基礎(chǔ)的條分法[18-19]，本文對條分法計算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)進行了簡要說明，見圖1。

圖1 條分法計算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)示意圖Fig.1 Schematic diagram of slope stability coefficient calculated by slice method

條分法計算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的公式如下[20]：

(1)

其中:

土體條塊所受到的浮力為

NWi=γwhiwLicosαi

(2)

滲透壓力產(chǎn)生平行滑面分力TDi為

TDi=NWisinβicos(αi-βi)

(3)

滲透壓力產(chǎn)生垂直滑面分力為RDi為

RDi=NWisinβisin(αi-βi)

(4)

式中:Wi為第i條塊的重力(kN)；NWi為第i條塊所受到的浮力(kN)；Ci為第i條塊的黏聚力(kPa)；φi為第i條塊的內(nèi)摩擦角(°)；γw為水的容重(kN/m3);hiw為第i條塊法向力作用點距弧面的高度(m);Li為第i條塊滑面長度(m)；αi為第i條塊滑面傾角(°)；βi為第i條塊地下水流向(°)；P為地震力(地震加速度a)。

滲透力是等效的體積力，來源于滲流場中土體條塊周圍的孔隙水壓力差，宏觀上表現(xiàn)為滲流對土體骨架的拖拽作用[21]，其作用方向與滲流方向一致，滲透力和浮力聯(lián)合作用的效果與孔隙水壓力是等效的，且在流網(wǎng)比較簡單的條件下，采用滲透力計算滑坡穩(wěn)定性系數(shù)的工作量比用周邊孔隙水壓力計算要少得多[20]。

根據(jù)非飽和土力學[22]、地下水動力學[23]相關(guān)理論，地下水滲透力簡析見圖2。

圖2 邊坡滲流阻截帷幕的作用機理示意圖Fig.2 Mechanism of interception curtain in slope

由圖2可見，天然狀態(tài)下邊坡的地下水水頭線為連續(xù)的拋物線狀的曲線，在阻截帷幕作為不透水層的作用下，地下水徑流路徑發(fā)生了改變。

地下水單位體積的滲透力(kN/m3)為

(5)

式中：J為地下水滲透力(kN)；A為地下水徑流截面面積(m2)；L為地下水徑流路徑的長度(m);△hAB為水頭差(m)；γw為水的容重(kN/m3)。

由公式(5)可知，在不透水阻截帷幕的作用下，地下水徑流路徑的長度(L)增大，相比于原始狀態(tài)，地下水單位體積的滲透力減小，從而對邊坡穩(wěn)定性有利。

邊坡治理，首先要對其進行穩(wěn)定性分析，本文采用嚴格滿足平衡條件且具有良好收斂性的Morgenstern-Price法對帷幕作用的滲流阻截規(guī)律進行研究，并結(jié)合飽和非飽和滲流理論，從地下水滲流場角度，對比分析帷幕在不同位置和深度時對邊坡中地下水滲流阻截的作用效果。

2 邊坡中滲流阻截作用效果的數(shù)值模擬分析

2.1 邊坡數(shù)值模型的建立

本文借助Geo-Studio軟件對邊坡中滲流阻截帷幕的作用效果與規(guī)律進行數(shù)值模擬，采用的邊坡數(shù)值模型見圖3。

圖3 邊坡數(shù)值模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of slope numerical model

邊坡巖土體采用任珊珊等[11]模型參數(shù)，坡體為含細砂的黏土，將坡體視為均質(zhì)各向同性的連續(xù)介質(zhì)，具體參數(shù)見表1。

表1 邊坡巖土體模型參數(shù)Table 1 Model parameters of slope rock and soil

根據(jù)邊坡數(shù)值模型，通過設(shè)置單位零流量邊界模擬阻截帷幕的作用效果，由此可得到邊坡中滲流阻截帷幕示意圖，見圖4。

圖4 邊坡中滲流阻截帷幕示意圖Fig.4 Schematic diagram of slope seepage interception curtain

2.2 原始狀態(tài)下邊坡中地下水滲流場的模擬分析

本文利用Geo-Studio中SEEP/W模塊模擬得到未布設(shè)帷幕的情況下邊坡中地下水滲流場，并由此得到地下水水位線，見圖5。

圖5 原始狀態(tài)下邊坡中地下水滲流場Fig.5 Slope groundwater seepage field under initial state

由圖5可見，在原始狀態(tài)下，邊坡中地下水浸潤線是一條平滑的曲線，同時采用Morgenstern-Price法計算得到原始狀態(tài)下邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.274。

