引江濟(jì)淮工程菜巢線分水嶺段弱膨脹土邊坡柔性綜合防護(hù)方案

寧昕揚(yáng) 曾俊 呂國(guó)梁

摘要：膨脹土邊坡穩(wěn)定問(wèn)題是工程領(lǐng)域建設(shè)中常見(jiàn)的技術(shù)難題，若處理不當(dāng)，可能會(huì)引起牽引式、漸進(jìn)式的滑坡，嚴(yán)重威脅工程安全。針對(duì)引江濟(jì)淮工程菜巢線分水嶺段的地質(zhì)條件、設(shè)計(jì)方案以及使用需求，提出了一種適用于弱膨脹土深挖方邊坡的綜合柔性防護(hù)方案。結(jié)果表明：該方案在充分發(fā)揮柔性防護(hù)措施優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，有效地保證了邊坡的安全穩(wěn)定。研究成果可為邊坡治理提供參考。

關(guān)鍵詞：邊坡治理; 膨脹土; 柔性綜合防護(hù); 引江濟(jì)淮工程

中圖分類號(hào)：TU443文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.05.012

文章編號(hào)：1006 - 0081（2022）05 - 0067 - 06

0 引 言

膨脹土由多種親水性礦物組成，其主要成分為蒙脫石、伊利石和高嶺石，是一種災(zāi)害性很強(qiáng)的特殊土，在中國(guó)乃至世界上均分布廣泛。膨脹土的濕脹干縮特性會(huì)引起地基或邊坡的不均勻沉降、開(kāi)裂以及反復(fù)破壞，造成建筑物、水利工程及公路工程的經(jīng)濟(jì)損失，是工程建設(shè)中不可忽視的一類地質(zhì)問(wèn)題[1]。在南水北調(diào)中線工程建設(shè)過(guò)程中，深挖方明渠開(kāi)挖及其沿線復(fù)雜的地質(zhì)條件給膨脹土邊坡治理帶來(lái)了更多的技術(shù)難點(diǎn)[2]。因此，緊密結(jié)合工程實(shí)際、探索適宜膨脹土邊坡的綜合治理方案對(duì)工程建設(shè)有重大意義。

在邊坡防護(hù)方面，國(guó)內(nèi)外工程技術(shù)人員基于工程實(shí)際提出了一系列行之有效的邊坡支護(hù)方案，主要可概括為三大類：剛性支護(hù)、柔性支護(hù)和綜合支護(hù)措施[3]。其中，剛性支護(hù)以圬工結(jié)構(gòu)（重力式擋墻、抗滑樁和片石護(hù)面墻等）為主，是目前邊坡治理最常用的處理方法，其基本原理是利用剛性支護(hù)體的錨固作用以及被動(dòng)抗力來(lái)平衡滑坡力[4];柔性支護(hù)技術(shù)主要包括生物防護(hù)、土工織物加筋、土工三維植被網(wǎng)、柔性防護(hù)網(wǎng)等措施[5]。各類防護(hù)措施的主要優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍詳見(jiàn)表1[3，6]。在工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)綜合考慮工程的建設(shè)需求、投資、安全、環(huán)境等因素，選取適宜的邊坡支護(hù)措施。

工程技術(shù)人員針對(duì)膨脹土處理、排水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、膨脹土邊坡坡比等支護(hù)配套措施也提出了諸多可行的設(shè)計(jì)技術(shù)方案。王歡等[7]以南水北調(diào)中線工程河南新鄉(xiāng)潞王墳段的膨脹土為研究對(duì)象，利用該地區(qū)廣泛分布的粉砂土作為改良介質(zhì)，提出了一種新的膨脹土物理改良方法。陳尚法等[8]基于南水北調(diào)中線一期工程南陽(yáng)膨脹土現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究成果，系統(tǒng)地提出了采用水泥改性的膨脹土處理方案與處理厚度等技術(shù)參數(shù)，為過(guò)水河渠的膨脹土改良方案提供了實(shí)施經(jīng)驗(yàn)與良好借鑒。董宏源等[9]系統(tǒng)研究了坡度對(duì)膨脹土邊坡滲流特性的影響，得出了膨脹土邊坡坡度的推薦取值范圍。王啟龍等[10]分析了南水北調(diào)中線工程南陽(yáng)段深挖方渠道渠坡變形破壞的原因，結(jié)合有關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)證明了膨脹土渠坡排水系統(tǒng)的健全有利于膨脹土渠坡的穩(wěn)定。林書偉[11]基于海南西線高速公路膨脹土區(qū)的邊坡實(shí)例，分別研究了邊坡防護(hù)和排水設(shè)計(jì)的基本原則。

