濕陷性黃土高邊坡貫通沖溝理論分析研究及處理方法

郝楓楠　端木靈子　隋海賓

【摘 要】目前，關(guān)于濕陷性黃土的研究主要集中在地基基礎(chǔ)處理或者邊坡防治方面，但對(duì)于濕陷性黃土高邊坡沖溝治理方面的研究較少。鑒于此，本文結(jié)合具體工程，通過(guò)理論分析沖溝成因，并采用泥土灌漿等工程措施進(jìn)行處理，取得了良好效果。其理論及處理方法為今后類似工程提供借鑒作用及參考價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】濕陷性黃土;高邊坡;貫通沖溝;粘土灌漿

中圖分類號(hào)： TV551.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）32-0217-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.32.102

0 前言

濕陷性黃土是指在上覆土層自重應(yīng)力作用下，或者在自重應(yīng)力和附加應(yīng)力共同作用下，因浸水后土的結(jié)構(gòu)破壞而發(fā)生顯著附加變形的土，屬于特殊土。有些雜填土也具有濕陷性。廣泛分布于我國(guó)東北、西北、華中和華東部分地區(qū)的黃土多具濕陷性。

濕陷性黃土是一種特殊性質(zhì)的土，其土質(zhì)較均勻、結(jié)構(gòu)疏松、孔隙發(fā)育。在未受水浸濕時(shí)，一般強(qiáng)度較高，壓縮性較小。當(dāng)在一定壓力下受水浸濕，土結(jié)構(gòu)會(huì)迅速破壞，產(chǎn)生較大附加下沉，強(qiáng)度迅速降低。故在濕陷性黃土場(chǎng)地上進(jìn)行建設(shè)，應(yīng)根據(jù)建筑物的重要性、地基受水浸濕可能性的大小和在使用期間對(duì)不均勻沉降限制的嚴(yán)格程度，采取以地基處理為主的綜合措施，防止地基濕陷對(duì)建筑產(chǎn)生危害。

然而在實(shí)際工程中，很多學(xué)者對(duì)濕陷性黃土地基基礎(chǔ)處理或者邊坡防治方面做了較多的研究，但是對(duì)于濕陷性黃土高邊坡沖溝治理方面的研究較少，與之相關(guān)的工程案例中也不多。因此，開展?jié)裣菪渣S土高邊坡沖溝治理的理論研究及處理方法很有必要且實(shí)踐意義重大。鑒于此，本文以南水北調(diào)中線穿黃工程高邊坡沖溝治理為例，主要從理論方面分析研究濕陷性黃土高邊坡貫通沖溝的成因，并采取粘土灌漿方式進(jìn)行處理，取得了良好的效果。

1 概述

南水北調(diào)中線穿黃工程位于鄭州市以西約30公里處，于孤柏山灣李村附近橫穿黃河。南岸連接明渠長(zhǎng)約5km，位于邙山黃土丘陵區(qū)，為深挖方渠道。地面高程約為131m～163m，渠底高程111m～112m，邊坡高度20m～52m。地下水位高程約102m～139m。每10m高差設(shè)置馬道，邊坡坡比為1：0.7或1：1。邊坡采用漿砌石或者混凝土骨架植草進(jìn)行防護(hù)。2016年的一場(chǎng)突破歷史極值的暴雨使得南岸深挖方渠段各級(jí)馬道及邊坡均有不同程度的受損，主要體現(xiàn)在暴雨后馬道出現(xiàn)多處局部塌陷，邊坡產(chǎn)生貫穿性沖溝，邊坡產(chǎn)生連通式的洞穴導(dǎo)致邊坡有泥漿冒出。若再有一場(chǎng)大雨，很有可能會(huì)導(dǎo)致邊坡滑坡及漿砌石護(hù)坡倒塌，對(duì)邊坡穩(wěn)定造成不利影響。因此需要對(duì)受損部位進(jìn)行修復(fù)處理。

