浅议边坡岩土工程勘察中的水文地质工作
时间：2022-12-02 22:25:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
余永春
（江西省地质局第十地质大队，江西 鹰潭 335000）
地下水是边坡稳定性最大的影响因素之一，尤其是由散体物质组成的土质边坡和裂隙发育的岩质边坡，据不完全统计，百分之九十以上边坡失稳与地下水的活动密切相关。然而，目前许多小型边坡勘察时，却往往对水文地质工作不够重视，在水文地质条件章节基本上都是简单地划分一下含水层和隔水层，简要说明区域地下水补径排条件，在分析边坡稳定不利影响因素时，笼统描述地下水的冲刷作用对边坡稳定不利，没有根据地下水对边坡破坏进行具体的实质性分析。究其原因，一方面可能是我们经常面对的边坡规模很小，水文地质条件简单，而且一般勘察设计单位都是同一家，甚至是同一个人，在设计时按照常规把地下水的因素考虑进去，做好截排水工作，勘察时基本忽略；
另一方面，也许是对边坡变形破坏机理不够清晰，忽视了地下水在边坡变形破坏方面的重要性，对水文地质资料收集不够重视；
再者，或许由于水文地质资料收集过程比较复杂，耗时耗财，增加了工作成本。不管何种原因，这都是一个很不好的现象，在水文地质条件复杂地区，勘察报告可能会发生严重的误判，导致设计失误，留下安全隐患，甚至发生灾难性后果。本文就地下水在边坡稳定性影响方面，简要阐述各项水文地质因素对边坡稳定性影响机理，并简要介绍水文地质调查和勘查的工作方法[1-3]。
对边坡的稳定性取决定作用的是边坡物质组成、结构和构造，如果将之称之为“内因”，那么，地下水作为边坡破坏的主要地质营力之一，就可称之为“外因”。我们必须清楚地下水在边坡破坏过程中如何发挥作用，才会明白如何防止边坡发生破坏，或者说懂得怎样进行边坡治理设计。下面从区域水文地质条件和场地水文地质条件方面分别论述地下水对边坡破坏的机理。
1.1 区域水文地质条件的影响机理
边坡岩土工程地质勘察与房屋建筑岩土勘察有较大的区别，就是勘察区的范围要远远大于边坡坡区的范围，勘察报告名称也有所区别，习惯上把勘察的“察”字换成“查”字，也就是“勘查报告”，这里面包含的一个重要的意义，就是要进行较大范围的调查，从工程地质的角度出发，就是要查明边坡周边区域的地层岩性和构造发育情况，从水文地质的角度出发，就是要了解清楚周边的区域水文地质条件、边坡所处的水文地质单元（含水系统）以及在本单元中的补径排位置，不同的含水系统边坡破坏机理不同，比如：
松散孔隙含水系统，透水性较好的边坡，地下水对边坡破坏方式以潜蚀为主，由于孔隙含水层颗粒大小混杂，地下水在长期的渗透过程中，将其中的细小颗粒带走，慢慢将坡体掏空，出现缓慢的渗透变形，超过临界状态后坡体失稳滑塌；
透水性差的边坡，地下水在坡体中难于渗出，产生超静水压力，降低土体的强度，同时也增加土体的饱和容重，相当于减小了抗滑力，增加了下滑力，从而使边坡出现蠕滑变形，发展到一定阶段后形成快速滑动，边坡整体失稳。
基岩裂隙含水系统，地下水对边坡的破坏方式以静水压力为主。裂隙的发育和连通性在自然界千差万别，对于裂隙发育和连通性不均匀的边坡，降雨可能引起坡体后缘地下水位短时间内快速抬高，静水压力瞬间增大，同时滑动面内的胶结充填物质在水的浸泡下可能发生软化，减低滑面的摩擦力，从而引起边坡失稳。另外，在地下水丰富、渗透性好的区域，渗透力的作用也非常明显，裂隙发育、连通性好、渗流速度快、地下水丰富的岩质边坡，在地下水长期渗流的冲刷作用下，裂隙充填物逐渐被冲刷干净，岩块失去支撑下沉，导致坡体变形破坏。
