吳紅剛，謝顯龍，武志信，牌立芳

(1.中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730070； 2.中國中鐵滑坡工程實驗室，甘肅 蘭州 730070；3.西部環(huán)境巖土及場地修復(fù)技術(shù)工程實驗室，甘肅 蘭州 730070；4.西南交通大學地球科學與環(huán)境工程學院，四川 成都 611756；5.蘭州交通大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

高填方工程是指在山區(qū)或丘陵地區(qū)最大填方高度或填方邊坡高度大于等于20 m的工程[1]。為了修建高填方工程采用“削坡填溝”的方式，這類工程的地形地貌條件，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，將會改變本地區(qū)地下水補給，地表水徑流和排水條件等[2]。

許多學者對高填方邊坡地下水分布模式進行探索。張繼文等[3]，劉智等[4]，對某黃土高填方工程施工期和竣工后的地下水位、地表水入滲情況進行了監(jiān)測和分析，得出填方施工抬高了局部地下水排泄基準面，工后形成了穩(wěn)定的排水通道。WU L Z[5]，劉俊新等[6]應(yīng)用COMSOL數(shù)值模擬，研究了地表徑流對地下水滲流的影響，得出邊坡滲透側(cè)壓力系數(shù)大于垂直方向的滲透系數(shù)。李攀峰等[7]，劉宏等[8]，胡卸文等[9]對地下水分布情況以及地下水位對工程的影響進行了研究，得出地下水位對工程穩(wěn)定性最不利的位置。通過研究發(fā)現(xiàn)，上述學者都對地下水關(guān)于邊坡穩(wěn)定性的影響進行了研究。但對填料黏粒含量和不同壓實工藝情況下的高填方邊坡地下水分布規(guī)律并沒有進行深入研究。

鑒于此，本文以攀枝花機場為研究對象，機場13#滑坡-9#滑坡段黏粒含量高，滲透性差。12#滑坡以北地段填料黏粒含量相對較低，滲透性、連通性較好，坡體地下水滲流條件較好。因13#滑坡滲透性較差，滲透系數(shù)小，地下水下滲過程中停滯在填土層中，致使土體自重增加，影響邊坡穩(wěn)定性。故選用13#滑坡位研究對象。通過對攀枝花機場13#邊坡地下水滲流場演化過程模擬研究人工填土，殘積坡層，基層的滲透性變化，綜合滲流分析理論及高填方邊坡滲流場、位移場計算，揭示了基于填料及壓實工藝特性的高填方系統(tǒng)地下水分布及演化規(guī)律研究。

1 影響高填方邊坡地下水分布的主要因素

目前西南地區(qū)在建和已建的高填方工程有攀枝花機場、九寨黃龍機場、荔波機場、龍洞堡機場、六盤水月照機場、重慶江北機場、貢嘎機場、邦達機場等 30 多個機場；大準鐵路K36+480 處填方路基，重鋼鐵路SDK3+180～+595段等多條鐵路干線；圖琿高速公路RK365+510段，貴廣高速ZK123+840～ZK124+040等多條公路干線，這些工程都具有高填方、地下水分布不均、場區(qū)地質(zhì)復(fù)雜等特點。

結(jié)合現(xiàn)場工程實例，通過對現(xiàn)有高填方工程建設(shè)資料的分析和歸納，將影響高填方邊坡地下水分布的主要因素總結(jié)為：分層填筑、填料類型(黏粒含量)、壓實工藝三大類。

1.1 分層填筑

分層填筑方法是填方邊坡采用最為廣泛的方法，應(yīng)用分層填筑方法能夠有效的減小孔隙率，土體中的氣相不斷減小，從而增加了土體的密實性，提高了土體強度[10]。

人工填土填筑階段，隨著多級填筑逐步完成，由于填土透水性強于殘坡積土層，地下水水位開始上升到填土層內(nèi)部，上游流量變化較小，中游和下游流量增大，會使地下水位進一步抬高。某機場不同工況地下水位變化如圖1所示(以計算模型底邊界為基準面)。

圖1 某機場不同工況地下水位變化圖Fig.1 Variation of groundwater level under different conditions of an airport

