黃土區(qū)施工開挖對滲流場的改變及邊坡穩(wěn)定性影響

張延倉, 馬貴生

(長江巖土工程總公司(武漢),湖北 武漢　430010)

1　概述

南水北調(diào)中線一期穿黃工程位于河南省滎陽市王村鎮(zhèn)李村提灌站附近的黃河河段內(nèi),過南岸邙山設(shè)計方案為明渠和隧洞。

明渠為挖方渠道,位于邙山南側(cè),地面高程130.60～166.37 m,地面坡降2.3‰～1.2%。設(shè)計渠道底板高程109.15～112.00 m,挖方深18.60～57.22 m。黃土中地下水位108.84～139.27 m,最高點高于渠道底板30.12 m。設(shè)計采用單級陡坡結(jié)合寬馬道的邊坡形式,單級坡高10 m,坡比1∶0.7～1∶2.25,馬道寬度11.30～22.00 m,綜合坡比1∶2.5。施工過程中,為保證開挖邊坡的穩(wěn)定性,采用井點降水,將渠道沿線地下水位降低至渠道底板以下。

退水洞出口邊坡高約83 m,原始邊坡坡度一般為40°～45°,局部達50°,處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。為保證退水洞的安全運行,對退水洞出口邊坡進行了治理,治理后的退水洞出口邊坡呈扇形布置。削坡后,兩側(cè)邊坡設(shè)置了7級單級坡,單級坡高10 m,坡比1∶0.7,馬道寬13.0～26.8 m;中部邊坡布置有“之”形下河道路,一共設(shè)計5級單級坡,坡高15 m,單級坡比由1∶0.7漸變?yōu)?∶1,馬道寬度8.0～20.3 m。施工過程中,采取了井點降水措施,退水洞沿線的地下水位均有不同程度的降低。

由于渠道與退水洞的開挖,以及施工過程中的降水措施,改變了邙山黃土中地下水的滲流場,而滲流場的改變勢必對渠道開挖邊坡和退水洞出口邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響,因此分析地下水滲流場改變對邊坡穩(wěn)定性的影響,進而采取工程措施消除其不利影響,保證工程的安全運行是必要的。

2　施工前黃土地下水滲流場特征

2.1　邙山黃土地下水補、徑、排特點

由于邙山黃土地下水的主要補給源是大氣降水，而邙山地區(qū)屬于大陸性半干旱季風(fēng)氣候，多年平均降水量約為600 mm，最大月降雨量328 mm,補給量有限。邙山黃土顆粒組成以粉粒為主，滲透系數(shù)較低，屬弱—中等透水性。有自然狀態(tài)下，邙山北坡黃土中的地下水向黃河排泄，在坡腳有地下水出滲點；邙山南坡黃土地下水向沖積平原區(qū)滲流，具滲流坡降小、滲透速度低的特點。地表黃土天然含水量6%～8%，自上向下逐漸增高，至地下水線以上毛細水影響區(qū)，天然含水量在18%～23%之間。地下水位線以下，黃土天然含水量25%～27%。

邙山黃土由上更新統(tǒng)黃土和中更新統(tǒng)黃土類土組成,黃土厚42.8～43.0 m,主要由粉粒組成,含量63%～84%;黃土類土與黃土的顆粒組成相近,但其密度稍高,滲透性略低,其中夾有多層古土壤層,古土壤為粉質(zhì)粘土,為相對隔水層。

在黃土含水層中進行了鉆孔抽水、自振法、試坑滲水和室內(nèi)滲透等水文地質(zhì)試驗,試驗結(jié)果見表1。從中可以看出,黃土在水平方向上的滲透系數(shù)比垂直方向上的稍小,但均屬弱透水性,表層2～3 m滲透系數(shù)稍大,為中等透水。

表1　不同試驗方法所測滲透系數(shù)值

抽水試驗三次降深的影響半徑值列于表2。從水文地質(zhì)試驗成果分析,可以得出以下結(jié)論:

