0 引言

大多数滑坡是降雨入渗导致坡体地下水位上升而诱发的，一个地区的滑坡发育程度有随雨量增大而增强的规律^[1]。降雨入渗对滑坡稳定性影响主要可归结为两个方面^[2]：雨水对边坡土体起到加载作用，使得土体含水量增加，重度变大，使得滑移面的剪应力增大；降雨改变了坡体的力学性能，导致内聚力下降，抗剪强度降低。因此，长期以来人们一直重视边坡排水。目前常用的排水措施主要有：地表排水沟、排水盲沟、水平排水孔和地下排水洞等，这些排水措施都是利用水的重力势能，将高水位的水排到低位区。许多边坡往往缺乏有利的地形条件，导致排水措施的有效性难以保证，截排水的速度难以控制，无法形成快速有效的截排水系统。

非饱和土渗流理论研究^{[3, 4, 5]}已经表明，土的渗透系数随饱和度的降低而快速下降^{[6, 7]}，基于这一原理，可以通过往土中充气形成非饱和区域发挥其阻渗的作用。充气的阻渗作用以及在相关领域的应用研究已有初步的成果。含水层型地下储气库建造^{[8, 9]}、曝气法处理土壤以及受污染的地下水^{[10, 11]}、压气新奥法隧道施工^{[12, 13]}等领域都是利用气排水原理,通过在饱和土体内充气，气体驱替土体孔隙中的水，使饱和土变成非饱和土。

许多边坡潜在滑坡区的地下水来源于坡体后缘入渗，如果能在潜在滑坡区后缘构建截水帷幕，则可以减少坡体后缘向潜在滑坡区的入渗量，从而提高坡体的稳定性。注浆等方法均可构建截水帷幕，但费用高、施工时间长。基于非饱和土渗流理论，向坡体充气，在滑坡区后缘形成非饱和带，亦可构建截水帷幕，达到截排水目的，且这种截水帷幕可以快速形成，这对于滑坡抢险尤为重要，可为滑坡治理工程的实施赢得宝贵时间。

充气截排水技术就是通过在边坡的中上部潜在滑坡区外围，或者在长度较大滑坡区的上部，钻探形成压气孔，向坡体压入高压气体，形成经气水置换的局部非饱和区域，这样就可减少上游坡体地下水流向潜在滑坡区。但将充气截排水技术应用于边坡工程中，目前仍处于探索研究阶段^{[14, 15]}，对于如何布置充气点位置及深度等问题均缺乏研究。当前对岩土体中气、水渗流问题的研究通常采用数值模拟的方法^{[16, 17]}。本文正是针对该问题在试验的基础上借助数值模拟进行分析探讨。

试验目的是验证充气截排水方案的可行性。在后缘坡体压入气体驱散局部区域地下水，形成非饱和截水帷幕，减少边坡后缘地下水向中前部的渗流量，达到降低潜在滑坡区地下水位的目的。试验模型如图 1所示，模型底部长为8.0 m，材料采用细砂，高度为80 cm。为防止充气作用下坡体局部抬起，在模型土体的顶部上覆5 cm的碎石垫层和压重物。控制坡体上游水位为60 cm，下游水位为0 cm。距离左侧坡脚3.5 m处有一个进气管，用于往砂土中注入气体，进气管端部距离底部约为5 cm。每隔0.5 m布置1个地下水位监测管，测定砂土中相应位置的地下水位。

图 1 试验模型与尺寸Fig.1 Experimental model and size

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试验开始时，进气管中没有注入气体，每过一段时间通过虹吸管测得砂土中相应位置的地下水位，多次测量直到所测数据基本不变时，表示渗流稳定。此时可以得到自然渗流情况下的渗流曲线。然后通过进气管持续注入气压为8 kPa的空气，稳定后利用同样的方法可以得到充气后的渗流水位曲线。二者对比如图 2所示。