安徽省膨脹土分布范圍廣泛，省內(nèi)多個(gè)灌區(qū)、調(diào)水工程在運(yùn)行期內(nèi)均出現(xiàn)過(guò)多次膨脹土渠坡滑坡問(wèn)題，嚴(yán)重影響工程的正常運(yùn)行與使用，如淠史杭灌區(qū)[12]。隨著引江濟(jì)淮工程的建設(shè)施工，工程沿線大范圍、大挖深、地質(zhì)條件復(fù)雜的膨脹土邊坡綜合治理成為工程建設(shè)的核心技術(shù)問(wèn)題之一。本文在南水北調(diào)中線等工程膨脹土邊坡治理經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，針對(duì)引江濟(jì)淮工程菜巢線分水嶺段的弱膨脹土分布區(qū)，提出了一種綜合性的弱膨脹土邊坡柔性防護(hù)方案，實(shí)現(xiàn)了在有效保證邊坡穩(wěn)定的同時(shí)，節(jié)省工程投資，發(fā)揮了良好的生態(tài)效益。該方案設(shè)計(jì)思路與具體措施可供類似工程參考。

1 主要地質(zhì)問(wèn)題及方案設(shè)計(jì)思路

1.1 工程概況

引江濟(jì)淮工程由長(zhǎng)江下游上段引水，向淮河中游地區(qū)補(bǔ)水，是一項(xiàng)以城鄉(xiāng)供水、發(fā)展江淮航運(yùn)為主，結(jié)合農(nóng)業(yè)灌溉補(bǔ)水，兼顧改善巢湖及淮河水生態(tài)環(huán)境等綜合利用的大型跨流域調(diào)水工程。該工程在安徽省引江濟(jì)巢段采用雙線輸水，主要包括西兆河引江線路與菜子湖輸水線路。其中菜子湖輸水線路總長(zhǎng)113.18 km，輸水設(shè)計(jì)流量150 m3/s;而菜巢線分水嶺段（樁號(hào)72+240～75+240）為菜子湖線合肥市段（樁號(hào)54+000～109+621）中的一段新開(kāi)輸水河道，長(zhǎng)3 km，地面高程24～36 m，開(kāi)挖深度大于30 m的河道長(zhǎng)度約2 km，新開(kāi)河道位于合肥市廬江縣城西南約6 km處。

1.2 膨脹土工程地質(zhì)問(wèn)題

菜巢線分水嶺段新開(kāi)河道范圍內(nèi)膨脹土地層巖性主要為⑤層重粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土（[Qal3]）：含鐵錳質(zhì)結(jié)核，棕黃及棕黃夾灰色，呈一般硬可塑狀，下部硬塑狀，屬中等偏低壓縮性土;主要化學(xué)成分以SiO2， Al2O3和Fe2O3為主，三者合計(jì)含量89.3%;其中SiO2含量最高，占71.7%。為了準(zhǔn)確把握切嶺段河渠膨脹土分布情況，于工程現(xiàn)場(chǎng)共選取104組樣本開(kāi)展菜巢線分水嶺段土體膨脹等級(jí)的綜合評(píng)價(jià)，具體成果詳見(jiàn)表2。

由表2可知：菜巢線分水嶺段新開(kāi)渠道中，弱膨脹土分布渠段長(zhǎng)1.00 km，中膨脹土渠段長(zhǎng)2.00 km，分別占該段線路總長(zhǎng)度的33.3%和66.7%;同時(shí)，河渠開(kāi)挖后工程區(qū)膨脹土邊坡為典型的上部膨脹土、下部基巖的巖土混合邊坡，具有邊坡高、切深大等不利特點(diǎn)，存在潛在的施工期及工程運(yùn)行期邊坡穩(wěn)定問(wèn)題，因此需要對(duì)工程區(qū)內(nèi)膨脹土邊坡的加固措施進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，以保證渠坡的安全穩(wěn)定。

1.3 防護(hù)方案設(shè)計(jì)思路

菜巢線分水嶺段河渠邊坡均為巖土混合邊坡，工程建設(shè)過(guò)程中所涉及的主要邊坡類型有三類：巖質(zhì)邊坡、弱膨脹土邊坡、中膨脹土邊坡。由于各邊坡巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)差異較大，且承載情況、使用狀態(tài)也不盡相同，因此，邊坡治理的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)每一級(jí)邊坡的實(shí)際地質(zhì)揭露情況及時(shí)調(diào)整。