(1)黃土含水層的影響半徑較小,約為30 m。

(2)邙山黃土垂直節(jié)理不發(fā)育,因此其滲透系數(shù)并未反映出各向異性的特點,因此可以把黃土看作均質(zhì)、各向同性含水層。

(3)由于抽水井處地勢平緩,地下水力梯度較小,再加上含水層的均質(zhì)與各向同性特性,因此平行與垂直地下水流向方向上影響半徑基本相同。

(4)綜合分析認為,在施工排水設(shè)計時黃土含水層的滲透系數(shù)可取1.0×10-4cm/s[1]。

表2　黃土含水層影響半徑

圖1　邙山黃土地下水等水位線圖

2.2　邙山黃土地下水滲流場特征

邙山黃土地下水主要接受大氣降水補給,滲流場主要受地形控制。邙山屬黃土梁地貌,主脊呈東西向,梁頂高程180余米,高出黃河灘地80余米。北坡陡,坡度一般為40°～45°,局部達50°;南坡緩,坡比2.3‰～1.2%。

在南水北調(diào)渠道軸線附近,邙山黃土中的地下水存在一分水嶺,地下水位139 m,分水嶺走向與邙山主脊走向基本一致,地下水分別向分水嶺南北流動,見圖1和圖2。分水嶺以南,地下水位109～139 m,水力坡降約0.005。分水嶺以北,地下水位135～139 m,水力坡降0.007,地下水在黃河南岸邙山坡腳部滲出。根據(jù)地下水觀測資料,地下水位年變幅在0.3～0.8 m之間。

圖2　邙山黃土地下水位及分水嶺

3　工程施工對邙山黃土地下水滲流場的改變

3.1　明渠施工降水

明渠施工前,在渠道兩側(cè)邊坡布置了兩排降水井,井間距20 m,排距60～98 m,井深50～80 m,井徑400 mm。

因黃土屬弱透水性,成井后不能維持大泵量下的穩(wěn)定抽水,只能采用間歇抽水,即:抽水到井內(nèi)無水可抽→停抽使水位恢復(fù)→然后再繼續(xù)抽。抽水初始平均單井涌水量240 m3/d,在最初的8 d內(nèi),平均單井涌水量降幅較大,約為18 m3/d;隨后降幅變小,約為0.56 m3/d。降深隨時間變化具有同樣的規(guī)律性,見圖3。

圖3　施工降水涌水量、降深變化曲線

典型斷面地下水位觀測結(jié)果顯示,降水初期地下水最大降深位于距降水井約19 m處的渠道內(nèi)側(cè),而不是降水井處,渠道軸線處地下水位高于降水井處約3 m,隨著抽水的延續(xù),這一現(xiàn)象逐漸消失。

水位下降到120 m高程后,單井出水量約30 m3/d。地下水位最大降幅為27.4 m。由于渠道襯砌后設(shè)置有排水,渠道充水運行后地下水將有所回升,但較初始地下水位仍低17.3 m。如圖4所示。

3.2　退水洞施工降水

退水洞施工期布置了兩排降水井,分別位于退水洞兩側(cè),井間距7.5～15.0 m,距退水洞軸線7 m,井深60～108 m,井底高程低于退水洞底板25 m,井徑600 mm,井管內(nèi)徑300 mm,為真空井。

過濾器為無砂管外包60～80目的紗網(wǎng),濾料為礫砂。地表以下為4 m鋼管,地下水位以上采用混凝土實管,地下水位以下為無砂管,井底沉淀管長10 m。

降水初期,單井出水量17.76～34.56 m3/d。后期,由于反濾層淤堵等原因,單井出水量大幅降低。2012年1月,現(xiàn)場實測單井平均出水量1.13 m3/d。

圖4　邙山渠道地下水位變化圖

退水洞的降水效果并不理想,但施工過程中洞內(nèi)排水與井點降水疊加,洞軸線的地下水位仍有較大幅度降低,大約為17～21 m。

3.3　地下水滲流場的改變

施工降水后,工程軸線附近的地下水位大幅降低,地下水滲流場顯著改變,與初始滲流場比較而言,施工后的地下水滲流場具有如下特點:

(1)施工降水后,沿工程軸線形成地下水深槽。由于黃土的滲透性較低,影響半徑較小,因此地下水深槽并不寬。也就是說,對初始地下水滲流場的影響范圍僅局限于工程軸線附近的小區(qū)域內(nèi)。

(2)地下水深槽兩側(cè)的地下水流向深槽內(nèi),深槽內(nèi)的地下水沿深槽分別流向南北,地下水分水嶺在深槽內(nèi)仍然存在,只不過稍向北移動了。