图 2 充气前后坡体地下水位线Fig.2 Seepage water line before and after air inflation

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从图 2可以看出，往充气管中注入气体后，充气点后方的地下水位线出现明显下降；说明在坡体中压入气体形成非饱和截水帷幕，能有效减小坡体局部的渗透系数。

充气点位置为影响截排水效果的因素。笔者采用数值模拟方法，以物理模型试验为原型建立相同尺寸的数值计算模型，利用参数反演确定砂土的基本参数，然后根据实际边坡建立模型，进而研究充气点位置对截排水效果的影响。

数值计算模型的尺寸与试验模型相同，模型的渗透性系数通过反演分析确定。依据图 2所示的试验结果，采用Geo-studio软件进行数值模拟，并基于美国学者Van Genuchten^[18]提出的土壤水分特征曲线进行分析。通过反复调整渗透系数进行数值模拟可知，当渗水系数k=2×10^-4 m/s时，计算获得模型的自然入渗量约为11 953 mL/h，模型实测的自然入渗量为10 100 mL/h。将自然入渗情况下坡体各位置水位与试验测得的相应位置水位进行对比(图 3)，可见两者拟合较好。因此，取渗水系数2×10^-4 m/s作为模型的一个基本参数。

图 3 自然入渗模型试验实测地下水位与数值计算结果对比Fig.3 Model test and simulation water level under natural infiltration

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通常渗气系数要比渗水系数大1～2个数量级^[19]。为了与物理模型试验进行比较，给定与模型试验相同的充气压力8 kPa。渗气系数的反演分析同样依据图 3所示的试验结果，通过反复调试，当模型取渗气系数k_a=16 k时，得到充气作用下入渗量的试验数据与数值模拟数据对比，如图 4所示。

图 4 充气作用下入渗量模型试验实测与数值模拟计算结果对比Fig.4 Model test and simulation seepage quantity under inflation

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在开始充气的一段时间里，充气形成的非饱和截水帷幕尚未完全形成，受气压作用水位略有抬升，因此刚开始入渗量稍大。随着时间进行，非饱和截水帷幕慢慢趋于稳定，由于非饱和带的渗透性大大降低，减少了坡体后方向坡体前缘的入渗量，从而使得入渗量大大减小并趋于稳定。

由图 4可以看出，模拟数据和监测数据符合较好。因此，将渗气系数3.2×10^-3 m/s作为模型的另一个基本参数。

充气截排水作为一项新的边坡治理技术，目前尚处于基础研究阶段。因此有必要先就均一土样进行研究，以获得规律性认识。本次模拟就是采用均一的砂土边坡来研究充气点位置对坡体地下水位的影响。

根据上述反演分析，对于砂土边坡，可取渗水系数2×10^-4 m/s、渗气系数3.2×10^-3 m/s。边坡模型如图 5所示，模型剖面长度为200 m，左侧边界水位为120 m，右侧边坡水位为65 m。从坡体后缘沿着渗流方向和竖直方向各取3个不同充气位置进行数值模拟分析，沿渗流方向各点的具体位置依次选取A(25,85)、B(45,81)、C(65,77)三点，沿竖直方向各点的具体位置取D(45,96)、B(45,81)、E(45,66)三点。以上各充气点坐标单位为m。

图 5 数值计算模型Fig.5 Numerical calculation model

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由于坡体的地下水补给来源于坡体后缘的渗透，通过往坡体后缘压入气体，在充气点周围的一定范围内形成非饱和截水帷幕，减少坡体局部的渗透性，从而降低潜在滑坡区的水位。在边坡体后缘上沿着地下水的渗流方向依次选取充气位置为A、B、C三点(图 5)。各点距离自然渗流水位线均为30 m，各点所选择的充气压力是在起始充气压力320 kPa的基础上增加至400 kPa。充气5 d后,潜在滑坡区的地下水位线下降情况如图 6所示。

图 6 A、B、C三点充气的坡体地下水位线Fig.6 Groundwater level after inflating air in points A，B and C