考慮到工程通航、過(guò)水等需求，對(duì)區(qū)域內(nèi)裂隙巖質(zhì)邊坡采用錨桿、排水孔以及混凝土面板等措施進(jìn)行防護(hù);基于南水北調(diào)工程膨脹土治理的成功經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于工程區(qū)域內(nèi)脹縮性較強(qiáng)的中膨脹土，應(yīng)采用抗滑樁等剛性防護(hù)措施，以提升邊坡的整體穩(wěn)定性;對(duì)于區(qū)域內(nèi)的弱膨脹土邊坡，柔性綜合防護(hù)措施是一種高效且經(jīng)濟(jì)的防護(hù)方案。

由于柔性防護(hù)措施的相關(guān)研究起步較晚，尚未形成完整的理論、實(shí)施體系，在工程建設(shè)中需要特別關(guān)注;同時(shí)，考慮到工程區(qū)膨脹土邊坡地質(zhì)條件的復(fù)雜性，為保證防護(hù)效果，各工程均應(yīng)針對(duì)柔性綜合防護(hù)方案進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。由于邊坡排水、坡面防護(hù)、膨脹土治理是影響膨脹土邊坡穩(wěn)定的三大主要因素，故基于此設(shè)計(jì)思路，提出了一種適用于引江濟(jì)淮工程弱膨脹土邊坡的柔性綜合防護(hù)方案。

2 弱膨脹土分布渠段邊坡治理方案

2.1 河道斷面型式設(shè)計(jì)

菜巢線分水嶺段河渠弱膨脹土分布區(qū)的典型斷面如圖1所示。渠坡每高差6 m設(shè)一級(jí)馬道，并于二級(jí)馬道設(shè)8 m寬的平臺(tái)用以布置后期運(yùn)行維護(hù)道路，其余馬道寬3 m，渠頂設(shè)置管護(hù)道路。二級(jí)馬道以下邊坡為巖質(zhì)邊坡，以上為膨脹土邊坡，其中一級(jí)馬道以下邊坡坡比為1∶1.5，而二級(jí)馬道至一級(jí)馬道邊坡坡比為1∶2.5;二級(jí)以上馬道邊坡坡比均為1∶3.0。

2.2邊坡綜合防護(hù)方案

根據(jù)1.3節(jié)中所確定的設(shè)計(jì)理念，詳細(xì)制定了本段工程弱膨脹土分布區(qū)深挖方邊坡的綜合防護(hù)方案。方案中主要幾類防護(hù)措施的詳細(xì)介紹如下。

2.2.1 坡面及坡內(nèi)排水設(shè)計(jì)

為保障排水效率、增強(qiáng)邊坡的穩(wěn)定性，邊坡內(nèi)外設(shè)計(jì)多種不同的排水設(shè)施，如排水盲溝、截水溝、排水溝等。這些排水設(shè)施作為邊坡柔性支護(hù)的重要部分，發(fā)揮了不可替代的作用，其中：坡面排水能夠顯著縮短降雨等坡面來(lái)水在邊坡表面的滯留時(shí)間，減少邊坡表面的積水量;而坡內(nèi)排水則能夠加速地下水滲出坡面后的排出，避免出滲后的地下水排泄不暢而導(dǎo)致坡內(nèi)積水。

河渠坡面布置有縱、橫向排水溝（圖2），其中縱向（沿平行河道中心線方向）排水溝布置在各級(jí)馬道內(nèi)側(cè)，而橫向排水溝沿河道中心線方向每25 m設(shè)置一道，排水溝斷面內(nèi)尺寸均為40 cm×40 cm?？v、橫向的排水溝形成了一張巨大的排水網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)⑦吰卤砻嫔系姆e水迅速排至河渠內(nèi)。

膨脹土邊坡內(nèi)則設(shè)置了排水盲溝，用于排出膨脹土邊坡內(nèi)地下水積水（圖3）。從橫剖面上看，排水盲溝位于水泥改性土的換填底面以下，平行整個(gè)膨脹土開(kāi)挖坡面布置;從平面上看，排水盲溝干溝為沿河道中心線方向每15 m設(shè)置一道，支溝與干溝呈45°角相交，在坡面上形成了“Y”型的排水盲溝網(wǎng)絡(luò)。膨脹土坡面積水進(jìn)支溝后再匯入干溝，經(jīng)由坡面排水溝或邊坡排至河渠。

2.2.2 坡面防護(hù)