岩溶含水系统，地下水对边坡的破坏方式以溶蚀和冲刷为主，经过长期的溶蚀作用，将地下水径流通道扩大，当位于边坡附近的溶洞发育到一定程度时，可能导致地面塌陷，从而引起边坡变形破坏，也可能在汛期由于大量的岩溶水往坡外渗透，对边坡造成冲刷从而引起边坡失稳。
各种含水系统中边坡不限于以上几种破坏形式，在边坡调查过程中应根据具体情况具体分析，这里只是举例说明各种含水系统中边坡破坏的主要方式之一，来说明区域水文地质在边坡勘查中分析边坡变形破坏机理的重要性。另外，补给区和径流区、排泄区地下水对边坡稳定性影响也不同，例如，迎水坡可以看成边坡处于地下水的补给区，地下水从坡面向内入渗，渗透力与边坡下滑方向相反，相当于增大了阻滑力，对边坡稳定有利，而在径流区和排泄区，地下水从坡体内部往外形成渗流，渗透力与下滑方向相同，相当于增大了下滑力，对边坡稳定大多不利，自然界的滑坡大多数出现在地下水的排泄区，这从另一个方面说明了查明水文地质条件的重要性。
根据上面的分析可以看出，不同的含水系统、在边坡含水系统中不同位置，边坡变形破坏机理各有不同，因此在边坡勘查前，首先要充分收集边坡所处位置的区域水文地质工程地质资料，根据所掌握的区域资料，分析边坡可能的变形破坏机理，再布置野外调查和勘察工作。只有在认真分析和研究区域水文地质资料的基础上，才能使勘察工作有针对性地开展，野外工作的目的性也更强，第一手资料收集比较完整，使勘察报告更加详实，而且系统[4]。
1.2 场地水文地质条件的影响机理
场地水文地质条件是包括场地内及周边附近地下水的分布、埋藏、补给、径流、排泄、地下水的水量、水质、水温及地下水形成的地质条件的总称。地下水对边坡稳定性的破坏作用主要表现为：水位升高增加坡体容重和静水压力，增加了下滑力，降低边坡稳定系数；
地下水浸泡坡体，使坡体物质的凝聚力和内摩擦角降低，阻滑力下降；
地下水渗透对坡体形成冲刷，产生渗透力，相当于增加了下滑力；
此外，地下水长期缓慢渗透还会发生潜蚀作用，破坏坡体结构，使坡体的贮水能力和导水能增强，从而加速坡体的破坏；
地下水的动态变化，也会打破坡体受力平衡，从而影响边坡稳定。
地下水位升高，增加了岩土体的含水量，使岩土体的天然（或饱和）容重增大，根据圆弧滑动和平面滑动两种下模式进行分析，容重增大会增加下滑力矩（圆弧滑动）或下滑力（平面滑动），对边坡稳定性不利，同时，也会增加滑动面上的法向压力，增大摩擦力，增加抗滑力矩和抗滑力。从力学角度计算算分析，摩擦系数小于1，滑动面的倾角一般小于45°，所以下滑力（矩）增大比例一般都大于抗滑力（矩），因此容重增大总体上对边坡稳定不利。地下水位升高还会直接导致坡体内静水压力增大，面向坡外的静水压力对边坡破坏极大，它一方面产生静水压力，使潜在不稳定体增加下滑力，另一方面，由于水头升高，坡体内地下水的水力梯度增大，渗透速度也随之增大，增大渗透力，增加了下滑力，同时也会加快地下水对坡体的潜蚀速度，对边坡稳定极为不利。
地下水浸泡边坡坡体，由于孔隙中充满了水，固体颗粒之间的连接被水阻隔，凝聚力降低；
