河床開挖斷面穩(wěn)定因素的分析

劉朝陽 趙正陽 岳 峰

（1.泗陽縣水利局，江蘇 宿遷 223700；2.宿遷市水務(wù)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，江蘇 宿遷 223800）

1 概述

宿遷市近幾年對(duì)境內(nèi)河流治理較為重視，特別是將排澇河道通過綜合性治理后，極大地改善了本區(qū)域的排澇條件。在具體的實(shí)施過程中，從有利于排水通暢的角度出發(fā)，新開挖的斷面比原來老河道斷面底寬加寬、深度加深，但由于大部分河道土質(zhì)為粉質(zhì)性粘土，隨著深度和寬度的加大，在開挖以及運(yùn)行過程中，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同程度河床坡面滑動(dòng)，從而造成整個(gè)河道斷面失穩(wěn)的問題。較典型的實(shí)例有2 個(gè)：泗陽縣2014年淮泗河治理工程和2013年宿遷市東沙河治理工程局部河段，兩處河道均在不同時(shí)期出現(xiàn)一系列坡面滑動(dòng)，從而導(dǎo)致河床大面積滑坡的問題。前者是在施工期間出現(xiàn)問題，而后者是在運(yùn)行期出現(xiàn)問題。通過對(duì)具體失穩(wěn)問題的研究和剖析，找出了問題的原因所在。

2 滑坡因素及條件

（1）土坡由于其表面傾斜，在自重或外部荷載作用下，潛在著向下移動(dòng)的趨勢(shì)。一旦由于設(shè)計(jì)、施工和管理不當(dāng)，或者由于受不可預(yù)估的外來因素影響，如發(fā)生不可抗力自然災(zāi)害等，都可能造成土坡中的一部分土體相對(duì)于另一部分土體產(chǎn)生向下滑動(dòng)，這種滑動(dòng)現(xiàn)象稱為滑坡。因而我們認(rèn)為產(chǎn)生滑坡的根本原因是滑動(dòng)面上的剪應(yīng)力超過了該面上的抗剪強(qiáng)度，使穩(wěn)定平衡遭到破壞。

（2）在運(yùn)行期間，尤其當(dāng)坡面受到高承壓水頭影響形成較大的水位差使土坡體產(chǎn)生滲流時(shí)，會(huì)造成坡面失穩(wěn)情況的發(fā)生。滲透水流對(duì)土體的作用力，即為滲透力。此滲透力的方向與滲流的流向相同，因此，滲流對(duì)土坡穩(wěn)定起著不利影響，必須加以重視，尤其在設(shè)計(jì)和施工以及運(yùn)行管理時(shí)應(yīng)加以考慮，以確保采取有力措施予以防范。

3 邊坡設(shè)計(jì)因素引起的穩(wěn)定

3.1 現(xiàn)狀邊坡的設(shè)計(jì)

目前，在河道邊坡設(shè)計(jì)時(shí)特別注重邊坡的穩(wěn)定，一般河床邊坡為1∶2.5～1∶3.0 之間，但有時(shí)由于地質(zhì)條件的不同，土的重度值γ、內(nèi)摩擦角φ 和粘聚力值C 不一樣，為滿足河床過水條件，各河道河床開挖深度也不盡相同，故產(chǎn)生的效果不一樣，從而造成了局部段的坡面滑動(dòng)，導(dǎo)致發(fā)生失穩(wěn)問題。

3.2 對(duì)公式的分析和運(yùn)用

當(dāng)土體處于極限平衡狀態(tài)時(shí)，河床邊坡允許最大高度［h］可參照?qǐng)D1按以下公式計(jì)算：

θ—邊坡的坡度角，°；

φ—土的內(nèi)摩擦角，°；

C—土粘聚力，kN/m2。

由上式可知：

（1）當(dāng)θ=φ 時(shí)，h=∞，即邊坡極限高度不受限制，土坡處于平衡狀態(tài)，此時(shí)土的粘聚力未被利用。根據(jù)目前宿遷地段河床開挖斷面土質(zhì)情況，φ值一般均在20°～18°之間，并根據(jù)坡比與θ 換算表（表1）可看出，坡比設(shè)計(jì)在1∶2.5～1∶3.0 左右較為接近φ值，因此，將河道邊坡設(shè)計(jì)在1∶3.0 左右，在宿遷地區(qū)河床較為普遍，也顯得較為合理。