(3)與初始水力梯度相比,地下水深槽內(nèi)的水力梯度增大了,由原來的5‰增加到9%,即地下水的滲流速度增加了。

4　滲流場改變對邙山黃土邊坡穩(wěn)定性的影響

4.1　滲流場改變對渠道邊坡穩(wěn)定性的影響

在渠道段,由于施工降水,渠道邊坡內(nèi)的地下水位下降,對渠道邊坡穩(wěn)定性有利。一方面邊坡土體內(nèi)的水壓力消失了,另一方面邊坡土體的抗剪強度增加了。

圖5為黃土固結(jié)快剪(直剪)強度隨含水率變化的散點圖,從中可見:黃土的抗剪強度隨含水率的增加而減小,凝聚力與含水率具有冪函數(shù)的關(guān)系;而內(nèi)摩擦角與含水率基本上為線性關(guān)系[2]。

圖5　黃土固結(jié)快剪抗剪強度隨含水率變化散點圖

渠道施工降水并開挖至高程120 m后(原地下水位133 m),在渠坡上取樣進行了含水率試驗。降水后,地下水位以上5 m范圍內(nèi)渠坡土體含水率降低了約10%。根據(jù)已建立的抗剪強度與含水率的相關(guān)關(guān)系計算,內(nèi)摩擦角增加了2°,凝聚力增加了5 kPa。

4.2　邙山北坡地下水滲流場的變化

受施工井點降水和退水洞開挖的影響,地下水位已發(fā)生較大變化,與勘察期間地下水位對比,地下水位下降了17～21 m。沿退水洞軸線的塌落區(qū)形成了地下水深槽,地下水的滲流場已經(jīng)發(fā)生了改變。地下水深槽南、東、西三面的地下水向深槽匯集,再排向黃河。

退水洞施工過程中,發(fā)生過多次坍塌,沿退水洞軸線形成了塌落區(qū)及其影響區(qū)。塌落區(qū)內(nèi),地下水位以上的塌落土均較松散,天然容重顯著降低,約為原狀土的87%,孔隙比增大了19%。地下水位以下的塌落土和擾動土的含水率增加了約5%(由原狀土的23.5%增加到28.46%),孔隙比增加了26%,抗剪強度降幅較大,c值降低了60%,φ值降低了57%。顯然土體性

質(zhì)的變化使得其滲透系數(shù)明顯增加,加速了地下水的滲透速度。

資料表明,塌落區(qū)外形成的影響區(qū)寬度約為22 m,在影響區(qū)內(nèi),土體中形成了一些微裂隙,有些裂隙延伸到了地表,可見最大裂縫寬度5 cm左右。這些裂隙基本上平行于隧洞軸線,由于塌落區(qū)較多,每次塌落形成的這些裂隙也基本上貫穿了。微裂隙的存在,影響區(qū)內(nèi)的土體滲透性有所增加,加速了地下水的徑流。

綜上所述,由于滲流場的改變,在大氣降水下滲與地下水徑流的共同長期作用下,可能在塌落區(qū)及其附近產(chǎn)生潛蝕作用,形成潛蝕洞穴,影響邊坡穩(wěn)定性。

5　結(jié)論

南水北調(diào)邙山渠段,地下水位高。在施工降水、施工排水等作用下,軸線附近的地下水位降低很多,地下水滲流場發(fā)生了很大變化。地下水滲流場的改變對渠道邊坡和退水洞邊坡穩(wěn)定具有一定的影響。對渠道邊坡,由于地下水位的下降,邊坡土體的強度增加,土體中水壓的消失,邊坡穩(wěn)定狀況明顯好轉(zhuǎn)。對退水洞出口邊坡,地下水滲流場的改變,地下水向軸線附近匯聚并最終排向黃河,水力梯度增加,塌落區(qū)土體性質(zhì)的變化與影響區(qū)土體裂隙的產(chǎn)生,共同導(dǎo)致地下水流速的提高,在塌落區(qū)及其影響區(qū)產(chǎn)生潛蝕作用,形成潛蝕洞穴,影響邊坡穩(wěn)定性。

參考文獻：

[1]馬貴生,張延倉.邙山黃土水文地質(zhì)條件及其對工程邊坡穩(wěn)定的影響[J].人民長江,2007(9)：26-27.

[2]馬貴生,張延倉.南水北調(diào)中線邙山黃土邊坡穩(wěn)定性分析[J].人民長江,2007(9)：23-25.