吴红刚，谢显龙，武志信，牌立芳

(1.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730070； 2.中国中铁滑坡工程实验室，甘肃 兰州 730070；3.西部环境岩土及场地修复技术工程实验室，甘肃 兰州 730070；4.西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川 成都 611756；5.兰州交通大学土木工程学院，甘肃 兰州 730070)

0 引言

高填方工程是指在山区或丘陵地区最大填方高度或填方边坡高度大于等于20 m的工程[1]。为了修建高填方工程采用“削坡填沟”的方式，这类工程的地形地貌条件，水文地质条件复杂，将会改变本地区地下水补给，地表水径流和排水条件等[2]。

许多学者对高填方边坡地下水分布模式进行探索。张继文等[3]，刘智等[4]，对某黄土高填方工程施工期和竣工后的地下水位、地表水入渗情况进行了监测和分析，得出填方施工抬高了局部地下水排泄基准面，工后形成了稳定的排水通道。WU L Z[5]，刘俊新等[6]应用COMSOL数值模拟，研究了地表径流对地下水渗流的影响，得出边坡渗透侧压力系数大于垂直方向的渗透系数。李攀峰等[7]，刘宏等[8]，胡卸文等[9]对地下水分布情况以及地下水位对工程的影响进行了研究，得出地下水位对工程稳定性最不利的位置。通过研究发现，上述学者都对地下水关于边坡稳定性的影响进行了研究。但对填料黏粒含量和不同压实工艺情况下的高填方边坡地下水分布规律并没有进行深入研究。

鉴于此，本文以攀枝花机场为研究对象，机场13#滑坡-9#滑坡段黏粒含量高，渗透性差。12#滑坡以北地段填料黏粒含量相对较低，渗透性、连通性较好，坡体地下水渗流条件较好。因13#滑坡渗透性较差，渗透系数小，地下水下渗过程中停滞在填土层中，致使土体自重增加，影响边坡稳定性。故选用13#滑坡位研究对象。通过对攀枝花机场13#边坡地下水渗流场演化过程模拟研究人工填土，残积坡层，基层的渗透性变化，综合渗流分析理论及高填方边坡渗流场、位移场计算，揭示了基于填料及压实工艺特性的高填方系统地下水分布及演化规律研究。

1 影响高填方边坡地下水分布的主要因素

目前西南地区在建和已建的高填方工程有攀枝花机场、九寨黄龙机场、荔波机场、龙洞堡机场、六盘水月照机场、重庆江北机场、贡嘎机场、邦达机场等 30 多个机场；大准铁路K36+480 处填方路基，重钢铁路SDK3+180～+595段等多条铁路干线；图珲高速公路RK365+510段，贵广高速ZK123+840～ZK124+040等多条公路干线，这些工程都具有高填方、地下水分布不均、场区地质复杂等特点。

结合现场工程实例，通过对现有高填方工程建设资料的分析和归纳，将影响高填方边坡地下水分布的主要因素总结为：分层填筑、填料类型(黏粒含量)、压实工艺三大类。

1.1 分层填筑

分层填筑方法是填方边坡采用最为广泛的方法，应用分层填筑方法能够有效的减小孔隙率，土体中的气相不断减小，从而增加了土体的密实性，提高了土体强度[10]。

人工填土填筑阶段，随着多级填筑逐步完成，由于填土透水性强于残坡积土层，地下水水位开始上升到填土层内部，上游流量变化较小，中游和下游流量增大，会使地下水位进一步抬高。某机场不同工况地下水位变化如图1所示(以计算模型底边界为基准面)。

图1 某机场不同工况地下水位变化图Fig.1 Variation of groundwater level under different conditions of an airport

1.2 黏粒含量

由于高填方工程建设需要大量填料，为降低成本，一般都采取就地取材的方式，因地区地质构造和地层成因类型不同, 所以在山区高填方工程中的填料性质会有很大差异，以挖方区爆破开挖产生的块碎石填料为主(其中以巨粒土最为常见)[11]。

以攀枝花机场为例，人工填筑土在13#滑坡-9#滑坡段多以黏土夹碎石、角砾土为主，在12#滑坡以北地段多以碎、块石土为主。黏粒含量较多的填料在压实后孔隙率较黏粒含量少的填料孔隙率减小，会使地下水渗透性变差，导致其流速流量发生改变，间接对地下水水位起一定的变化。

1.3 压实工艺影响

填筑体的控制是高填方工程控制的核心，而压实度是填料施工质量是否合格的核心指标。是提高路基强度与稳定性的重要技术环节[12-14]。

当铺设厚度相同时，随着碾压遍数的增加，填土内部的气体会被挤出，空隙率降低，渗透性减弱，换填黏性土料处理层的渗透系数总体上呈减小趋势。某高填方铺设厚度相同渗透系数与压实遍数关系如图2所示。

