膨脹土渠道邊坡滑坡原因分析及防治建議

汪 明,韓立煒

(1.河南省水利勘測設計研究有限公司,河南鄭州450016;2.華北水利水電學院,河南鄭州450011)

1 工程概況[1]

1.1 工程概況

南陽試驗段工程位于陶岔～沙河南段南陽市境內(nèi),樁號為K100+500～K102+550,其中樁號K100+500～K101+850為弱膨脹土渠段,樁號K101+850～K102+550為中膨脹土渠段。渠道設計流量為340 m3/s,加大流量為410 m3/s,渠道設計水深為7.5m,加大流量的水深為8.23 m。渠道斷面為半填半挖及全挖方渠段,渠道最大挖深段在北段,最大挖深約19.2 m;最大填方段在南端,最大填方高度為5.5 m。

1.2 工藝方案(分區(qū))

依據(jù)試驗設計方案,試驗段劃分為:填方試驗區(qū)、弱膨脹土試驗區(qū)和中膨脹土試驗區(qū)。其中填方區(qū)又分為填-Ⅰ區(qū)和填-Ⅱ區(qū);弱膨脹土試驗區(qū)分為四個區(qū)段:即弱-Ⅰ、弱-Ⅱ、弱-Ⅲ、弱-Ⅳ段;中膨脹土試驗段分為七個區(qū)段:即中-Ⅰ、中-Ⅱ、中-Ⅲ、中-Ⅳ、中-Ⅴ、中-Ⅵ、中-Ⅶ段,每個區(qū)段長度80 m～120 m。根據(jù)試驗的目的布置不同的試驗方案,各個區(qū)段的試驗方案和工藝見表1。

1.3 工程地質(zhì)條件

試驗段處在秦嶺緯向褶皺帶的南麓,南陽凹陷的北緣,表現(xiàn)為崗坡地形,崗凹的長軸線多呈現(xiàn)北東南西走向與總干渠軸線25°～35°夾角,試驗區(qū)呈現(xiàn)北高南低的特征。干渠內(nèi)主要涉及的地層:第三系(N)河湖相粘土層,砂質(zhì)粘土巖,砂巖,砂礫巖,第四系中更新統(tǒng)沖洪積(Q1-P1Q1)粉質(zhì)粘土,粘土及第四系坡積(DIQ)粉質(zhì)粘土。試驗區(qū)的粘土巖,粉質(zhì)粘土均具有膨脹性,而且北段的粘性土比南段粘性土膨脹性強度大。

表1 各試驗亞區(qū)施工工藝表

1.4 水文地質(zhì)條件

試驗段地下水主要為第四系裂縫水,第四系的土體中存在上層滯水,區(qū)內(nèi)無整體的地下水位,地下水位因地形地勢的原因,在旱季水位下降,有些坡地地下水消失,有些低洼的凹地或槽溝,地下水也大幅下降,凹槽中雖存在一些地下滯水,因彼此被崗地隔離,不能形成統(tǒng)一的水位面。只有雨季降水對地下水大量補充,這時地下水位才形成較大范圍的統(tǒng)一水位。2006年,經(jīng)觀測顯示:地下水位一般埋深1 m～3 m,高程在135.30 m～146.93 m。據(jù)調(diào)查水位年變化幅度為2m左右,上層滯水水位高出渠底板1m～12 m。試驗段雖在2008年11月至2009年3月的旱季施工開挖,干渠的邊坡也可以看到有滲水點、滲水線及軟弱層,甚至還出現(xiàn)有滑坡現(xiàn)象,呈現(xiàn)出地下水對邊坡的潛在破壞性。

2 滑坡體特征

該試驗段在試驗過程中出現(xiàn)的滑坡體有六處,其特征如表2。

3 滑坡產(chǎn)生原因探討

不論山體滑坡或是崗坡地帶的渠坡下滑,一般的規(guī)律是在臨空面上部的松散堆積物或土體,在滲流水的助推作用下,沿著不同深度存在的滑動面(多為裂隙面),尤其是膨脹土中多含親水礦物且裂隙發(fā)育,在中膨脹土地層中尤為明顯[2-3],見圖1。在水滲入后膨脹,原存在的裂隙面在滲入水的浸潤下,裂隙面的親水礦物使裂隙面的摩擦系數(shù)降低。在存在卸荷、臨空面的情況下,在水壓力、土體膨脹、土壓力等因素的影響下,極易發(fā)生滑坡。水成為邊坡下滑的潤滑劑和主要因素,該試驗段具備此特征,尤其北段中膨脹土地段,加上地形坡度高差相對較大,發(fā)生滑坡;而南段地勢平坦相對較穩(wěn)定。膨脹土地區(qū)渠道邊坡滑坡變形剛出現(xiàn)時,發(fā)展較慢,達到一定的程度后,滑坡變形速度明顯加快。

