毗河供水一期工程總干渠穿越成都粘土區(qū)明渠高邊坡滑坡原因分析及處理

(資陽(yáng)市水務(wù)投資有限責(zé)任公司，四川 資陽(yáng)，641300)

1 滑坡基本情況

1.1 已滑坡部分概況

毗河供水一期工程自2016年10月以來(lái)，共進(jìn)行了4段成都粘土覆蓋區(qū)的明(暗)渠開(kāi)挖施工，實(shí)際情況揭示，各渠道在施工階段就出現(xiàn)了不同程度的滑坡現(xiàn)象，截止2017年3月2日數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，已施工的4段渠道工程中，左側(cè)邊坡滑坡443.6m，右側(cè)邊坡滑坡572.8m，直接造成工程施工停止，對(duì)工程建設(shè)產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。

表1邊坡滑坡情況統(tǒng)計(jì)

1.2 分析重點(diǎn)與范圍

毗河供水一期工程穿越成都粘土區(qū)渠道總長(zhǎng)度約11000余m，設(shè)計(jì)開(kāi)挖深度從4m～10m不等，粘土覆蓋層厚度從3.5m～19m不等，設(shè)計(jì)斷面較多，類別復(fù)雜。本文主要結(jié)合已施工的980m明渠段滑坡情況，對(duì)設(shè)計(jì)開(kāi)挖深度為6m～10m，粘土厚度≥6m的渠段類型進(jìn)行分析，介紹闡述邊坡處理方法及應(yīng)用效果。

2 滑坡段基本資料

2.1 地質(zhì)條件

2.2 水文條件

滑坡區(qū)域地下水位較高，且無(wú)外排出口，地下水類型以孔隙、裂隙水為主，受地表滲水和大氣降水補(bǔ)給。降雨時(shí)，地層含水量明顯增大，土體出現(xiàn)飽和。

2.3 物理參數(shù)

對(duì)該段工程的粘土層取樣進(jìn)行試驗(yàn)，其天然含水量為28.1%，飽和度90.3%，壓縮系數(shù)av0.1～0.2=0.380MPa-1、壓縮模量Es0.1～0.2=6.634MPa，滲透系數(shù)K=1.10×10-6cm/s，自由膨脹率59%，飽和快剪φ=8.34°、C=22.4kPa，飽和固結(jié)快剪φ=13.85°、C=22.1kPa，表明該粘土天然含水量較高，中等壓縮性、中等膨脹性、微透水性和較低的抗剪強(qiáng)度，具體參數(shù)詳見(jiàn)表2。

表2成都粘土物理力學(xué)參數(shù)建議值

3 失穩(wěn)成因及演變機(jī)理分析

3.1 原因分析

該段明渠工程粘土覆蓋厚度平均約7.8m，邊坡基本由成都粘土組成，工程地質(zhì)條件差，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況，對(duì)該段工程邊坡滑坡進(jìn)行綜合分析，認(rèn)為產(chǎn)生滑坡的原因主要是自然因素和人為因素兩個(gè)方面。

3.1.1 自然因素

(1)地下水作用

成都粘土的物理性質(zhì)表明其具有明顯的遇水膨脹、失水收縮的特點(diǎn)，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)，本段工程邊坡垮塌土體天然含水量為28.1%，含水量較大，部分滑動(dòng)帶土體處于飽和狀態(tài)，而水的作用對(duì)邊坡的影響極其明顯，水會(huì)在土顆粒表面形成水膜，影響土體顆粒之間的作用力，進(jìn)一步降低土體的抗剪強(qiáng)度。

(2)降雨作用

一是降雨對(duì)邊坡施加了一個(gè)相對(duì)的豎向壓應(yīng)力，同時(shí)雨水形成的徑流會(huì)對(duì)邊坡產(chǎn)生一個(gè)較大的沖刷作用，影響邊坡坡面的穩(wěn)定；二是降雨入滲會(huì)使部分不飽和土體逐漸飽和，顯著增加土體的重度，而土體在吸水后發(fā)生明顯膨脹，增大的膨脹力會(huì)對(duì)周圍的土體形成擠壓，進(jìn)一步加大滑坡趨勢(shì)；三是雨水的滲入會(huì)進(jìn)一步抬升地下水位，使水位線變的陡峭，土體滲流力增大，同時(shí)滲透引起的動(dòng)水壓力也會(huì)增加土體的剪應(yīng)力。