2 沖溝成因理論分析

沖溝的形成是在各方面因素綜合性作用下產(chǎn)生的。

2.1 地層結(jié)構(gòu)

根據(jù)有關(guān)資料[1]，工程區(qū)主要出露的地層為上更新統(tǒng)沖積層（alQ3）、全新統(tǒng)沖積層（alQ4）：

2.1.1 上更新統(tǒng)沖積層（alQ3）

該層頂面高程180～140m，揭露厚度25～50m，巖性為淺黃色黃土和灰黃、褐黃色黃土狀粉質(zhì)壤土，局部夾粉質(zhì)砂壤土，呈軟塑狀、可塑狀。

黃土主要分布于樁號(hào)4+107.94～5+575.87并直接出露于地表，厚0～39.20m，自南向北隨地面高程抬升而變厚，底板高程140.90～141.60m，起伏較小。

樁號(hào)0+000～5+029段巖性黃土狀粉質(zhì)壤土，自上而下可細(xì)分為⑨上、⑨-1、⑨夾、⑨-2層，其中⑨-1、⑨-2兩層為軟塑狀飽和軟黃土，⑨上、⑨夾層呈可塑狀、軟～可塑狀。

⑨上層分布于樁號(hào)0+000～1+360之間，層厚9.70～14.90m，頂板高程123.00～126.00m。

⑨-1層分布于樁號(hào)1+094～4+945之間，層厚一般為7.90～12.20m，頂板高程125.66～137.84m，中間厚度稍大，兩端稍薄并逐漸尖滅。

⑨夾層夾于⑨-2、⑨-1層之間，分布于樁號(hào)1+094～5+029，層厚5.00～10.0m，頂板高程117.80～136.10m，自南向北逐漸抬升。

⑨-2層分布于樁號(hào)0+021～5+019之間，層厚5.60～15.00m，中間厚度較大，兩端稍薄并逐漸尖滅，頂板高程113.27～125.36m，自南向北逐漸抬升。

2.1.2 全新統(tǒng)沖積層（alQ4）

該層主要分布于邙山南的沖積平原區(qū)，樁號(hào)0+000～4+107.94段，巖性為粉質(zhì)壤土層，灰褐色，一般呈可塑狀，厚3.6～5.4m，最大厚度10.2m。

邊坡高度范圍內(nèi)的主要地層巖性上部為黃土或粉質(zhì)壤土、中下部為黃土狀粉質(zhì)壤土，即均具有黃土特性等特征。其地層的具體特性如下：

（1）濕陷性

南岸上部黃土具有具弱濕陷性，并具有隨壓力增大，濕陷系數(shù)亦增大的特點(diǎn)。

（2）流變性

從流變?cè)囼?yàn)成果[1]可以看出，黃土的起始流變應(yīng)力平均值為0.137MPa，極易引起流動(dòng)變形，且黃土的起始流變應(yīng)力較黃土狀粉質(zhì)壤土低，說(shuō)明黃土更易發(fā)生流動(dòng)變形。浸水后，黃土的流變參數(shù)較天然含水量條件下的低得多，表明黃土的瞬時(shí)力學(xué)性質(zhì)和流動(dòng)變形性受含水量的影響較明顯。

（3）抗沖性

根據(jù)試驗(yàn)資料統(tǒng)計(jì)分析[1]，各土層的顆粒組成為級(jí)配均勻的土體，土層的粘粒含量為13.6%～19.3%，粘粒含量從上到下逐漸增大，粉粒含量79.1%～83.5%。由于土體級(jí)配均勻，滲透性較差，孔隙比較大最大為0.915，粘粒含量較小，粘滯系數(shù)較小平均值為0.55×1012Pa.s，故其抗沖性較差。

（4）垂直微裂隙

由于黃土受其沉積環(huán)境的影響，使其在水平與垂直方向上具有不同的結(jié)構(gòu)，即垂直方向上的節(jié)理或微裂隙較發(fā)育，而水平方向上則不發(fā)育。從其滲透系數(shù)大小的差異就可知道：水平滲透系數(shù)為3.7×10-5～7.4×10-5cm/s，垂直滲透系數(shù)為3.9×10-4～7.2×10-5cm/s，即垂直滲透能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水平方向。

