关于边坡开挖后初始水位的研究

李志利

【摘要】边坡是工程建设常见现象，施工开挖完成后的水位则是边坡永久设计的重要条件，本文结合广州地铁某停车场的边坡情况，应用非饱和土渗流理论，计算边坡开挖完成后边坡自然排水后的水位，以及边坡排水后的稳定性。通过分析验算，采用该理论计算的自然排水后水位基本合理，可作为边坡永久设计的输入条件。

【关键词】自然边坡；初始水位；非饱和土渗流；边坡稳定性

1、工程概况

广州地铁某停车场呈西北-东南向布置，长约950m，占地面积约15.07公顷。停车场选址地块现状为林地、山地，地势起伏较大，西、北、南三面环山，选址现状标高为+36.4m～+80.0m，设计场坪标高为38.12m。停车场边坡高度为0～42m。

停车场揭露的主要地層为填土层、洪积可塑状粉质黏土层、可塑状花岗岩残积土、硬塑状花岗岩残积土、风化花岗岩地层。地下水按赋存方式分别为第四系松散岩类孔隙水和块状基岩裂隙水。本场地主要位于山间盆地，汇水条件、补给条件较优越，补给来源广，主要受大气降水及附近河涌入渗补给，另外还接受周边丘陵基岩裂隙水侧向补给。稳定水位埋深为0.30～26.50m。

2、边坡计算

2.1渗流计算理论

在边坡开挖排水过程中，土坡内出现饱和区域和不饱和区域，彼此相互作用和影响。在饱和区地下水渗流是多孔介质中流体流动，服从达西定律；而非饱和区中地下水渗流是一个非常复杂的问题，是一个多因素互相耦合的过程，主要影响因素有固、液、气三相的体积比，空气压力，土骨架体变，可溶盐含量，温度等。水在非饱和土中的渗流也服从达西定律，但与饱和土中渗流不同之处是非饱和土的渗流系数不是常量，而是土体饱和度的函数，因此必须要有能应用于饱和—不饱和区两种区域的分析方法。根据多孔介质模型和多孔介质流体动力学原理，建立饱和—非饱和土的稳态和非稳态流的二维数值模型[1]：

对于考虑各项异性的二维非饱和问题，当坐标取向与大、小渗透主方向一致时，以压力水头h为因变量的渗流控制方程可以写为：

（3-1）

其中： 、 -分别为土体的水平向和垂向的渗透系数， -为水的密度 ， -为重力加速度， -为比水容重 ：体积含水率 对基质吸力偏导数的负值，即：

（3-2）

非饱和渗流问题中总体上可以分为定水头边界，和定流量边界。

水头边界：

（3-3）

流量边界：

（3-4）

本工程研究的是开挖过程中渗水流量基本无法确定，在开挖完成瞬时状态，水头为定值，所以本模型采用流量边界条件，即第一类边界条件。

2.2边坡设计思路及计算

本文采用断面如图1所示：边坡总高度约为24m，属于一般边坡，边坡坡脚有一条规划河涌深约3m。边坡范围内主要地层为：洪积可塑状粉质黏土层、可塑状、硬塑状花岗岩残积土、风化花岗岩地层。

边坡采用坡率法[2]设计，边坡坡率采用1：1放坡，坡面采用格构梁植草防护。相关岩土参数详见表1所示

图1 边坡断面图

表1.岩土参数建议值表

土层名称 天然 粘聚力 内摩

擦角 渗透

系数 孔隙比 泊松比

密度

名称 （g/cm3） （kPa） （ °） （m/d） / /

人工填土 1.50 10.0 5.0 0.02 0.72 --

可塑粉质黏土层 1.89 20.0 11.0 0.03 0.786 0.3

可塑砂质粘性土 1.90 24.0* 22.5* 0.5 0.746 0.33

硬塑砂质粘性土 1.90 25.0* 22.5* 0.6 0.748 0.31

全风化花岗岩 1.91 35.0* 25.0* 0.7 0.703 0.3

强风化花岗岩 1.94 45.0* 26.0* 0.8 0.657 0.29

中风化花岗岩 2.68 350.0 35.0 3 -- 0.25

微风化花岗岩 2.70 750.0 42.5 0.1 -- 0.2

2.3边坡稳定性验算

根据现有参数，采用GEO-SLOPE Seep模块软件进行计算分级开挖后地下水位变化情况，以及开挖完成24小时后的地下水位情况，计算结果如图2所示。图2为开挖至最底层时，孔隙水压力分布图。孔隙水压力大于0时，为地下水位以下；孔隙水压力为0处为地下水位线，孔隙水压力小于0时，表现为基质吸力。

图2 开挖24小时后孔隙水压力分布图

利用GEO-STUDIO Slope模块计算边坡的稳定性，采用饱和—非饱和土的强度理论[3] 先对边坡在开挖完成还未进行边坡降水时进行算边坡的稳定性，边坡的稳定系数Fs1= 1.299；边坡开挖完成后24小边坡排水后的安全系数Fs2=1.764，由此可见边坡排水后的稳定性系数明显提高。

结论及建议

（1）可以根据渗流分析，确定边坡开挖完成后坡体内地下水位情况，为边坡的永久设计提供依据。

（2）通过计算结果可知边坡开挖较快时，边坡坡体内地下水未能及时排出将会影响边坡的稳定性，因此在边坡开挖施工过程中应控制施工时间，避免边坡超挖。

（3）本文采用非饱和渗流理论进行分析计算，然而各地层的渗透系数选取仅根据经验公式进行函数模拟，未确定准确试验资料。

（4）计算采用非饱和土的强度理论，即岩土的参数与孔隙水压力有关，边坡设计时可采用正常土体强度进行保守设计。

参考文献

[1] 洪毓康.土质学与土力学（第二版）.人民交通出版社[M]，1995

[2] GB50330-2013 建筑边坡工程技术规范[S]

[3]Fredlund D G.RahardjoH.非饱和土力学[M].陈仲颐，张在明，陈愈炯等译.北京：中国建筑工业出版社，1997

[4]殷宗泽，周健，赵仲辉，袁俊平，张坤勇.非饱和土本构关系及变形计算[J].岩土工程学报，2006，28（2）：137～146