(3)大氣作用

工程位置位于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，大氣作用對(duì)邊坡表層部分影響較大，本段工程在施工中采用了全線開(kāi)挖，而開(kāi)挖后的邊坡又長(zhǎng)期暴露未采取任何保護(hù)措施，致使邊坡表面長(zhǎng)期與空氣接觸，邊坡表層2m～3m范圍的土體特性產(chǎn)生較大變化，導(dǎo)致土體內(nèi)部出現(xiàn)了干裂，進(jìn)而使土體抗剪強(qiáng)度進(jìn)一步變低。

3.1.2 人為因素

(1)卸荷作用

邊坡開(kāi)挖打破了原有的土體平衡狀態(tài)，致使坡腳臨空，失去了橫向支撐，邊坡的側(cè)向荷載被卸除后，粘土內(nèi)部的裂隙得到擴(kuò)展，同時(shí)在邊坡開(kāi)挖后，坡腳出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，加劇坡腳土體的擠壓破損，使邊坡坡腳極易失穩(wěn)，產(chǎn)生牽引式滑坡。

(2)施工方法作用

一是渠道施工開(kāi)挖過(guò)程中，施工道路布置不合理，多沿渠頂邊緣布置，重型運(yùn)輸機(jī)械在行駛過(guò)程中增加了邊坡上部的附加荷載和振動(dòng)效應(yīng)，對(duì)邊坡的穩(wěn)定造成了較大影響；二是開(kāi)挖方式采用全線開(kāi)挖，而未進(jìn)行分段間隔開(kāi)挖，在部分開(kāi)挖深度較大的地段也沒(méi)有采取保護(hù)性措施，導(dǎo)致邊坡產(chǎn)生蠕動(dòng)變形致使失穩(wěn)滑坡。

3.2 邊坡失穩(wěn)過(guò)程演化分析

根據(jù)以上分析，該段明渠邊坡失穩(wěn)主要受到施工方法、地下水位、大氣環(huán)境、降雨入滲、土體特性等參數(shù)的影響。其失穩(wěn)演化過(guò)程主要表現(xiàn)為：開(kāi)挖導(dǎo)致坡腳應(yīng)力集中→無(wú)保護(hù)措施致使邊坡蠕變→大氣、地下水作用導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度降低→降雨入滲增加額外荷載→多重作用導(dǎo)致局部裂隙擴(kuò)展→產(chǎn)生滑動(dòng)趨勢(shì)→出現(xiàn)滑坡。具體過(guò)程為：

(1)受施工開(kāi)挖和重力作用，坡腳出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，在此基礎(chǔ)上，坡腳首先追蹤土體內(nèi)部原有軟弱結(jié)構(gòu)面，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面的剪切應(yīng)變軟化，然后逐漸向邊坡上部擴(kuò)展，增大軟弱結(jié)構(gòu)面的長(zhǎng)度與開(kāi)度；

(2)在此過(guò)程中，降雨、地下水、大氣等發(fā)揮作用進(jìn)一步促使應(yīng)力沿軟弱結(jié)構(gòu)面向后發(fā)展，形成一條沿節(jié)理的貫穿性軟弱結(jié)構(gòu)面，隨后滑體與后緣尚處于穩(wěn)定的土體逐步脫開(kāi)，最后形成牽引式滑坡；

(3)以上各影響因素幾乎同時(shí)發(fā)生，又相互促進(jìn)，綜合作用下使邊坡出現(xiàn)滑坡，因此，治理邊坡時(shí)應(yīng)全面考慮，綜合治理。

4 工程處理措施

為解決成都粘土覆蓋區(qū)明渠邊坡的穩(wěn)定問(wèn)題，切實(shí)減少邊坡滑坡所造成的的損失，保障工程建設(shè)的有序推進(jìn)，根據(jù)實(shí)際情況和類似工程經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)參建各方深入論證和審慎研究，對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了修改，圓滿解決了施工期和建設(shè)期的渠道穩(wěn)定問(wèn)題。

4.1 原設(shè)計(jì)方案

原設(shè)計(jì)方案為全挖方梯形渠道，渠道高度5.97m，底寬2.52m，縱坡1/7000，渠坡坡比1∶0.75，C15混凝土面板襯砌，厚度10cm，面板下部鋪設(shè)復(fù)合土工膜防滲。渠道原設(shè)計(jì)典型剖面如圖1所示。

圖1 原初設(shè)方案斷面

4.2 變更方案比選

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況來(lái)看。原有設(shè)計(jì)方案已無(wú)法滿足需要，為確保工程建設(shè)和運(yùn)行期的安全，初步擬定了板樁墻、暗涵、抗滑樁等方案進(jìn)行比較。

方案一：板樁墻方案。矩形過(guò)水?dāng)嗝妫^(guò)流尺寸9.0m×4.614m(寬×高)，C25鋼筋混凝土抗滑樁，樁頂沿縱向設(shè)冠梁，橫向設(shè)拉桿，側(cè)墻厚度0.3m，底板厚度0.1m。其中樁基直徑1.2m，樁長(zhǎng)11m～15m，樁間距2m。