1.2 黏粒含量

由于高填方工程建設(shè)需要大量填料，為降低成本，一般都采取就地取材的方式，因地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造和地層成因類型不同, 所以在山區(qū)高填方工程中的填料性質(zhì)會有很大差異，以挖方區(qū)爆破開挖產(chǎn)生的塊碎石填料為主(其中以巨粒土最為常見)[11]。

以攀枝花機場為例，人工填筑土在13#滑坡-9#滑坡段多以黏土夾碎石、角礫土為主，在12#滑坡以北地段多以碎、塊石土為主。黏粒含量較多的填料在壓實后孔隙率較黏粒含量少的填料孔隙率減小，會使地下水滲透性變差，導致其流速流量發(fā)生改變，間接對地下水水位起一定的變化。

1.3 壓實工藝影響

填筑體的控制是高填方工程控制的核心，而壓實度是填料施工質(zhì)量是否合格的核心指標。是提高路基強度與穩(wěn)定性的重要技術(shù)環(huán)節(jié)[12-14]。

當鋪設(shè)厚度相同時，隨著碾壓遍數(shù)的增加，填土內(nèi)部的氣體會被擠出，空隙率降低，滲透性減弱，換填黏性土料處理層的滲透系數(shù)總體上呈減小趨勢。某高填方鋪設(shè)厚度相同滲透系數(shù)與壓實遍數(shù)關(guān)系如圖2所示。

圖2 某高填方鋪設(shè)厚度相同滲透系數(shù)與壓實遍數(shù)關(guān)系圖Fig.2 Lay out the relationship between permeability coefficient and compaction times

2 基于數(shù)值模擬的高填方邊坡地下水分布規(guī)律

以攀枝花13#滑坡為研究對象采用有限元數(shù)值模擬(圖3)，軟件PLAXIS分析高填方邊坡中地下水分布規(guī)律。相對于傳統(tǒng)邊坡工程的極限平衡分析方法，PLAXIS使用土體本構(gòu)模型和各種結(jié)構(gòu)單元來真實模擬邊坡坡體及其復(fù)雜邊界條件，包括坡體的土巖接觸面、坡體內(nèi)部的原始滑移帶等地層結(jié)構(gòu)，以及地下水的變化和影響等[15-16]。

2.1 工況設(shè)計

各影響因素按照單因素變量變化進行分析,便于總結(jié)各因素的影響程度。

(1)高填方邊坡分層填筑過程

考慮大氣降水的直接入滲補給，地表徑流補給對滲流場的殘剩的影響。對于人工填土部分，采用分級填筑的方式進行分析，模擬填方施工對邊坡應(yīng)力場和滲流場的影響。

(2)填料黏粒含量以及填料滲透性變化

考慮隨著填料黏粒含量的變化，其滲透性發(fā)生相應(yīng)變化，對邊坡滲流場產(chǎn)生影響。填料滲透性以當前基本滲透系數(shù)為基準，滲透系數(shù)比例按照1∶2∶4三種情況進行分析。

(3)壓實工藝以及殘坡積層滲透性變化

考慮壓實工藝對殘坡積土層壓密程度的影響，導致其滲透性變化對邊坡滲流場的影響。殘坡積土層滲透性以當前基本滲透系數(shù)為基準，滲透系數(shù)比例按照1∶2∶4三種情況進行分析。

圖3 攀枝花13#滑坡模型圖Fig.3 Model of the 13# Landslide in Panzhihua

2.2 有限元模型建立

為保證計算精度高，能很好的適應(yīng)邊界條件，更加準確地計算有限單元的應(yīng)力應(yīng)變[17-18]。如圖4有限元分析模型中土層和混凝土擋土墻采用實體單元模擬，實體單元的有限元網(wǎng)格采用15節(jié)點高階三角形單元，填土與殘坡積土分界面、殘坡積土與巖層分界面、老滑坡面均采用10節(jié)點高階接觸面單元，該單元可表達兩種材料相互接觸時的剪切、拉壓作用。

圖4 有限元分析模型Fig.4 Finite element analysis model

為了表達土體和接觸面材料的剪切破壞特征分析模型中土層實體單元和接觸面單元均采用經(jīng)典摩爾—庫倫本構(gòu)模型如圖5所示，摩爾—庫倫模型在主應(yīng)力空間中的屈服面。

圖5 摩爾—庫倫模型在主應(yīng)力空間中的屈服面Fig.5 Yield surface of the Mohr-Coulomb model in the principal stress space