（2）當(dāng)θ﹥?chǔ)?時(shí)，若C=0，則h=0，此時(shí)挖方邊坡的任何高度將不穩(wěn)定。此類情況在宿遷地質(zhì)河床開挖過程中較少，僅存在C 值大小之分，不存在C=0 的情況，大多數(shù)土質(zhì)為粉質(zhì)粘

式中：

圖1 挖方邊坡計(jì)算簡(jiǎn)圖

表1 坡比與θ 換算表

γ—土的重度，kN/m3；性土，因土質(zhì)在一個(gè)斷面上，層面土也有所不同。宿遷市東沙河典型斷面（上下層）土質(zhì)系數(shù)C=7.1～19.3 kPa、φ=19.1°～5.4°，淮泗河斷面層（上下層）土質(zhì)系數(shù)粘土層C=5.0～32.0 kPa、φ=4°～13°。此時(shí)上層土C 值和φ 值均較小，一般計(jì)算此類情況的安全性公式也較多。最簡(jiǎn)單的辦法是，鑒于C值較小，可假設(shè)C→0，忽略為無粘性土料，則可核算滿足抗剪力與剪應(yīng)力之比，即計(jì)算土坡安全系數(shù)，作為對(duì)坡面安全系數(shù)的核驗(yàn)。為保證土坡的穩(wěn)定，安全系數(shù)必須大于1，一般為K=1.1～1.5。因此，在考慮河床開挖高度時(shí)不僅要對(duì)［h］進(jìn)行核算，而且當(dāng)C 值較小時(shí)，也應(yīng)對(duì)土坡穩(wěn)定K值進(jìn)行計(jì)算，這對(duì)于河床安全性是十分必要的。

（3）當(dāng)θ﹥?chǔ)?時(shí)，為陡坡，此時(shí)C值越大，允許的邊坡高度h可越高。

（4）當(dāng)θ﹤φ 時(shí)，為緩坡，此時(shí)θ越小，允許坡高越大。一般出現(xiàn)此類情況坡比在1∶4 以下，坡緩則占用土地較多，不夠經(jīng)濟(jì)，故目前運(yùn)用不多。

3.3 邊坡穩(wěn)定安全高度的計(jì)算

斷面計(jì)算成果見表2。

表2 斷面計(jì)算成果表

從表2可知，在河床開挖高度方面，雖然坡面上層面大部分C 值和φ值較小，其開挖深度h 值也大于允許開挖深度［h］值，但泗陽縣淮泗河土層C 值和φ 值偏小，計(jì)算成果反映出工程之間斷面［h］數(shù)值相差太大。同時(shí)，也充分反映在C 值和φ 值的差值偏小的情況下，尤其淮泗河施工過程中一遇到干燥天氣，土質(zhì)易脫水，土坡表層呈松軟狀態(tài)，且風(fēng)吹時(shí)塵土飛揚(yáng)，故假設(shè)C=0，進(jìn)行坡面安全系數(shù)計(jì)算，=1.1～1.5，顯然坡面是不安全的，則選擇第3 層以下土作為改良土料，進(jìn)行粘性土護(hù)坡，其施工工藝和方法可改善土坡安全性問題，則=1.15﹥1.1。

3.4 施工過程產(chǎn)生的滑動(dòng)

通過以上淮泗河坡面穩(wěn)定安全性K 系數(shù)計(jì)算可知，若在原上層土坡面不進(jìn)行人工改良，則會(huì)發(fā)生坡面失穩(wěn)問題。由于受上層粉質(zhì)粘土的影響，坡面干燥時(shí)顯得松散，在實(shí)際高度4 m（▽12.0～8.0 m）、樁號(hào)9+350至12+450 共3.1 km 的整個(gè)范圍內(nèi)，先后數(shù)次出現(xiàn)施工期間河床不穩(wěn)定現(xiàn)象，塌陷坡面滑動(dòng)時(shí)有發(fā)生，需不斷修補(bǔ)。為徹底解決這一問題，采取了工程措施，即利用▽8.0 m 以下土層土料進(jìn)行粘土護(hù)坡，使C 值和φ 值得到提高，有效改變坡面穩(wěn)定問題。通過2014年7 月份排澇運(yùn)行，整個(gè)河床穩(wěn)定，未發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

