膨脹土切嶺渠坡失穩(wěn)成因分析和治理對策

許道龍

膨脹土切嶺渠坡失穩(wěn)成因分析和治理對策

許道龍

一、前言

安徽省已建的人工開挖河渠工程中，具有代表性的深切嶺滑坡主要存在于淠史杭灌區(qū)將軍嶺切嶺、駟馬山滁河分洪道切嶺和新汴河徐崗切嶺，工程運行后邊坡失穩(wěn)均較嚴重。根據(jù)地勘分析上述滑坡為典型的膨脹土渠坡失穩(wěn)地質(zhì)災(zāi)害，有關(guān)單位曾進行了長期大量的觀測試驗和綜合研究以指導(dǎo)滑坡治理，實踐證明成效顯著。

二、切嶺概況和滑坡治理情況

淠史杭灌區(qū)將軍嶺切嶺為淠河總干渠與滁河干渠的溝通水道，邊坡坡度為1∶3～1∶2.5，每5m設(shè)一平臺，平臺寬度分別為2～4m，最大切深19m，坡頂堆土厚度7～9m。工程于1967年通水，1987年開始出現(xiàn)滑坡，先后采用表土重塑、排水溝、砌石拱支擋、坡面植草、一級平臺支撐樁與拱型骨架聯(lián)用等措施進行治理。

駟馬山滁河分洪道為滁河流域與長江的溝通水道，分洪道切嶺段長11.5km，其中深切嶺段長6.1 km，邊坡坡比1∶2.0～1∶3.0，設(shè)有多級平臺，最大切深40m，1972年投入運行，已發(fā)生大小滑坡十余處，治理措施分別有豎井聯(lián)合水平排滲孔、表土重塑、削坡減載、排水明溝或排滲暗溝、擋土墻或坡腳護砌支擋等。

新汴河徐崗切嶺位于安徽泗縣與江蘇省交界處，長約6km，河底寬115m，邊坡坡度為1∶3～1∶2.5，每6m設(shè)一寬3m平臺，切深18～20m，坡頂堆土厚度6～8m。工程自1970年通水運行以來發(fā)生規(guī)模較大的滑坡9次，先后采取削坡減載、降水井、排水溝、砌石或混凝土拱支擋、水下坡面防護、坡面植草、一級平臺雙排灌注樁等措施進行管理。

三、渠坡失穩(wěn)成因分析

上述切嶺滑坡多屬中淺層滑坡，具有淺層性、牽引性、長期性、季節(jié)性和方向性等特性，滑坡過程從推動式逐漸發(fā)展成牽引式。根據(jù)工程地質(zhì)特征以及土的自由膨脹率（駟馬山分洪道切嶺平均60%，新汴河徐崗切嶺平均76%）等指標，切嶺土質(zhì)均為中～弱膨脹性，局部偏強。影響膨脹土渠坡穩(wěn)定的因素很多，但土的內(nèi)在脹縮特性是構(gòu)成滑坡的主因，其他因素如地下水活動、邊坡坡度、堆載、地形地貌和地質(zhì)構(gòu)造、氣候條件、施工開挖方式等均為渠坡失穩(wěn)的外因，尤其是地下水活動因素。

1.膨脹土脹縮特性導(dǎo)致的粘土裂隙發(fā)育是造成滑坡的內(nèi)在因素

膨脹土多裂隙一方面是它顯著的脹縮性和低滲透性，另一方面是邊坡開挖導(dǎo)致側(cè)向應(yīng)力釋放。而裂隙對膨脹土強度影響很大，試驗表明，土的內(nèi)摩擦角隨體縮率或干濕循環(huán)次數(shù)的增加而顯著降低，土體強度隨剪切面上裂隙所占百分比的增加而降低，同時裂縫使雨水快速滲入形成水平推力和滲透力。另外，由于裂隙水的殘蝕作用，土體蒙脫類礦物在裂隙面形成一層滑膩次生物，加速了滑動面的形成。

2.地下水的作用是促成滑坡的主要外因

地下潛水受地表水和大氣降水控制，以垂直滲透補給為主，主要賦存于相對松散的淺部土層及填土層。地下潛水的存在顯著降低了土的強度指標，在土體孔隙或裂隙中也會產(chǎn)生靜水壓力和滲透力，同時膨脹土中礦物成分浸水后發(fā)生吸濕現(xiàn)象，地下水位的升降形成土體干濕循環(huán)，加速了膨脹土脹縮和崩解。部分切嶺地下承壓水會對潛在滑動面軟弱層形成頂托，對膨脹土礦物質(zhì)進行水化反應(yīng)，降低了土的強度。一般情況下，切嶺渠道完建期后均會改變地下水的滲流方向，形成垂直于渠線的較大滲透壓力，也是運行初期邊坡失穩(wěn)的主要誘因。