表2 滑坡體特征

圖1 膨脹土裂隙發(fā)育照片

3.1 滑坡產(chǎn)生的時間具有季節(jié)性

渠道邊坡滑坡在7月～9月形成,滑動高峰見表2,這與南陽地區(qū)的雨季吻合。從目前出現(xiàn)的情況看,雨季渠道邊坡滑動較為明顯,其它季節(jié)渠道邊坡相對穩(wěn)定,在雨季滑坡發(fā)展迅速,特別是連陰雨之后往往出現(xiàn)大幅度的下滑現(xiàn)象。

3.2 滑坡產(chǎn)生與膨脹土性質(zhì)有密切關系

膨脹土體中裂隙發(fā)育,為雨水的滲透提供良好的通道[4]。土體的膨脹性強,微細和隱蔽裂隙也越多,有的裂隙組合面非常光滑,形成滑動面或軟弱帶,也是地下水的滲流通道,見圖2。在已揭露的P-1、P-2、P-5三個大的滑坡中,普遍見到滲水現(xiàn)象,多為紅色粘性土,裂隙異常發(fā)育,裂隙中多充填深綠色親水礦物:蒙脫石、伊利石、高嶺土等,親水礦物集中的部位非常潤滑。一旦雨水增多,滲入水量加大,就給土體滑動提供了條件,中膨脹土區(qū)發(fā)生的滑坡多于弱膨脹土區(qū),滑坡的規(guī)模也大于弱膨脹土區(qū),滑坡的發(fā)展速度也大于弱膨脹土區(qū),正是這些因素造成的。在該試驗段中膨脹土區(qū),幾乎各區(qū)均有滑坡發(fā)生,且規(guī)模大,滑坡變形速度也高于弱膨脹土區(qū)。即使在弱膨脹土試驗區(qū)段,土質(zhì)也不是均勻的,有的地段同樣存在中強膨脹性的土層,例如弱Ⅰ右岸,滑坡P-5的地段,經(jīng)拆除渠道面板挖槽揭露出的土體巖性,呈紅色,槽壁上裂隙很多,達到30條/延米,且多充填親水礦物,這與中Ⅲ-中Ⅳ的滑動地段基本一樣,見圖3。

圖2 膨脹土裂隙發(fā)育照片

圖3 中-Ⅲ左岸滑坡揭露照片

3.3 滑坡產(chǎn)生與巖層產(chǎn)狀有密切關系

經(jīng)過對揭露的中-Ⅰ和中-Ⅲ大滑坡的探槽觀察和研究,發(fā)現(xiàn)膨脹土的產(chǎn)狀與走向為北西350°,傾斜面向東80°,傾角為15°左右,巖層走向與干渠的走向基本一致,傾向面向著渠道中心線;相反在中-Ⅰ～中-Ⅲ的右岸巖性產(chǎn)狀的傾向面背著干渠中軸線,即使有地下水作用也不易產(chǎn)生滑坡,因為巖性的結構面對滑坡產(chǎn)生了制約作用。在中-Ⅰ～中-Ⅲ的左岸剛好巖性產(chǎn)狀與渠道的臨空面相一致,極易產(chǎn)生滑坡。由于巖層中軟弱帶是多層的,而且埋深各異,滑坡的產(chǎn)生,先是淺層滑動,破壞上部護坡,隨著地下水進一步下滲達到埋深較大的軟弱帶時,就產(chǎn)生了新的更深層的滑坡。并逐漸發(fā)展到破壞渠道邊坡混凝土襯砌板。例如中-Ⅲ和中-Ⅳ左岸的滑坡就是這樣發(fā)展形成的。

3.4 滑坡形成與古地形和新地貌有密切關系

本地區(qū)第三系(N)是河湖相沉積的粘土巖及砂質(zhì)粘土巖、砂礫巖、頂部是砂質(zhì)粘土巖隔水層。產(chǎn)狀比較平坦,稍有坡狀起伏。而第四系是陸相沉積的沖洪(Q1-P1Q)粘砂粘土及頂部的坡積物(DIQ)粉質(zhì)粘土,具有一定的斜層理,這種斜層理多與地形的坡向相一致?，F(xiàn)在的崗坡地形地貌基本反映了這一特征。所以區(qū)內(nèi)的崗坡走向?qū)Φ叵滤膮R聚是有控制作用。一般雨水從崗坡流向低凹的槽溝地帶或開闊的緩坡地帶后進行滲透補充地下水,然后根據(jù)地下水的水力坡度在地下進行滲流。本試驗區(qū)的北段,有較大的匯水面積約3 hm2。渠道開挖前這里早就有一條沖溝,將地表水向著中-Ⅵ、中-Ⅶ方向排入娃娃河。中-Ⅰ至中-Ⅳ左岸產(chǎn)生的滑坡與這一片的地下水向東滲流是緊密相關的,不僅是當天的雨水在渠坡處小面積的垂直滲入所致,來自左岸較遠的地下水滲流也起著助推作用。開挖揭露P-2、P-3滑坡體時,已是連續(xù)4個月未下雨雪,可是還能見到滑坡體內(nèi)往下滲流出水,說明地下水是從遠處緩慢長期滲流造成的。另外在弱-Ⅰ和弱-Ⅱ試驗區(qū)的右岸(干渠東側)同樣存在這一個傾向渠中心的凹槽洼地,即是黃土崗(弱-Ⅰ、弱-Ⅱ試驗區(qū)渠道右岸)以西與渠道之間坡地,此坡地面積大(匯水面積約4 hm2)靠近弱-Ⅰ和弱-Ⅱ的邊部正是集水區(qū)。弱-Ⅰ東側30 m～50 m范圍內(nèi)平行干渠就有兩個地表水塘,且長期不見水干,到了冬季仍有積水存在。從開挖揭露的情況來看,弱-Ⅰ、弱-Ⅱ右岸的地層坡向向著渠道中心方向,且有地下水的補給,因此弱-Ⅰ、弱-Ⅱ右岸出現(xiàn)滑坡也就不難理解了,只不過這里的地形坡度平緩,滲透也緩慢得多,因而該區(qū)的滑坡發(fā)生較晚,2009年沒有顯現(xiàn),到2010年8月中下旬才有明顯的表現(xiàn),且發(fā)展迅速,規(guī)模較大,破壞力很顯著。