水浸泡过的土体会软化，摩擦系数变小，也就是内摩擦角变小。凝聚力和内摩擦角直接反映土体自身的强度，在没有软弱结构面等天然滑动面的情况下，边坡土体依靠凝聚力和内摩擦角在一定状态下（包括坡高、坡度、土体重度、湿度等等）能够保持自我稳定，但如果土体被水浸泡软化，强度降低，土体内部会形成破裂面，导致边坡失稳。
渗透力是边坡破坏的主要因素之一，它是地下水渗流过程中作用在岩土上的拖拽力，作用力方向与水流方向一致，大小与水力梯度成正比，在渗透系数不变的环境下，水力梯度越大，地下水流速越大，渗透力也越大。渗透力施加在边坡岩土体上，沿渗流方向自内向外对坡体产生直接的破坏，渗流速度越大，破坏力越强。
在地下水流速非常缓慢的情形下，渗透力微弱，但可以带走土体中的细小颗粒，对坡体产生潜蚀作用，潜蚀一般会是一个漫长的过程，一开始这种作用很微弱，甚至不易发现。随着时间的推移，细小颗粒被地下水带走逐渐增多，使坡体中的孔隙度逐渐变大，结构变得松散，同时渗透性增强，地下水流速也变大。所以潜蚀过后一方面会破坏坡体本身的结构，另一方面又会加大地下水的渗透作用，对坡体产生综合破坏。“千里之堤，毁于蚁穴”就是这个意思，“防微杜渐”用于这里也很合适。
地下水的水质对边坡破坏研究较少，水质方面，个人认为要考虑一些有溶蚀性和腐蚀性的地下水在长期的渗透过程中对坡体结构产生破坏，也有一些含胶结物的地下水可能会对土体产生胶结作用，比如岩溶水，可能会形成一些钙质胶结。对坡体岩土胶结可能会发展成为边坡治理的一个方向，值得探讨。
另外，地下水是不断运动变化的，而且会直接接受大气降水和其他地表水他、地下含水层的补给，水位、水量、渗透流速、水质、水温等参数都是不断变化的，也就是说地下水动态变化比较大，而这种动态变化也会对边坡产生不利影响。比如前面已经阐述了水位升高的、水流加速等方面的影响。所以边坡勘察时必须调查当地地下水动态变化规律，特别是边坡破坏区域地下水动态变化情况以及边坡破坏时动态指标临界值，可用于指导地灾应急处理工作，也可根据临界值在边坡治理设计时采取措施降低或消除地下水作用带来的风。
边坡勘查要在收集和分析研究边坡所处位置的水文地质及工程地质区域资料，结合边坡变形破坏范围和破坏特征，在现场踏勘的基础上，编制详细的勘察大纲。大纲的主要内容包括目的意义、工作范围和任务、工作方法和进度安排、质量控制措施、需要收集的资料等等，本文简单介绍勘察时各项水文地质资料收集以及现场勘察资料收集的工作方法。
现场勘察前，首先要收集区域水文地质和工程地质资料和气象资料，勘察过程中，要查明场区含、隔水层的岩性、结构、构造、分布和埋藏特征、连通性、富水性，以及地下水的流向、流速、渗透系数、水力梯度、水质、水温和地下水的动态变化情况。
区域资料必须依靠收集和分析研究，现有的区域水文地质工程地质资料覆盖面最大的是1：20万区域水文地质工程地质调查报告，有些县市还有1：10万的区域水文地质资料，省地质档案馆保存最全，部分地质勘察单位档案馆一般也有。要认真分析研究边坡在区域水文地质单元中所处位置，预测勘查区的地层、构造、水文地质条件、工程地质条件等，在此基础上编制勘察大纲。
气象因素是诱发边坡变形破坏的一个重要因素，一方面，大气降水形成的地面流会对边坡造成直接的冲刷，另一方面，大气降水会补给地下水，以地下水的方式对边坡造成影响，所以边坡勘察时必须收集气象资料。气象资料需要到当地气象局收集，以近十年的资料为主，十年以远的气象资料可作为校核工况参考使用。气象资料收集时要特别注意一些极值，比如：最大日降雨量、最大小时降雨量、极端最低气温等，因为滑坡变形往往是在极端天气条件下发生的。地表水与地下水往往较为密切的水力联系，而且存在补排关系，所以研究地下水离不开地表水。
