地下水对边（滑）坡影响的探讨（D01）
黄强盛
1968年生，本科，1991年毕业于兰州大学，教授级高工，注册岩土工程师，注册咨询工程师，长期从事岩土工程的勘察设计和咨询等工作。
水对边（滑）坡影响的探讨
“十滑九水”，水对边（滑）坡的影响十分明显，早已被工程实践所证实。但水对边（滑）的作用机理较为复杂。在边（滑）坡的勘察设计中有时考虑不够周全，当水的作用占比相对较大时会出现各种问题，因此有必要进行探讨。
水对边（滑）坡的影响主要包括四个方面：一是降水形成的地表径流会冲刷岩土体表面，长期作用会引起表层土颗粒位移，进而改变地表形态；在库岸和湖、海边，还有一个波浪作用影响；二是水渗流进入坡体变成地下水，在地下水的长期浸泡和径流作用下，岩土体的力学强度会降低，特别是泥岩层面及一些带膨胀和崩解性质的岩土体，力学强度下降较大；三是降水在进入干的土体过程中，先是增加坡体容重从而增大滑体重量，但在部分土体达到饱和后水位线以下的土体有效重度从总重度变为浮重度，从而又减小了滑体重量（即静水压力作用问题）；四是水进入坡体后形成地下水径流，在径流过程中产生动水压力（也称渗透力），动水压力较大时严重影响坡体的稳定性（即动水压力问题）。
地表水和波浪的冲刷作用不言而喻，地下水降低岩土强度好理解且力学机制明确，静水压力问题太沙基的有效应力原理已给出了较完美的回答，而动水压力的作用和计算相对较为复杂，至今没有一个相对完善和统一的做法，但在某些地质条件下，其作用占比相对较大，对边（滑）坡的稳定性影响很大。我们下面进行一些探讨。
01
动水压力（渗透力）在边（滑）坡稳定性计算中的理论公式探讨
包括《公路滑坡设计规范》等大多数相关规范都没有给出动水压力在边（滑）坡的稳定性计算中如何具体计算的规定，只是原则上指出可进行数值分析或按流网计算。笔者目前只搜集到两本规范有具体规定。国土资源部行业标准《滑坡防治工程勘查规范》给出的具体规定为：（如图1：）
从上式我们看到，该规范认为动水压力，（）其整体作用方向也为β，所以平行滑面分力，垂直滑面分力。
在《建筑边坡工程技术规范》中，对存在地下水渗流的边坡，第i条块岩土体所受的动水压力按下式计算：
一般情况滑面不构成隔水面时，根据水力学基本原理和流网图，在 i滑块中，顶部流线即地下水面线，底部流线为近水平线。（如图2所示）根据力学和渗流原理，单位渗透力 （式中i为水力梯度，为水头损失，为径流距离）。按三角函数的定义，顶部单位渗透力，底部单位渗透力，中部介于之间。总动水压力更接近于实际；或者按渗透力的基本定义，（为滑块两侧的水头差）。显然，《滑坡防治工程勘查规范》给出的动水压力计算值偏小；《建筑边坡工程技术规范》给出的计算式在常规情况下含义模糊，只在滑面为隔水层时接近实际。
按上面的讨论， i滑块所受动水压力的总体方向在 角和近水平向之间，所以平行滑面分力， 垂直滑面分力更接近实际情况。上面两规范计算的值偏小。
总结：目前大部分规范没有给出动水压力的计算操作，给出计算操作的两规范所计算数值偏小，特别是动水压力数值的大小，使受动水压力作用的边（滑）坡工程危险增高。
02
边（滑）坡稳定性计算中最大动水压力状态的探讨
一般情况下，绝大多数的边（滑）坡勘探都不是在地下水作用的最不利工可下进行的。最不利工可一般包括两方面的含义，一是地下水位最高前后时段，二是最大动水压力作用时段。这两种作用有时基本重合，有时前后有一段滞后时间差。受水面积大，片区地下水作用明显的边（滑）坡，一般雨季中后期为地下水作用最不利时段；受水面积较小，以坡体本身及后缘附近降水作用为主的边（滑）坡，一般一场大（暴）雨或连续几天降雨的中后期为地下水作用最不利时段。
当勘探工作在一般情况下进行时，很显然，理论上应当把工况修正到地下水最不利时段，特别是最大动水压力作用时段，因为有些地质条件下两种工况差别相对较大，一般的设防安全系数已不能包含其差别。
最大动水压力作用时，主要体现在地下水位高，水流坡度大。其次体现在地下水临时可能局部承压，地下水溢出带对边坡稳定不利，地层组合带来的径流方向不利等。
03
动水压力计算时最不利地层及其组合的探讨
（1）坡体为均质体（图3）
当地下水位线在坡脚以下时，动水压力（即渗透）方向垂直向下，对坡体稳定是有利的。当地下水位线高过坡脚时，在水位线上动水压力方向也是垂直向下，在水位线下才逐渐慢慢偏向坡体下方，对坡体稳定产生影响。
分土性讨论：当坡体为粗颗粒土时，因为渗透系数大，渗流速度快，所以水头差 很小（即水位线平缓），所以即使浸润线高于坡脚，动水压力也很小。当坡体为黏性土时，地表径流系数大，入渗的水量很少，在边坡影响范围内难以形成连续有效的地下水位，地下水多以其中较大裂隙运移，即使浸润线高于坡脚，动水压力也很小甚至没有。只有当坡体为粉性土时，地下水位线容易升高，水位浸线常常较陡，因而导致动水压力相对较大。
（2）坡体中有相对隔水层（图 4）且隔水层产状不利
最不利的地层组合及产状如图4所示，上层为透水性好的碎石土、砂砾土或混合土，下伏地层为泥岩、凝灰岩或黏土等相对隔水地层，且易软化或崩解，同时产状外倾坡度还小于坡角。此时，向下渗流的水在隔水层附近由垂直向转为沿隔水层向外径流，常常还有后部来的地下水流相加在一起。由于入渗多水量相对较大，由隔水层产状水头差较大、水压力方向多和滑动方向近一致，此种情况下动水压力影响很大，边（滑）坡稳定系数在暴雨期下降严重，深圳坝光收费站滑坡就属于此种。
04
无黏性土坡有动水压力作用时
我们知道，对干的无黏性土坡，只要坡角小于土的内摩擦角看，无论土坡多高都是稳定的。但无黏性土坡中存在较高地下水位（长时间大雨或库水骤降或水中挖掘等工况）时，坡内土体不但受重力作用，还受到动水压力（渗透力）的作用，如图5。
沿渗流逸出方向的渗透力为，渗透力对坡面单元体的下滑力和法向分力分别为
和
式中： i为水力梯度， 为水的容重，为坡角，为渗流法向与水平面夹角
因土浸水，采用浮容重计算，稳定系数
当渗流方向为顺坡时，，,故其为：
式中，说明渗流方向为顺坡时，稳定系数下降一半左右。
当渗流方向为水平状逸出时，，,故其为：
式中，说明与干坡相比，稳定系数下降大半。同时可以看出，当坡角为45°、渗流水平状逸出时，稳定系数接近于零。
结论：无黏性土坡中存在较高地下水位时，动水压力对坡体稳定影响很大。
来源：西安中交岩土公司 公众号