四、膨脹土渠坡治理對策

膨脹土渠坡的治理應(yīng)緊密結(jié)合其破壞內(nèi)在機理,重點針對膨脹土的裂隙性、膨脹性、吸水軟化等內(nèi)在特性采取對應(yīng)的治理措施,同時針對邊坡破壞的外在因素采取其他輔助措施，以達到綜合治理的目的。治理措施主要歸納為表層防護、降排水處理和支擋防護三個方面。

1.表層防護

其目的是阻隔膨脹土土體吸收和蒸發(fā)水分，預(yù)防裂隙的產(chǎn)生和發(fā)展，防止外水滲入，吸收膨脹勢能，對渠道水位以下的邊坡還有抗沖作用。具體措施有：

（1）換填土。將膨脹土部分挖除，用非膨脹性粘土或粗粒土覆蓋，在邊坡表層形成一道不易產(chǎn)生裂隙的保護層。換土效果與土料性質(zhì)、施工質(zhì)量、換土厚度等密切有關(guān)，換土厚度一般為1～2m。

（2）表土重塑。即對膨脹土就地翻挖重塑回填，目的是釋放出膨脹土超固結(jié)潛能,中等膨脹土翻挖深度一般1～1.5m，回填密度需通過試驗以膨脹勢能最小作為填筑標準，對于裂隙已發(fā)育的邊坡淺表通過重塑回填，可以大大節(jié)省投資。

（3）化學(xué)固化。即采用化學(xué)添加劑如石灰和水泥等材料來進行膨脹土的化學(xué)固化，使膨脹土的液限與膨脹量降低，增大縮限和抗剪強度，具有良好的抗?jié)B抗沖耐磨性。石灰摻量一般5%～10%，灰土襯砌厚度40cm，水泥含量一般為7%～10%，厚度20cm，表面覆蓋薄層水泥砂漿，土料可用粘性非膨脹土或現(xiàn)場膨脹土。

（4）防滲土工膜。用復(fù)合土工膜覆蓋邊坡渠坡可以防止水分蒸發(fā)和入滲，避免裂縫開展，措施經(jīng)濟、施工簡單。土工膜需設(shè)上保護層避免日曬老化，膜下需設(shè)單向排水設(shè)施，一般采用強度較高的兩布一膜，膜上填土不小于0.5m，可植草防護。

（5）抗沖護坡。對常水位以下渠坡進行防護，避免水位變幅區(qū)邊坡裂隙風(fēng)化造成土體松散強度降低，受水流和浮力作用導(dǎo)致坍塌，坡面現(xiàn)澆混凝土或漿砌石結(jié)構(gòu)還可以降低裂隙的發(fā)展速度。為避免水下邊坡膨脹變形造成襯砌破壞，襯砌基礎(chǔ)可換成非膨脹粘性土或摻灰改性土，或用柔性或預(yù)制混凝土。襯砌混凝土厚度一般8～15cm。

（6）種植草皮。在坡面植草可減少表土流失、水分蒸發(fā)和雨水入滲，便于坡面雨水向排水溝匯流，間接提高邊坡的整體穩(wěn)定性。

2.降排水處理

與表層防護以盡量阻止表水進入土體，預(yù)防裂隙的產(chǎn)生和發(fā)展等措施相對應(yīng)，降排水處理一方面通過工程措施將土體內(nèi)水盡可能排出，以降低土體地下潛水位和承壓水位，提高土體強度，降低滲透力，減少土體吸水軟化程度，另一方面通過坡面排水體系盡快導(dǎo)走表水，減少雨水入滲。

（1）降水井。降水井既可以降低地下潛水，也可以降低地下承壓水，如地下存在與外水連通的強透水砂層，降水效果尤為明顯。由于膨脹土的滲透系數(shù)很小，降水井的井距不宜過大，一般10m左右，井徑0.5～1.0m為宜。井深需深入透水砂層一定深度，或者至渠道常水位以下，便于井水的排出。底部無透水砂層的降水井，在渠坡常水位以上往往設(shè)置水平導(dǎo)水井管與豎井連通，既可降低井面水位，又可進一步降低其上部的地下潛水。