4 其它因素誘發(fā)河床失穩(wěn)

4.1 誘發(fā)失穩(wěn)實(shí)例

大部分河床穩(wěn)定是通過在理論上對(duì)C 值和φ 值進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，以滿足開挖深度的要求，但這并不意味著一定不會(huì)出現(xiàn)河床失穩(wěn)問題。實(shí)踐證明，局部出現(xiàn)河床失穩(wěn)問題都是由其它因素而引起的，較多的是因坡面松軟和壓實(shí)度不夠，加之外側(cè)受承壓水頭引起的滲透壓力影響而造成了坡面滑動(dòng)。如：宿遷市東沙河治理工程河床開挖深度雖滿足安全穩(wěn)定的要求，但是在樁號(hào)4+000 至4+587 之間的南側(cè)河道，施工期間正逢外側(cè)干渠送水，滲水造成大面積范圍內(nèi)滑坡現(xiàn)象，經(jīng)過處理后，又在干渠進(jìn)入最后送水階段時(shí)，因東沙河為枯水期，水位差達(dá)到6.5 m，導(dǎo)致出現(xiàn)嚴(yán)重的圓弧滑動(dòng)邊坡失穩(wěn)問題，其失穩(wěn)產(chǎn)生坡面滑動(dòng)基本情況見圖2。

4.2 產(chǎn)生滑坡原因分析

（1）堆堤防滲長(zhǎng)度不足

在河道縱向位置，樁號(hào)4+00 至4+587 為河道圓弧連接段，河床走向?yàn)闁|北至西南，而樁號(hào)4+587 處于圓弧末端，其斷面最小，從東沙河至船行干渠河口線水平距離最小寬度為30 m。施工時(shí)為了盡可能減少此段（開發(fā)區(qū)）北側(cè)的土地占用，依據(jù)要求盡可能順延至南側(cè)，以利用東沙河與干渠之間的堆堤，從而導(dǎo)致該段在抵御南側(cè)高水位形成的滲透壓力作用時(shí)，顯得長(zhǎng)度不夠，再加之該處在橋東側(cè)的混凝土送水渠道損壞嚴(yán)重，使得北側(cè)滲漏較嚴(yán)重，也是造成滑坡的重要原因。

根據(jù)查勘，對(duì)該段滑動(dòng)面處斷面尺寸進(jìn)行整理，依據(jù)圖紙浸潤(rùn)走向分析，較安全穩(wěn)定的曲線長(zhǎng)度應(yīng)為：

式中：K—理想的安全系數(shù)，K=10；

H0—上下水位差，H0=21-14.5=6.5 m。

而實(shí)際L’=45 m，故認(rèn)為該段防滲長(zhǎng)度不足以抵抗?jié)B透壓力，同時(shí)也證明下游出逸點(diǎn)位置抬高。依據(jù)圓弧滑動(dòng)圖，分析出逸點(diǎn)抬至▽17.0 m 左右，高出河床2.5 m。以上這些都是導(dǎo)致產(chǎn)生滑動(dòng)的因素。

圖2 圓弧滑動(dòng)斷面圖

（2）青坎狹窄，邊載過大

由于河道縱向中心線順延至南側(cè)，比原設(shè)計(jì)偏16～20 m，導(dǎo)致河床青坎以上斷面偏窄，原有設(shè)計(jì)堆土高度為▽23.0 m，而由于積土無處堆放，青坎以上占地面積又偏小，故將堆堤加高至▽25.5 m，高出設(shè)計(jì)2.5 m，其重量G=（5+10）×2.5/2×1.6=30 t/m2，且又因接近河口，加之滲透作用，使堤身下面土層處于飽和狀態(tài)，抗壓、抗剪能力偏低，于是便在超載的作用下加速了滑動(dòng)的產(chǎn)生。