高填方邊坡工程中人工填土、殘坡積土層、填土與殘坡積土分界面、殘坡積土與巖層分界面、老滑坡面的基本物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 巖土基本物理力學參數(shù)表

2.3 分層填筑過程

為了對填方工程和地下水位變化引起地下水滲流場變化進行詳細分析，在邊坡坡肩(上游)、一級馬道(中游)及坡腳(下游)位置處分別設(shè)置監(jiān)測斷面，有限元模型中的監(jiān)測斷面如圖6所示。地下水補給前后水位的滲流場變化如圖7所示。

圖6 邊坡分析監(jiān)測斷面設(shè)置Fig.6 The setting of slope analysis and monitoring section

圖7 地下水補給前后水位的滲流場變化圖Fig.7 Seepage field variation of groundwater level before and after recharging

邊坡填方之后，在原始地下水補給條件下，地下水滲流場由原來沿殘坡積層、強風化巖表層形成一定的地表徑流，演化為沿填方土層內(nèi)部滲流，在坡腳位置局部出露地表；隨著地下水補給水位抬升，填方土體內(nèi)水位不斷升高，形成新的地下水滲流場，地下水水位線主要位于二級馬道以下的填方土層。不同分析工況下邊坡滲流場及穩(wěn)定性結(jié)果如表2所示。不同工況下各斷面邊坡流量變化如圖8所示。

表2 不同分析工況下邊坡滲流場及穩(wěn)定性結(jié)果匯總表

圖8 不同工況下各斷面邊坡流量圖Fig.8 Summary of slope seepage field and stability results under different analysis conditions

對不同分析工況下邊坡滲流場及穩(wěn)定性結(jié)果進行匯總：

(1)原始邊坡地下水滲流位于表層殘坡積層內(nèi)，從上游到下游各斷面滲流流量相對穩(wěn)定；

(2)人工填土填筑階段，隨著多級填筑逐步完成，地下水位開始上升到填土層內(nèi)部，上游流量變化較小，中游和下游流量增大，地下水在人工填土滲流的過程中由于土體介質(zhì)均勻其運動是連續(xù)的，方向一定。當滲流到人工填土下部時受重力，孔隙率作用其流量達到最大值。人工填土能夠抬升部分溝谷地下水排泄基準面，從而保證足夠的水力梯度使地下水排出；

(3)地下水補給水位抬升階段，受區(qū)域構(gòu)造影響基巖層面呈起伏狀，地下水會沿著基巖—原始地面層滲出。斷面A位于邊坡內(nèi)部且殘積坡土的厚度較薄，流量較大。斷面B位于斜坡中央且底部的殘積土厚度較厚，地下水滲流過程中受高密度介質(zhì)的阻擋流量減小。斷面C位于坡腳地下水會沿層面、層間裂隙向巖層傾伏方向徑流，至低地勢含水層出露處排泄。

2.4 填料黏粒含量以及填料滲透性

填料滲透性變化對高填方邊坡滲流場、位移場、應(yīng)力場(穩(wěn)定性)的影響分析結(jié)果如圖9～圖11、表3所示。

圖9 填料1倍與填料4倍滲透系數(shù)對應(yīng)的滲流場Fig.10 The seepage field corresponding to permeability coefficients under 1 time of fillerand 4 times of filler

隨著填料黏粒含量變化，當填土層滲透性增大時，地下水補給水位抬升之后高填方邊坡內(nèi)地下水水位線不斷下降，滲流場從填土層內(nèi)部逐漸向填土與殘坡積土界面處移動。水力梯度C>B>A，由于A斷面的高程最高，當滲透系數(shù)不斷增大時，其水位線會不斷下降造成A處流量變小。地下水會沿著基巖—原始地面層滲出，斷面C位于坡腳流量最大，A處的流量最小。

表3 不同分析工況下邊坡滲流場及穩(wěn)定性結(jié)果匯總表

圖10 填料1倍與4倍滲透系數(shù)對應(yīng)的位移場Fig.10 Displacement field corresponding to 1 times of filler and 4 times filler