該段渠道中，二級(jí)馬道及以下主要邊坡以片麻巖和石英正長(zhǎng)巖為主，為滿足工程的通航以及過(guò)水要求、保證巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定，采用C25現(xiàn)澆鋼筋混凝土進(jìn)行坡面支護(hù)，并鉆設(shè)排水花管，做好坡面的排水。同時(shí)，在一級(jí)馬道下邊坡布置梅花型C25 mm錨桿，進(jìn)一步加固邊坡。

二級(jí)至三級(jí)馬道邊坡多為巖土分界線于邊坡出露的位置，是潛在的膨脹土滑坡水平滑動(dòng)面。因此，考慮到坡面防護(hù)的經(jīng)濟(jì)性、有效性并兼顧工程的景觀效益，采用12 cm厚預(yù)制C25混凝土聯(lián)鎖生態(tài)護(hù)坡砌塊進(jìn)行此處邊坡的坡面防護(hù)，心形框格內(nèi)種植適宜當(dāng)?shù)貧夂虻闹脖?，其拼接及剖面結(jié)構(gòu)如圖4所示。采用預(yù)制的C25混凝土聯(lián)鎖生態(tài)護(hù)坡砌塊進(jìn)行該處邊坡支護(hù)的優(yōu)點(diǎn)在于：與純鋼筋混凝土面板護(hù)坡相比，其造價(jià)相對(duì)較低，且為預(yù)制混凝土，施工較為便利，對(duì)工期有利;雖然其支護(hù)效果不如純剛性支護(hù)，但對(duì)邊坡變形的適應(yīng)能力更強(qiáng)，能夠?yàn)榕蛎浲吝吰聣褐氐耐瑫r(shí)，依靠各聯(lián)鎖塊之間的咬合作用適應(yīng)并抑制土體變形的持續(xù)發(fā)展。上覆植被也能夠在一定程度上改善復(fù)合土體的物理力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)一步加固邊坡。

三級(jí)馬道以上均為弱膨脹土邊坡，其物理性質(zhì)較為均一，無(wú)明顯裂隙等結(jié)構(gòu)面，且開(kāi)挖深度逐漸變淺，邊坡防護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較低。因此，對(duì)三級(jí)馬道以上弱膨脹土邊坡防護(hù)均采用同一柔性防護(hù)措施——柔性生態(tài)保護(hù)毯護(hù)坡+植草，其剖面結(jié)構(gòu)如圖5所示。該方法施工簡(jiǎn)便，且更為經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，能夠在一定程度上改善膨脹土的脹縮性等物理力學(xué)性質(zhì)，并具有一定的生態(tài)效益，適用于此類弱膨脹土邊坡的表層防護(hù)。

2.2.3 膨脹土治理

除按照上述要求對(duì)區(qū)域內(nèi)膨脹土邊坡進(jìn)行及時(shí)防護(hù)以外，還需要考慮對(duì)一定深度范圍內(nèi)的膨脹土進(jìn)行處理，以進(jìn)一步增強(qiáng)其自身穩(wěn)定性。主要考慮盡量減少邊坡內(nèi)土體的干濕循環(huán)交替作用，通過(guò)物理、化學(xué)或生物添加劑改善土體膨脹性等不利的物理力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而避免開(kāi)挖邊坡時(shí)發(fā)生滑動(dòng)破壞。引江濟(jì)淮工程邊坡治理方案吸取南水北調(diào)中線工程膨脹土處理的成功經(jīng)驗(yàn)，采用水泥改性土或非膨脹土換填的方式對(duì)膨脹土邊坡進(jìn)行處理。

該段河渠的弱膨脹土分布區(qū)膨脹土邊坡的處理方式為：弱膨脹土按河道設(shè)計(jì)斷面超挖1 m，用4%水泥改性土換填，形成最終河道設(shè)計(jì)斷面。水泥改性土換填層能夠有效隔絕大氣與地表來(lái)水，切斷膨脹土與大氣或地表的水汽交換通道，進(jìn)而控制膨脹土干濕循環(huán)過(guò)程，達(dá)到抑制膨脹土裂隙產(chǎn)生的效果。工程水泥改性土的生產(chǎn)用土料主要來(lái)自開(kāi)挖產(chǎn)生的弱膨脹土料，不足部分再利用臨近工程段開(kāi)挖的有用土料。

2.3 小 結(jié)