（3）原有堆堤自身質(zhì)量偏差

在該處，一方面，南側(cè)混凝土渠破壞嚴(yán)重；另一方面，該段堤身斷面壓實(shí)度不夠，也是導(dǎo)致問題的誘發(fā)因素。

（4）其它原因

由于滲透壓力增加，堆堤防滲長(zhǎng)度不夠，造成出逸點(diǎn)上抬，不僅意味著河床下部抗滑能力降低，也使得原先在混凝土護(hù)坡中▽15.5 m 位置放置的冒水孔不能將滲水排出，直至抬高了護(hù)坡后側(cè)面的水位，導(dǎo)致該處土層φ 值和C 值降低，久而久之，一旦達(dá)到極限，打破穩(wěn)定平衡，瞬間便形成滑坡。根據(jù)分析，導(dǎo)致出現(xiàn)以上存在問題的因素是多方面的。

4.3 修復(fù)方案

（1）針對(duì)以上出現(xiàn)的問題，要采取一系列補(bǔ)救措施，其關(guān)鍵點(diǎn)為提高壓實(shí)度，減少滲流產(chǎn)生，同時(shí)要遵循下泄通暢的原則與方法進(jìn)行施工。

（2）具體做法：①堆堤坡的河床修復(fù)，將該處原有的滑動(dòng)面清除干凈，并將原滑動(dòng)形成的淤泥碎渣全部清理出場(chǎng)；將▽23.0 m 至▽25.5 m 堆堤土作為干土對(duì)滑動(dòng)面進(jìn)行回填，以起到對(duì)斷面減載的作用；使堆堤標(biāo)高仍確定在▽23.0 m；修復(fù)該處堆堤河床時(shí)一定要將淤泥完全清除，采用干土層層套壓，其壓實(shí)度值不小于0.93，并進(jìn)行實(shí)地監(jiān)督，用環(huán)刀取樣做實(shí)驗(yàn)，以此控制斷面河床的質(zhì)量。②建議將▽14.5 m 至▽20.0 m 統(tǒng)一做成混凝土護(hù)體，▽20.0 m 以上結(jié)構(gòu)仍按原結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)施。③排水孔布置，建議在▽15.0 m 以下按梅花形布置。④在▽16.0 m 至17.0 m 混凝土護(hù)坡處做縱向反濾層，同時(shí)沿▽18.0 m 至▽15.5 m 線斜坡面開挖做成盲溝，斷面為60 cm×80 cm，每5 m 做一道透水盲溝與縱向?yàn)V層連接。主要修補(bǔ)形式見圖3。

圖3 修補(bǔ)恢復(fù)斷面示意圖

5 結(jié)論

根據(jù)發(fā)生在施工期間和運(yùn)行期間河床坡面滑動(dòng)的實(shí)例分析，通過計(jì)算認(rèn)為導(dǎo)致河床失穩(wěn)的因素是多方面的。因此，要根據(jù)河道的實(shí)際土質(zhì)情況、邊界和水流情況進(jìn)行綜合分析，對(duì)設(shè)計(jì)和施工過程加以重視，并通過系統(tǒng)運(yùn)算，才能最終排除失穩(wěn)現(xiàn)象。實(shí)例證明，防止產(chǎn)生滑坡的條件必須滿足：

（1）依據(jù)坡面層土料φ 值和C 值進(jìn)行選擇，最佳利用粘性土φ﹥20°；

（2）河床斷面設(shè)計(jì)的合理性需從安全性上加以考慮；

（3）邊坡外部條件影響不可小覷，應(yīng)在設(shè)計(jì)和施工中加以注重，尤其是針對(duì)承壓水頭，要有一定的防滲寬度，并在實(shí)施過程中考慮對(duì)與側(cè)向水頭形成的接觸面要進(jìn)行坡面范圍內(nèi)的壓實(shí)處理，尤其在浸潤(rùn)線以下100 cm 位置上，要進(jìn)行一定的壓實(shí)處理，壓實(shí)度不小于0.93；

（4）在滲流出逸處設(shè)計(jì)適宜的縱橫濾層，尤其在混凝土護(hù)坡的坡面要確保滲水有足夠排出的空間；

（5）在C 值較小且φ 值相對(duì)較大的坡面土層上施工，要注意對(duì)滲積水的抽排，盡可能降低施工期間地下水位，確保坡面干爽，促進(jìn)坡面層固結(jié)，從而避免坡面產(chǎn)生滑動(dòng)。只要通過設(shè)計(jì)、施工和管理三方共同努力，嚴(yán)格把關(guān)，從思想上加以重視，行動(dòng)上加以強(qiáng)化，一定能夠減少河床失穩(wěn)事件的發(fā)生，確保工程的整體安全性。