图2 某高填方铺设厚度相同渗透系数与压实遍数关系图Fig.2 Lay out the relationship between permeability coefficient and compaction times

2 基于数值模拟的高填方边坡地下水分布规律

以攀枝花13#滑坡为研究对象采用有限元数值模拟(图3)，软件PLAXIS分析高填方边坡中地下水分布规律。相对于传统边坡工程的极限平衡分析方法，PLAXIS使用土体本构模型和各种结构单元来真实模拟边坡坡体及其复杂边界条件，包括坡体的土岩接触面、坡体内部的原始滑移带等地层结构，以及地下水的变化和影响等[15-16]。

2.1 工况设计

各影响因素按照单因素变量变化进行分析,便于总结各因素的影响程度。

(1)高填方边坡分层填筑过程

考虑大气降水的直接入渗补给，地表径流补给对渗流场的残剩的影响。对于人工填土部分，采用分级填筑的方式进行分析，模拟填方施工对边坡应力场和渗流场的影响。

(2)填料黏粒含量以及填料渗透性变化

考虑随着填料黏粒含量的变化，其渗透性发生相应变化，对边坡渗流场产生影响。填料渗透性以当前基本渗透系数为基准，渗透系数比例按照1∶2∶4三种情况进行分析。

(3)压实工艺以及残坡积层渗透性变化

考虑压实工艺对残坡积土层压密程度的影响，导致其渗透性变化对边坡渗流场的影响。残坡积土层渗透性以当前基本渗透系数为基准，渗透系数比例按照1∶2∶4三种情况进行分析。

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

2.2 有限元模型建立

为保证计算精度高，能很好的适应边界条件，更加准确地计算有限单元的应力应变[17-18]。如图4有限元分析模型中土层和混凝土挡土墙采用实体单元模拟，实体单元的有限元网格采用15节点高阶三角形单元，填土与残坡积土分界面、残坡积土与岩层分界面、老滑坡面均采用10节点高阶接触面单元，该单元可表达两种材料相互接触时的剪切、拉压作用。

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

为了表达土体和接触面材料的剪切破坏特征分析模型中土层实体单元和接触面单元均采用经典摩尔—库伦本构模型如图5所示，摩尔—库伦模型在主应力空间中的屈服面。

图5 摩尔—库伦模型在主应力空间中的屈服面Fig.5 Yield surface of the Mohr-Coulomb model in the principal stress space

高填方边坡工程中人工填土、残坡积土层、填土与残坡积土分界面、残坡积土与岩层分界面、老滑坡面的基本物理力学参数如表1所示。

表1 岩土基本物理力学参数表

2.3 分层填筑过程

为了对填方工程和地下水位变化引起地下水渗流场变化进行详细分析，在边坡坡肩(上游)、一级马道(中游)及坡脚(下游)位置处分别设置监测断面，有限元模型中的监测断面如图6所示。地下水补给前后水位的渗流场变化如图7所示。

图6 边坡分析监测断面设置Fig.6 The setting of slope analysis and monitoring section

图7 地下水补给前后水位的渗流场变化图Fig.7 Seepage field variation of groundwater level before and after recharging

边坡填方之后，在原始地下水补给条件下，地下水渗流场由原来沿残坡积层、强风化岩表层形成一定的地表径流，演化为沿填方土层内部渗流，在坡脚位置局部出露地表；随着地下水补给水位抬升，填方土体内水位不断升高，形成新的地下水渗流场，地下水水位线主要位于二级马道以下的填方土层。不同分析工况下边坡渗流场及稳定性结果如表2所示。不同工况下各断面边坡流量变化如图8所示。

表2 不同分析工况下边坡渗流场及稳定性结果汇总表

图8 不同工况下各断面边坡流量图Fig.8 Summary of slope seepage field and stability results under different analysis conditions

对不同分析工况下边坡渗流场及稳定性结果进行汇总：

(1)原始边坡地下水渗流位于表层残坡积层内，从上游到下游各断面渗流流量相对稳定；

(2)人工填土填筑阶段，随着多级填筑逐步完成，地下水位开始上升到填土层内部，上游流量变化较小，中游和下游流量增大，地下水在人工填土渗流的过程中由于土体介质均匀其运动是连续的，方向一定。当渗流到人工填土下部时受重力，孔隙率作用其流量达到最大值。人工填土能够抬升部分沟谷地下水排泄基准面，从而保证足够的水力梯度使地下水排出；

(3)地下水补给水位抬升阶段，受区域构造影响基岩层面呈起伏状，地下水会沿着基岩—原始地面层渗出。断面A位于边坡内部且残积坡土的厚度较薄，流量较大。断面B位于斜坡中央且底部的残积土厚度较厚，地下水渗流过程中受高密度介质的阻挡流量减小。断面C位于坡脚地下水会沿层面、层间裂隙向岩层倾伏方向径流，至低地势含水层出露处排泄。