圖11 不同工況下斷面位移圖Fig.11 Section displacement under different working conditions

人工填土層中當滲透系數(shù)變小時，地下水在填筑邊坡內(nèi)的富集，增加坡體的自重。導致填筑體底部含水量的增大，弱化了其物理力學性能，使邊坡位移增大。

殘積土層中當其滲透系數(shù)逐步提高時，上層土體自重減小，地下水位降低導致邊坡水平位移不斷減小，在滲透系數(shù)提高至4倍時，其位移值減小約2倍(尤其在坡腰與坡腳位置，對邊坡穩(wěn)定性影響較大)。

地下基巖結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，地下水在該處多以層間裂隙水賦存，砂巖堅硬，裂隙較發(fā)育，滲透系數(shù)改變位移變化幅度較小。

2.5 殘坡積土層滲透性

殘坡積土層滲透性變化對高填方邊坡滲流場、位移場的影響分析結(jié)果如圖12～圖14所示。

圖12 殘坡積土換填對應(yīng)的滲流場Fig.12 Seepage field corresponding to the replacement of residual slope soil

隨著殘坡積土壓實度變化，當殘積土層滲透性增大時，地下水補給水位抬升之后高填方邊坡內(nèi)地下水水位線逐漸下降，但相較于填土層滲透性變化引起的地下水位變化，其幅度較小。殘積土換填為人工填土之后，巖層以上視為均質(zhì)填土材料，其地下水位變化不明顯。不同壓實工藝工況下流量及位移變化如表4、表5所示。

表4 不同壓實工藝工況下滲流場及穩(wěn)定性結(jié)果匯總表

圖14 不同工況下殘坡積土斷面流量變化圖Fig.14 Flow chart of section slope under different working conditions

分析工況邊坡水平位移最大值/m斷面A-A'斷面B-B'斷面C-C'基本滲透系數(shù)0.170.220.302倍滲透系數(shù)0.170.180.224倍滲透系數(shù)0.160.170.20

對上述結(jié)果匯總：

(1)當土殘坡積滲透系數(shù)提高時，土體透水性增強，邊坡自重減小，邊坡安全系數(shù)提高；殘積土換填為人工填土之后，其透水性和抗剪強度均有所提高，邊坡安全系數(shù)也會提高；

(2)殘坡積土含有較多的黏土礦物，會使?jié)B透系數(shù)減小，換填后滲透系數(shù)增大，各斷面流量增大幅度明顯，地下水位降低，會進一步使位移減小?？v向上各斷面位移隨著滲透系數(shù)怎大位移會減??；橫向上由于地下水會沿著基巖—原始地面層滲出，區(qū)內(nèi)滑坡的成因是由其特殊的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征及基巖-堆積層接觸帶水共同作用的結(jié)果。會導致水平位移由A-C斷面不斷增大；

(3)殘積土換填為人工填土之后，巖層以上視為均質(zhì)填土材料，地下基巖結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，其地下水位變化不明顯，人工填土對地下水位和流量，位移的影響很小。

3 結(jié)論與建議

以攀枝花機場13#高填方邊坡為依托，通過數(shù)值計算中的單因素變量分析法，對填料黏粒含量變化、壓實工藝導致殘坡積層密實度變化對坡體地下水滲流場與力學-位移場耦合計算影響進行了研究，得到如下結(jié)論。

(1)通過分析填料黏粒含量變化(相同壓實工藝下其對應(yīng)的滲透性一般有明顯變化)對滲流場的影響，得出如下規(guī)律：填土黏粒含量越高，對應(yīng)的透水性也越弱，邊坡內(nèi)地下水流速減小、填土內(nèi)水位線升高，地下水補給水位抬升時邊坡位移增大，安全系數(shù)下降。

(2)通過分析填土壓實工藝變化(其對下臥殘坡積層的壓實度具有一定程度的影響)對滲流場的影響，得出如下規(guī)律：殘坡積土壓實度越高，對應(yīng)的透水性也越弱，邊坡內(nèi)地下水流速減小、填土內(nèi)水位線略有升高，地下水補給水位抬升時邊移增大，安全系數(shù)有所下降。

(3)針對山區(qū)機場高填方體，建議在修筑高填方體時，在其底部設(shè)計一定數(shù)量的盲溝。及時排除多層段滲出的地下水。盲溝設(shè)置在低于地面的位置，通過盲溝地下水能夠有效地排出高填方邊坡外。