該工程弱膨脹土邊坡治理方案中，主要包括邊坡排水、膨脹土治理與坡面防護(hù)三類措施。各類治理措施的主要特點(diǎn)如表3所示。

3 邊坡穩(wěn)定分析

3.1 計(jì)算模型與邊界條件

為進(jìn)一步分析柔性綜合防護(hù)方案的治理效果，選取2.1節(jié)中的河渠典型斷面開(kāi)展在正常使用工況以及降雨工況下的膨脹土邊坡綜合防護(hù)前后滲流及邊坡穩(wěn)定分析。該膨脹土邊坡滲流及穩(wěn)定分析的典型斷面有限元分析模型如圖6所示，模型網(wǎng)格共包含5 766個(gè)節(jié)點(diǎn)，5 599個(gè)單元。

考慮到巖土分界線為主要的控制性滑動(dòng)面，在分析中取其為厚0.3 m的薄層土體，采用Morgenstern-Price進(jìn)行邊坡穩(wěn)定計(jì)算。模型的滲流邊界條件在左側(cè)取為定水頭23 m，右側(cè)取為河渠的最高通航水位15.32 m（該標(biāo)段最高通航水位均低于膨脹土底高程，不涉及坡外水影響膨脹土的問(wèn)題），非降雨工況下坡面取為出滲邊界，降雨工況時(shí)邊坡及坡頂取為降雨邊界，雨強(qiáng)為50 mm/d，其余均取為隔水邊界。

3.2 計(jì)算參數(shù)取值

各主要巖土體物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)如表4所示。為了簡(jiǎn)便，在計(jì)算過(guò)程中將表層聯(lián)鎖生態(tài)護(hù)坡簡(jiǎn)化為加重的水泥改性土材料，其參數(shù)取值除容重外均與水泥改性土一致;巖土分界線處的力學(xué)參數(shù)取膨脹土的殘余強(qiáng)度;排水盲溝僅參與滲流計(jì)算，不參與邊坡穩(wěn)定分析。

3.3 計(jì)算結(jié)果

該典型斷面的滲流場(chǎng)及邊坡穩(wěn)定分析成果如圖7所示。

由圖7可知，在各工況下，邊坡經(jīng)過(guò)治理后的安全系數(shù)均有所提高;在未經(jīng)降雨時(shí)，邊坡的安全系數(shù)從4.047提高至4.653;而在經(jīng)歷降雨時(shí)，邊坡的安全系數(shù)從2.089提高至3.497。計(jì)算結(jié)果說(shuō)明該研究提出的弱膨脹土邊坡柔性綜合防護(hù)方案治理效果良好，有效預(yù)防降雨帶來(lái)的邊坡失穩(wěn)，進(jìn)一步證明了該方案的安全性與可靠性。

4 結(jié) 語(yǔ)

該研究系統(tǒng)分析了膨脹土邊坡柔性支護(hù)及有關(guān)配套措施的適用范圍和主要優(yōu)點(diǎn);在南水北調(diào)中線工程膨脹土邊坡治理成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，從引江濟(jì)淮工程菜巢線分水嶺段的地質(zhì)條件、設(shè)計(jì)方案以及使用需求出發(fā)，基于該段河渠弱膨脹土分布區(qū)的邊坡特點(diǎn)，提出了一種施工便利、高效經(jīng)濟(jì)、環(huán)境友好的膨脹土邊坡柔性綜合防護(hù)方案。經(jīng)數(shù)值計(jì)算分析檢驗(yàn)，該防護(hù)方案能夠取得良好的邊坡治理效果，其設(shè)計(jì)思路和具體實(shí)施方案可供類似工程參考。

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（編輯：高小雲(yún)）

Flexible comprehensive protection scheme for weak expansive soil slopes in?watershed section of Caizi Lake and Chao Lake of water transfer project from Yangtze River to Huaihe River

NING Xinyang， ZENG Jun， LYU Guoliang

（Changjiang Institute of Survey， Planning， Design and Research Co. Ltd.， Wuhan 430010， China）

Abstract： The stability of expansive soil slope is a common technical problem in engineering construction. If it is not handled properly， it may lead to traction and gradual landslides， which seriously threatens the safety of the project. Focused on the actual geological conditions， design schemes and application requirements of the watershed section of Caizi lake and Chao lake of the water transfer project from Yangtze River to Huaihe River， a flexible protection scheme suitable for deep excavated slopes with weak expansive soil was proposed. The results showed that this scheme could take full advantages of flexible support structure and effectively guarantee the stability and safety of the slope. The research results could be a reference for slope treatment.

Key words： slope treatment; expansive soil; flexible comprehensive protection; water transfer project from Yangtze River to Huaihe River

收稿日期：2021-10-29

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFC1501204）

作者簡(jiǎn)介：寧昕揚(yáng)，男，工程師，碩士，主要從事水工結(jié)構(gòu)方面研究工作。E-mail：ningxinyang@cjwsjy.com.cn