2.3 阻截帷幕作用下邊坡中地下水滲流場的模擬分析

2.3.1 阻截帷幕位置對邊坡穩(wěn)定性的影響分析

這里主要討論阻截帷幕的布設(shè)位置與邊坡穩(wěn)定性的相關(guān)性。由施工實際出發(fā)，在帷幕深入地表以下一定深度時會對邊坡中地下水產(chǎn)生阻截效應，因此考慮在潛在滑坡體中靠近坡腳位置布設(shè)帷幕更為適宜且切合實際工程需要，主要原因有兩點：一是靠近坡腳處地形略顯平緩，該處地下水往往埋藏較淺，可使帷幕有效阻截地下水滲流浸潤深度相對更大；二是該部位附近施工條件較為容易，同時經(jīng)驗算對比分析，將帷幕布設(shè)在潛在滑坡體中前部較坡后緣部分會顯著提高邊坡的穩(wěn)定性。

基于以上分析，本文分別在潛在滑坡體靠近坡腳至坡體中部不同位置布設(shè)阻截帷幕，用來探討邊坡帷幕技術(shù)的作用效果并尋求阻截帷幕的最佳布設(shè)位置。通過在坡體內(nèi)某位置設(shè)置帷幕，模擬得到阻截帷幕作用下邊坡中地下水滲流場(見圖6)，并與原始狀態(tài)下邊坡中地下滲流場(見圖5)進行了對比。

圖6 阻截帷幕作用下邊坡中地下水滲流場Fig.6 Slope groundwater seepage field under the action of interception curtain

通過對比圖5和圖6可見，在阻截帷幕的作用下，邊坡中地下水的滲流狀態(tài)發(fā)生了改變，潛在滑坡體中地下水浸潤線被分成兩段，坡體滲流被分段阻截，由此削弱了作用于坡體的地下水滲流孔隙水壓力。

通過在潛在滑坡體前緣坡腳位置附近布設(shè)相同深度的阻截帷幕，從距離坡腳0 m到16 m共布設(shè)17個不同位置的阻截帷幕(見圖7)，研究阻截帷幕位置與邊坡穩(wěn)定性的相關(guān)性，模擬得到不同位置阻截帷幕作用下邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，見圖8。

圖7 不同位置的阻截帷幕示意圖Fig.7 Schematic diagram of interception curtains at different positions

圖8 在不同位置和深度阻截帷幕作用下邊坡的 穩(wěn)定性系數(shù)Fig.8 Stability coefficient of slope under the action of interception curtains of different position and depth

通過分析上述模擬結(jié)果可知，經(jīng)過與原始狀態(tài)即未設(shè)置帷幕的情況進行對比，在坡體中設(shè)置帷幕能有效地改善邊坡的穩(wěn)定性，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)由1.274提升到1.35，帷幕最佳的布設(shè)位置在距離坡腳的水平距離為5～7 m之間(見圖8)。除此之外，由于帷幕的作用，邊坡中地下水滲流路徑被改變，其作用于坡體的地下水滲流孔隙水壓力隨著帷幕深度的增加而降低，但帷幕作用下滑面無顯著改變。

2.3.2 阻截帷幕深度對邊坡穩(wěn)定性的影響分析

由上述模擬結(jié)果可知，距離坡腳相同位置隨著帷幕深度的增加，其阻截坡體地下水滲流的效果越顯著，故本文選取距離坡腳的水平距離分別為5 m、6 m、7 m處不同深度帷幕阻截坡體地下水滲流的作用效果進行了深入研究，見圖9。

圖9 不同深度阻截帷幕作用下邊坡中地下水滲流場 和邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)Fig.9 Groundwater seepage field and stability coefficient of slope under the action of interception curtains of different depth

由圖9可見，在距離坡腳相同水平距離處，隨著帷幕深度的增加，其改變地下水滲流場的作用效果相應提升，邊坡穩(wěn)定性顯著提高，總體呈現(xiàn)出正相關(guān)性，帷幕作用后坡體中地下水滲流孔隙水壓力明顯降低，并且不同位置的帷幕阻截坡體滲流的作用效果不同，其作用效果受帷幕的位置和深度的共同影響；對比有、無帷幕作用下的地下水滲流路徑具有明顯的差異，即相對于原始邊坡，帷幕的加入使得其滲流路徑與未設(shè)置帷幕前的原滲流路徑之間的土體區(qū)域受水的影響減小，一方面增大了地下水滲流路徑長度，整個滲流過程中滲透壓力降低對邊坡的穩(wěn)定有利；另一方面帷幕的作用直接引起帷幕周邊地下水浸潤線下降，由此地下水與上層土體接觸面積減小，減弱了地下水對土體的影響，同時該區(qū)域土體由最初的飽和狀態(tài)變?yōu)榉秋柡蜖顟B(tài)，使邊坡下滑力下降，有利于邊坡穩(wěn)定。除此之外，帷幕的作用將原始坡體中地下水浸潤線分為“兩段”，使得土體整體性提高，靠近坡腳下段抗滑力增大，有利于邊坡的穩(wěn)定。