2.4 填料黏粒含量以及填料渗透性

填料渗透性变化对高填方边坡渗流场、位移场、应力场(稳定性)的影响分析结果如图9～图11、表3所示。

图9 填料1倍与填料4倍渗透系数对应的渗流场Fig.10 The seepage field corresponding to permeability coefficients under 1 time of fillerand 4 times of filler

随着填料黏粒含量变化，当填土层渗透性增大时，地下水补给水位抬升之后高填方边坡内地下水水位线不断下降，渗流场从填土层内部逐渐向填土与残坡积土界面处移动。水力梯度C>B>A，由于A断面的高程最高，当渗透系数不断增大时，其水位线会不断下降造成A处流量变小。地下水会沿着基岩—原始地面层渗出，断面C位于坡脚流量最大，A处的流量最小。

表3 不同分析工况下边坡渗流场及稳定性结果汇总表

图10 填料1倍与4倍渗透系数对应的位移场Fig.10 Displacement field corresponding to 1 times of filler and 4 times filler

图11 不同工况下断面位移图Fig.11 Section displacement under different working conditions

人工填土层中当渗透系数变小时，地下水在填筑边坡内的富集，增加坡体的自重。导致填筑体底部含水量的增大，弱化了其物理力学性能，使边坡位移增大。

残积土层中当其渗透系数逐步提高时，上层土体自重减小，地下水位降低导致边坡水平位移不断减小，在渗透系数提高至4倍时，其位移值减小约2倍(尤其在坡腰与坡脚位置，对边坡稳定性影响较大)。

地下基岩结构相对稳定，地下水在该处多以层间裂隙水赋存，砂岩坚硬，裂隙较发育，渗透系数改变位移变化幅度较小。

2.5 残坡积土层渗透性

残坡积土层渗透性变化对高填方边坡渗流场、位移场的影响分析结果如图12～图14所示。

图12 残坡积土换填对应的渗流场Fig.12 Seepage field corresponding to the replacement of residual slope soil

随着残坡积土压实度变化，当残积土层渗透性增大时，地下水补给水位抬升之后高填方边坡内地下水水位线逐渐下降，但相较于填土层渗透性变化引起的地下水位变化，其幅度较小。残积土换填为人工填土之后，岩层以上视为均质填土材料，其地下水位变化不明显。不同压实工艺工况下流量及位移变化如表4、表5所示。

表4 不同压实工艺工况下渗流场及稳定性结果汇总表

图14 不同工况下残坡积土断面流量变化图Fig.14 Flow chart of section slope under different working conditions

分析工况边坡水平位移最大值/m断面A-A'断面B-B'断面C-C'基本渗透系数0.170.220.302倍渗透系数0.170.180.224倍渗透系数0.160.170.20

对上述结果汇总：

(1)当土残坡积渗透系数提高时，土体透水性增强，边坡自重减小，边坡安全系数提高；残积土换填为人工填土之后，其透水性和抗剪强度均有所提高，边坡安全系数也会提高；

(2)残坡积土含有较多的黏土矿物，会使渗透系数减小，换填后渗透系数增大，各断面流量增大幅度明显，地下水位降低，会进一步使位移减小。纵向上各断面位移随着渗透系数怎大位移会减小；横向上由于地下水会沿着基岩—原始地面层渗出，区内滑坡的成因是由其特殊的地质结构特征及基岩-堆积层接触带水共同作用的结果。会导致水平位移由A-C断面不断增大；

(3)残积土换填为人工填土之后，岩层以上视为均质填土材料，地下基岩结构相对稳定，其地下水位变化不明显，人工填土对地下水位和流量，位移的影响很小。

3 结论与建议

以攀枝花机场13#高填方边坡为依托，通过数值计算中的单因素变量分析法，对填料黏粒含量变化、压实工艺导致残坡积层密实度变化对坡体地下水渗流场与力学-位移场耦合计算影响进行了研究，得到如下结论。

(1)通过分析填料黏粒含量变化(相同压实工艺下其对应的渗透性一般有明显变化)对渗流场的影响，得出如下规律：填土黏粒含量越高，对应的透水性也越弱，边坡内地下水流速减小、填土内水位线升高，地下水补给水位抬升时边坡位移增大，安全系数下降。

(2)通过分析填土压实工艺变化(其对下卧残坡积层的压实度具有一定程度的影响)对渗流场的影响，得出如下规律：残坡积土压实度越高，对应的透水性也越弱，边坡内地下水流速减小、填土内水位线略有升高，地下水补给水位抬升时边移增大，安全系数有所下降。

(3)针对山区机场高填方体，建议在修筑高填方体时，在其底部设计一定数量的盲沟。及时排除多层段渗出的地下水。盲沟设置在低于地面的位置，通过盲沟地下水能够有效地排出高填方边坡外。