4 渠道滑坡防治的建議

通過對膨脹土渠道滑坡原因的研究分析,為了避免或減少滑坡變形的發(fā)生,建議采取以下措施:

(1)渠道開挖前,應做好地表水導引和截排措施。渠坡坡頂沿渠道縱向設置截水溝,護坡用的土工布適當向外鋪寬直到截水溝,以便更有效的防止雨水滲入土體,更不能讓相鄰水體(地表水、地下水)滲流影響到渠坡安全。截水溝應結合地形地貌條件設置向渠外排放的排水溝,確保排水暢通。有條件的情況下,護坡外側可做防滲墻,阻截遠處的地下水源滲入到渠坡地段。

(2)查明水源、渠坡的巖層變化,采取相應措施。在渠道施工過程中加強對周邊水源環(huán)境檢查,避免附近坑塘等地表水下滲,查明近工程區(qū)段的區(qū)域面流、潛流的水體,提前排除。做好對渠坡開挖面的地質(zhì)編錄,標出地層名稱,特別是裂隙高度發(fā)育,親水礦物極多的膨脹土地段標示清楚,滲水點線、軟弱帶的分布規(guī)模產(chǎn)狀標示清楚。提供給設計方進行防水補充設計,把軟弱帶滲流點線可能造成破壞的工作做到前面。

(3)膨脹土渠段的邊坡要防止坡度過陡。在有條件地段坡降可為1∶3或更緩,以減少邊坡土體自重產(chǎn)生的滑坡荷載。

(4)減少渠道坡頂荷載的作用。在施工過程中,要注意施工道路的位置,盡量使施工道路遠離渠道坡頂,以減少施工道路上機械設備等產(chǎn)生荷載或震動影響。在渠道邊坡開挖卸荷后,在坡頂不得堆土或其它在坡頂產(chǎn)生荷載的形式,尤其是在膨脹土地層走向傾向渠內(nèi)時[5]。

(5)當發(fā)現(xiàn)有滑坡跡象出現(xiàn)時,應在坡頂一定的距離內(nèi)做好防滲措施,坑塘等要及時進行回填,排水溝要進行防滲處理,并要及時采取布置抗滑樁等措施。

(6)施工時宜選擇旱季開挖,下雨前進行覆蓋,開挖土體要留足夠的保護層,做好土體的保護。避免在有雨水下滲的情況下進行渠道開挖卸荷。

5 結 論

本文結合南陽膨脹土試驗段一期試驗過程中的滑坡情況,通過對滑坡原因的分析,得出了膨脹土滑坡不僅與膨脹土的性質(zhì)、巖層產(chǎn)狀、古地形和新地貌等有關,而且與施工時間也有關系。最后根據(jù)現(xiàn)場試驗提出了防治措施:在渠道開挖前,應做好地表水導引和截排措施;施工時查明水源、渠坡的巖層變化,采取相應措施;邊坡施工時宜選擇旱季開挖,要防止坡度過陡,同時要減少渠道坡頂荷載的作用;當發(fā)現(xiàn)有滑坡跡象出現(xiàn)時,應在坡頂一定的距離內(nèi)做好防滲措施,必要時要及時采取布置抗滑樁等措施。

[1]長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司.南水北調(diào)中線一期工程總干渠陶岔渠首至沙河南段工程【膨脹土試驗段】初步設計報告[R].武漢:長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司,2008.

[3]包承綱.南水北調(diào)中線工程膨脹土渠坡穩(wěn)定問題及對策[J].人民長江,2003,34(5):4-6.

[5]張官珍,王為然,李超峰.南水北調(diào)南陽膨脹土渠道施工質(zhì)量控制[J].河南水利與南水北調(diào),2010,(9):14-15.