勘查区内含、隔水层的岩性、结构、构造、分布和埋藏特征可以先依据区域资料预判，然后根据勘察钻孔采取的岩心来验证，在勘察现场做好钻孔水文地质工程地质编录，编录的内容包括分层描述地层岩性、地质构造、岩心状态特征、孔隙及裂隙的发育连通情况、钻孔初见水位、终孔稳定水位等，并根据岩性和构造发育、孔隙和裂隙发育连通情况来划分含水层和隔水层。
含水层的富水性需要根据勘察钻孔抽水试验成果计算得出，钻探施工过程中简易水文观测通过冲洗液消耗量也能大致判断含水层和隔水层，根据孔内漏水程度可以大致判断含水层的富水性，工作经验越丰富，判断越准确[6]。
地下水的流向一般根据地下水水头高低来判断，水往低处流，地下水也是由高水头区流向低水头区，规模小的简单边坡，地下水流向单一，结合地形和水头很容易判断；
大型边坡地下水埋藏分布条件比较复杂，边坡内地下水的流向也很复杂，需要根据钻孔终孔稳定水位画地下水等水位线图，才能较为准确判断边坡区内的地下水流向。
渗透系数在含水层可通过钻孔抽水试验或注水试验成果计算得出，基岩裂隙含水层还可通过钻孔压水试验成果计算得出；
透水不含水的地层，可通过钻孔注水试验成果计算得出，也可通过试坑渗水试验成果计算得出；
弱透水的第四系含水层可通过变水头钻孔注水试验成果计算得出。
水力梯度代表单位渗透距离的水头变化，根据地下水等水位线图，可以很方便计算得出。地下水的流速等于水力梯度和渗透系数的乘积。有了水力梯度、流速等数据，就可以计算渗透力，渗透力等于水力梯度、地下水容重和坡体体积三者之积。水质要通过采取地下水样分析得出，需要提醒一下的是，采取侵蚀性分析水样时，需要添加适量的碳酸钙粉，另外，取样量也要按照规范规定取足。
地下水动态资料，对于勘察期很短的情况，需要通过调查访问大致得出，对于勘察期长的大型边坡，须选择部分勘察孔作为长期观测钻孔，通过定期和不定期观测得出，这里说的不定期观测，主要是指根据大气降雨或其他对地下水动态有显著影响因素发生变化的情况下，视情况加密观测。如果条件允许，可以考虑保留部分长观孔，到治理工程结束后继续观测，许多边坡变形破环都是在地下水环境发射急剧变化的条件下发生的，通过对这些长观孔地下水位等参数的观测，可以起到监测预警的效果，根据观测结果和现实发生的情况分析对比，在今后的地灾防治工作还有重要的现实指导意义。
以上阐述只是边坡勘察过程中常用的水文地质勘察方法，目的是取到抛砖引玉的效果，工作中遇到的是各种不同地质环境条件边坡，需要根据实际情况来确定有针对性的勘察措施，具体问题具体分析，切不可生搬硬套，以免贻误大家。
岩土力学研究的三大问题包括岩土的强度、变形和渗透，而这三者均与地下水密切相关，所以在岩土工程勘察、特别是边坡岩土工程勘察中，需要非常重视水文地质勘察工作。本文是在翻阅了许多的勘察成果资料的基础上，自认为以往大多数岩土勘察成果中水文地质方面重视程度不足，想给大家提个醒，所以就写了这篇不够成熟的文字，供大家参考。
限于本人知识的局限性和时间关系，文中内容显得零散，没有全面系统地阐述，望大家见谅。
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