2.4 降雨條件下阻截帷幕作用效果的模擬分析

降雨是引起邊坡中地下水滲流場變化的主要因素之一，邊坡工程常見于降雨工況下發(fā)生失穩(wěn)，為了研究阻截帷幕在邊坡中的作用效果，對不同降雨工況條件下帷幕對邊坡中地下水滲流的阻截作用效果進行了數(shù)值模擬分析。

降雨對邊坡的作用受控于累計雨量、降雨持續(xù)時間、降雨強度等，為了研究降雨作用下帷幕對邊坡中地下水滲流的阻截規(guī)律，本文基于以上討論，根據(jù)中國氣象局的雨量分級標準并結(jié)合工程實際，對中雨、大雨、暴雨和特大暴雨的降雨情況分別以25 mm/d、50 mm/d、75 mm/d和100 mm/d的降雨強度、降雨持續(xù)時間24 h為條件，降雨過程共120 h進行模擬研究。

2.4.1 降雨條件下邊坡穩(wěn)定性分析

基于上述分析，本文分別對不同降雨條件下邊坡的穩(wěn)定性進行模擬，其結(jié)果見圖10。

由圖10可見，降雨入滲會導致邊坡穩(wěn)定性急劇下降，降雨強度增大和降雨持續(xù)時間的累積都對邊坡穩(wěn)定不利，但整個降雨過程中邊坡穩(wěn)定性在80 h后恢復。

2.4.2 降雨條件下阻截帷幕的作用效果分析

結(jié)合上節(jié)分析結(jié)果，當固定帷幕位置距離坡腳為6 m處時，對不同降雨工況與帷幕深度的相關(guān)性進行了模擬，其結(jié)果見圖11。

圖10 不同降雨條件下邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)Fig.10 Slope stability coefficient under different rainfall conditions

圖11 不同降雨工況與帷幕深度的相關(guān)性Fig.11 Interception curtain effect under different rainfall conditions

由圖11可見，帷幕的作用能改善坡體的穩(wěn)定性;經(jīng)過對比，在不同的降雨條件下由于帷幕的作用,邊坡的滑動范圍、深度、最危險滑動面等均未發(fā)生顯著的改變，帷幕的加入主要改變了原始邊坡中地下水的滲流場。

通過分析圖9至圖11可知，在有、無降雨作用的條件下帷幕對于阻截地下水滲流、提高邊坡穩(wěn)定性的作用效果均較為顯著；在不同降雨工況下，帷幕對地下水滲流的阻截作用能夠明顯提高邊坡的穩(wěn)定性，且在距離坡腳相同水平距離處，隨著帷幕深度的增加其對地下水滲流的阻截作用越顯著，由此說明借助帷幕能夠提高邊坡在降雨條件下的穩(wěn)定性，達到滑坡防治的目的。

4 結(jié)論與建議

本文基于飽和非飽和相關(guān)理論，建立了邊坡數(shù)值模型，對邊坡中滲流阻截帷幕的作用效果進行了數(shù)值模擬研究，得到如下結(jié)論：

(1) 提出 “滲流阻截”地下水從而削弱邊坡中地下水滲流作用的邊坡防治方法。從理論方法上證實通過阻截帷幕改變邊坡中地下水滲流場，從而改善邊坡的穩(wěn)定性，達到對邊坡進行防治的目的。

(2) 通過數(shù)值模擬，研究了阻截帷幕布設(shè)位置與邊坡穩(wěn)定性的相關(guān)性。通過在邊坡潛在滑動區(qū)不同位置、不同深度布設(shè)阻截帷幕，結(jié)果表明阻截帷幕作用在邊坡中前部的位置對于提升邊坡穩(wěn)定性的效果更為顯著，且阻截帷幕的作用效果由其深度和位置共同控制。

(3) 通過不同降雨工況的對比，阻截帷幕的加入改變了坡體內(nèi)地下水滲流場，一定深度范圍內(nèi)，相同位置處阻截帷幕的作用效果與帷幕深度成正相關(guān)性，帷幕能起到改善邊坡穩(wěn)定性的作用，達到邊坡防治的目的。

本文旨在探索一種新的邊坡防治思路，從引起邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵——坡體滲流場的角度，對坡體內(nèi)地下水滲流場進行滲流阻截，經(jīng)過理論分析與模擬研究證實本文的方法切實可行，可為邊坡工程治理提供借鑒。另外，該思路從“防滲阻截”邊坡防治水的核心理念，強調(diào)“阻截”對坡體滲流場的作用，打破了傳統(tǒng)邊坡防護中只通過排水進行治水的局限。

本文研究采用模型模擬，將帷幕設(shè)置為不透水界面，實際施工過程中建議采用回填黏土、粉煤灰等滲透性極小的物質(zhì)，基于帷幕阻截作用規(guī)律并根據(jù)實際工程條件采用靈活的帷幕布設(shè)方式，以提高邊坡排水防治的效果。由于工程實際施工條件的原因，實際工程可參照具體工程難度對帷幕進行合理布置，以獲得較為理想的阻截效果。