方案二：雙孔暗涵方案。暗涵縱坡i=1/7000，結(jié)構(gòu)為雙孔城門(mén)洞形，單孔底寬5.5m，直墻高3.4m，頂拱中心角180°，半徑2.75m，C25鋼筋混凝土襯砌，厚度0.6m。

方案三：抗滑樁方案。梯形過(guò)水?dāng)嗝妫涝O(shè)置單排C25鋼筋混凝土抗滑樁，渠內(nèi)邊坡采用2.0m厚砂卵石換填，渠道過(guò)水?dāng)嗝鎯?nèi)設(shè)置排水設(shè)施，樁基采用C25鋼筋混凝土，樁距2.5m，樁長(zhǎng)12m。渠內(nèi)C15混凝土襯砌，厚度0.1m。

表3技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比表 單位：延m

從表3可以看出，三種變更方案在技術(shù)上均可行的前提下經(jīng)濟(jì)指標(biāo)接近，其中雙孔暗涵方案投資最少，但是成都粘土力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜，根據(jù)已施工的部分暗渠在施工階段邊坡即出現(xiàn)垮塌的情況，為保證施工期的邊坡穩(wěn)定，避免新增用地，最終確定采用方案一(板樁墻，樁徑1.2m，樁距2m)，樁基深入底板以下深度≥6m。

圖2 變更后渠道斷面

4.3 施工期邊坡穩(wěn)定驗(yàn)算

對(duì)于該類型渠道，開(kāi)挖施工采用兩步進(jìn)行，首先完成設(shè)計(jì)樁頂高程以上的邊坡開(kāi)挖，隨后進(jìn)行抗滑樁施工，抗滑樁強(qiáng)度驗(yàn)收完成后，再進(jìn)行矩形渠身開(kāi)挖。施工期邊坡穩(wěn)定驗(yàn)算根據(jù)施工方式分兩種工況進(jìn)行，計(jì)算方法采用單一安全系數(shù)畢肖普法；抗剪強(qiáng)度采用三軸壓縮儀測(cè)定值，指標(biāo)按線性強(qiáng)度準(zhǔn)則選用，計(jì)算程序采用理正邊坡穩(wěn)定分析軟件，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)采用《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 386-2007)。

表4計(jì)算參數(shù)取值

圖3 渠坡穩(wěn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖

4.4 施工期邊坡穩(wěn)定效果評(píng)價(jià)

計(jì)算結(jié)果表明，施工各階段的邊坡穩(wěn)定系數(shù)均滿足規(guī)范要求，在實(shí)際施工運(yùn)用中，良好地解決了施工期邊坡垮塌問(wèn)題，達(dá)到了預(yù)期效果，為工程順利推進(jìn)創(chuàng)造了良好條件。

5 結(jié)論

(1)成都粘土的工程性質(zhì)較差，遇水極易軟化、崩解，在工程施工時(shí)極易產(chǎn)生滑坡等不利影響。因此，在勘察設(shè)計(jì)階段應(yīng)對(duì)此類特殊地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行詳勘，并進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)與評(píng)估，避免在施工階段進(jìn)行補(bǔ)勘和設(shè)計(jì)變更，盡量減小對(duì)施工階段的影響。

(2)本段施工開(kāi)挖形成的邊坡滑坡除了受到自身力學(xué)性質(zhì)的影響外，還主要受施工工藝、降雨入滲、地下水活動(dòng)、大氣循環(huán)等作用影響。在實(shí)際施工時(shí)，必須要合理選擇施工時(shí)段，避免采用全線開(kāi)挖的施工方法，開(kāi)挖后須及時(shí)完成后續(xù)工作，并回填封閉，最大程度減少滑坡風(fēng)險(xiǎn)。

(3)水利工程中的渠道工程，其永久結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定計(jì)算往往可以滿足規(guī)范要求，但施工期的邊坡穩(wěn)定支護(hù)方案卻容易被設(shè)計(jì)單位忽略，尤其是對(duì)于復(fù)雜土體施工期臨時(shí)邊坡的穩(wěn)定，施工單位一定要妥善處理，不能盲目施工。

(4)關(guān)于成都粘土明渠開(kāi)挖高邊坡的穩(wěn)定問(wèn)題，可以采用板樁墻+植草護(hù)坡的方式進(jìn)行處理。實(shí)踐證明，此方案可以有效地支擋滑坡體，保證施工期的邊坡穩(wěn)定，也將對(duì)渠道后期運(yùn)行產(chǎn)生積極影響。