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由图 6可以看出，A、B、C三点在充气压力的作用下，坡体的水位线均出现比较明显的下降，且相对于初始渗流水位线，C点充气后水位线下降幅度最大，B点次之，A点降幅最小。

为了更直观地对比A、B、C三点在充气作用下的效果，以充气气压400 kPa为例，取A、B、C三点在充气压力为400 kPa时的潜在滑坡区地下水位线进行对比，结果如图 7所示。在同样的充气压力作用下，随着充气点越靠近潜在滑坡区，地下水位线降幅越明显。这是由于充气的作用，会在充气点周围形成一个上凹形的非饱和截水帷幕带，使得充气点以及充气点后方的水位线出现明显下降，且充气点位置处的水位线下降最多。当充气点靠近潜在滑坡区时，非饱和截水帷幕带也会在潜在滑坡区下方形成，从而在充气点位置以及充气点后方出现明显水位下降，进而使得潜在滑坡区的地下水大幅下降。

图 7 400 kPa充气压力下的水位线对比Fig.7 Groundwater level after inflating air of 400 kPa

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因此，在渗流方向上，充气点应当放置在距离潜在滑坡区较近的位置，此时在同样的充气压力作用下，更有利于潜在滑坡区地下水位下降。

沿竖直方向选取D、B、E三点(图 5)，以分析不同充气深度对边坡地下水位的影响。各点距离地下水位线依次为15 m(相当于15 m的水头压力)、30 m、45 m，先选择各点的起始气压进行充气，在此基础上增加充气压力，使每个点均进行三次不同的充气压力作用。由于充气点D点很浅，其上覆压力较小，因此只能使用较小的充气压力，以防止坡体被抬起。各点的充气压力如表 1所示。

在上述各点充气压力的作用下，充气5 d后潜在滑坡区的地下水位线如图 8所示。

图 8 D、B、E三点充气后潜在滑坡区的地下水位线Fig.8 Groundwater level after inflating air in points D, B and E

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从图 8可以看出，从D点、B点到E点，随着充气压力的增大，潜在滑坡区的地下水位线下降程度越来越明显。为了更直观地对比结果，将D点在260 kPa、B点在400 kPa以及E点在560 kPa充气压力作用下的地下水位线绘成图 9。

图 9 各点不同充气压力下的水位线对比Fig.9 Groundwater level after inflating different air pressure in different points

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由图 9可以看出，充气点D后方潜在滑坡区的地下水位线下降得最少，充气点E后方潜在滑坡区的地下水位线则下降最多。这是由于充气点D深度很浅，上覆压力小，只能使用很小的充气压力，压力太大会将坡体抬起；相比而言，充气点E深度很深，上覆压力大，故能使用更高的充气压力，也能够得到更低的水位线。

综上，各点充气压力越大，潜在滑坡区的地下水位线下降得也越多；当选择的充气点位置较浅时，所能采取的充气压力较小，潜在滑坡区的地下水位线下降得较少；当充气点的位置较深时，所能采取的充气压力更高，此时潜在滑坡区的地下水位线出现更明显的下降。

1)利用非饱和土的相关渗流理论，通过在坡体后缘充气驱散周围水，形成非饱和截水帷幕，减小坡体局部的渗透性，可以降低潜在滑坡区的地下水位。

2)在坡体后缘充气时，当充气点放置在距离潜在滑坡区较近的位置时，由于充气形成的非饱和帷幕带能够更直接地影响潜在滑坡区，故在同样的充气压力作用下，潜在滑坡区的地下水位线下降得更多，截排水效果更显著。

3)数值模拟表明，边坡后缘充气点的充气压力越大，潜在滑坡区的地下水位线降低越多。

4)当选择的充气点位置较浅时，所能采取的充气压力较小，潜在滑坡区的地下水位线下降较小；当充气点的位置较深时，所能采取的充气压力更高，可使潜在滑坡区的地下水位线下降更明显。因此，从工程效果及稳定性来看，宜选择较深的充气位置。