（2）坡面排水溝。沿坡面縱橫向均勻布設(shè)排水系統(tǒng),并相互連通構(gòu)成地表排水網(wǎng)，以盡快排除坡面來水,防止雨水入滲和沖刷坡面。排水溝以漿砌石或混凝土塊襯砌為宜。

3.支擋防護

支擋防護既可用于預(yù)防膨脹土邊坡失穩(wěn)，又可對已滑邊坡進行加固治理。支擋結(jié)構(gòu)物的型式要根據(jù)邊坡計算推動力或滑動面位置而定，或者按照地形地貌、土層結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、邊坡高度、滑動體范圍的大小與厚度，以及受力條件和危害程度而定。通常大型高邊坡渠道可采取減載抗滑樁支擋為主，中小型渠道可采用擋土墻等型式。

（1）砌石（混凝土）聯(lián)拱支擋。聯(lián)拱支擋主要用于中下部的坡面，一是支擋與鉗固坡面未完全清除的滑體及邊坡松散土體，防止因泥塑流而形成的小型表面溜滑，能夠預(yù)防淺層或牽引式滑坡；二是拱圈結(jié)合排水明溝布置可排除邊坡滲水，結(jié)合能量釋放后的裂隙粘土重塑回填有利于排滲和防沖。聯(lián)拱的跨徑不宜超過4m。

（2）擋土墻。倒坡基礎(chǔ)擋墻投資較省，充分利用被動土壓力，基礎(chǔ)深入滑動面以下約1.0m，墻背后設(shè)反濾排水體。對中小型窄深式渠道可采用對撐式擋墻，有利于擋墻的穩(wěn)定。擋土高度不大的渠坡可采用常規(guī)重力式或扶壁式擋土墻。土工織物擋墻一般由填料、筋材和面板三部分組成，挖除膨脹土滑坡體，土工織物分層鋪設(shè)再回填土壓實，土工織物鋪設(shè)長度根據(jù)自身物理力學(xué)參數(shù)以及巖土工程性質(zhì)確定，通常為0.5m厚土層鋪設(shè)一層編織物，填料可以為中等膨脹土。上述擋墻后采用粘性非膨脹土回填可顯著減少傳遞到擋墻的側(cè)向膨脹壓力，增加擋墻自身的穩(wěn)定性，減小結(jié)構(gòu)內(nèi)力。

（3）土釘墻。土釘墻是加固膨脹土邊坡的一種新技術(shù)，能夠大大減少土體的變形，由面板、金屬桿、砂漿與土體所組成。土釘?shù)拿姘搴褚话銥?～30cm的噴射混凝土，金屬桿一般為直徑15～25mm的鋼筋，鉆孔向下傾斜0°～20°，然后插入金屬桿、灌漿、噴射第一層混凝土，最后掛上鋼絲網(wǎng)再噴射第二層混凝土。

（4）抗滑樁支擋。用抗滑樁來預(yù)防和治理滑坡，具有破壞滑體少、施工方便、工期短、省工省料等優(yōu)點，是治理深層滑坡最為常見和有效的方法。抗滑樁常采用鋼筋混凝土鉆孔樁，斷面直徑0.8～1.2m，條件允許也可采用挖孔樁，斷面直徑可達1.5～2.0m。樁間距一般為樁徑的3～5倍，樁深入滑動面以下為樁長的1/3以上?？够瑯兑话忝坊ㄐ尾贾?～3排，以免滑體從樁間滑出。在重要的或具備施工條件渠段，抗滑樁間加以橫向連接或斜向支撐形成一個空間結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，以增強樁的整體穩(wěn)固性。

當潛在滑動土體推力過大時，上述支擋防護結(jié)構(gòu)往往結(jié)合高邊坡卸載、放緩坡度以及其他支擋措施聯(lián)合使用，才能更加經(jīng)濟安全。

五、結(jié)語

膨脹土渠坡治理分為預(yù)處理和滑坡治理兩個層次，設(shè)計時應(yīng)以預(yù)防為先，甄別出影響邊坡穩(wěn)定的內(nèi)在和外在因素，因地制宜，組合運用上述治理對策，力求措施科學(xué)、施工方便且經(jīng)濟合理■

（作者單位：安徽省水利水電勘測設(shè)計院230088）