（5）崩解性

從黃土的濕化試驗(yàn)成果[1]可知，黃土浸水100～140秒后全部崩解，而黃土狀粉質(zhì)壤土浸水120～180秒后全部崩解，即黃土比黃土狀粉質(zhì)壤土崩解速度要快?？傮w來(lái)看，不論黃土，還是黃土狀粉質(zhì)壤土，均具有崩解速度較快的特點(diǎn)。

2.2 積水滲透

圖1 平臺(tái)土體降雨破壞過(guò)程示意圖

由于邊坡地層具有黃土的特性，在積水后其性質(zhì)發(fā)生較大變化，特別是平臺(tái)表面積水后，沿垂直節(jié)理或垂直微裂隙，快速下滲而使黃土出現(xiàn)飽和、崩解，黃土產(chǎn)生濕陷自身骨架結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，由于重力的作用最終出現(xiàn)流塑變形，如果地表面積水量再逐漸增大且時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，下滲水流一旦從邊坡溢出產(chǎn)生連通通道，則地面積水沿優(yōu)勢(shì)快速通道，通過(guò)飽和、溶蝕、沖刷，最終形成管涌破壞，導(dǎo)致邊坡受到?jīng)_刷而變形破壞失穩(wěn)。

2.3 土體卸荷回彈變形

渠道開挖過(guò)程中，由于對(duì)各建筑物基底的開挖、平整，土體釋重后會(huì)有一定的回彈變形，其變形大小與平臺(tái)坡腳位置和土體原始埋藏深度有關(guān)，即平臺(tái)外坡角的卸荷回彈變形較內(nèi)坡腳容易。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)破壞的形式可以看出，塌陷變形的位置均位于平臺(tái)邊坡的外坡角附近，說(shuō)明外坡角一定范圍內(nèi)的卸荷回彈變形較其他部位容易，其變形量也應(yīng)該大于其他部位。

3 處理措施

對(duì)沖溝范圍作整修開挖，可依照沖溝等地形開挖，有條件時(shí)可開挖成1：1或1：0.7邊坡，對(duì)受到明顯沖刷的邊界整修擴(kuò)挖應(yīng)不小于30cm。將沖溝部位進(jìn)行灌漿。在灌漿材料的選擇上，考慮到與原狀土的結(jié)合作用，采用粘土進(jìn)行灌漿。灌漿前應(yīng)做好以下工作。

（1）摸清沖溝部位的深度和范圍;

（2）臨坡面處采取措施進(jìn)行封堵;

（3）沖溝范圍內(nèi)進(jìn)行粘土灌漿。

（4）粘土灌漿的技術(shù)要求：

采用充填式進(jìn)行灌漿，造孔深度超過(guò)沖坑深度1～2m，注漿管上端孔口壓力小于4.9×104Pa，漿液和漿料的物理力學(xué)指標(biāo)見下表1。

表1 液和漿料的物理力學(xué)指標(biāo)表

4 結(jié)語(yǔ)

依照上述方法進(jìn)行處理后，該區(qū)域內(nèi)貫穿性沖溝均得到了恢復(fù)，粘土與原狀土之間結(jié)合緊密，經(jīng)過(guò)2個(gè)雨季的考驗(yàn)，處理后的區(qū)域未再出現(xiàn)沖溝現(xiàn)象，該區(qū)域的高邊坡一直安全穩(wěn)定。說(shuō)明該方法對(duì)濕陷性黃土高邊坡沖溝處理是行之有效的，為今后類似工程提供借鑒作用及參考價(jià)值。

【參考文獻(xiàn)】

[1]黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司.南水北調(diào)中線一期穿黃工程南岸渠道高邊坡滲控措施及邊坡穩(wěn)定研究[R].2008.