引江濟淮工程江淮分水嶺軟弱夾層對邊坡穩(wěn)定的影響

甘旭東，龔壁衛(wèi)，胡 波，李 波，劉明華

(1.安徽省引江濟淮集團有限公司，合肥 230000；2.長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室，武漢 430010；3.安徽省水利水電勘測設(shè)計研究總院有限公司，合肥 230000)

1 研究背景

黏性土的殘余強度研究始于20世紀(jì)30年代，土力學(xué)的奠基人太沙基教授發(fā)現(xiàn)土體在大變形后強度衰減的現(xiàn)象，斯開普頓在第四次朗肯講座中進一步闡明了殘余強度的概念及試驗方法，并初步探討了有關(guān)機理。20世紀(jì)80年代中期，殘余強度理論成為黏性土抗剪強度理論研究中發(fā)展最快的一個分支[1-5]。

在我國，長江科學(xué)院是最早系統(tǒng)開展壩基軟弱夾層殘余強度問題研究的單位。20世紀(jì)70年代初，葛洲壩工程基坑開挖中發(fā)現(xiàn)了大量緩傾角軟弱夾層和剪切帶，為此，工程于1972年被迫停工，并重新進行科研、修改設(shè)計和施工準(zhǔn)備工作。研究人員系統(tǒng)進行了軟弱夾層物質(zhì)成分、化學(xué)性質(zhì)及礦物成分、殘余強度的試驗和分析，研制了大變形抗剪強度試驗設(shè)備，研究了直剪反復(fù)剪試驗方法，對軟弱夾層的強度演變機理、殘余強度特性、滲透性能及強度的長期演變特性等開展了全面、綜合性的研究工作[6-10]。研究者們提出了夾層黏土礦物化學(xué)活性恢復(fù)，形成弱結(jié)構(gòu)連結(jié)體系的泥化夾層成因，分析了不同黏土礦物含量對內(nèi)摩擦角、塑性指數(shù)等指標(biāo)的影響，研究了地下水滲流和水質(zhì)對軟弱夾層變形與強度的影響，揭示了黏性土殘余強度機理[11]、強度影響因素和長期演化規(guī)律，為葛洲壩工程的成功建成奠定了堅實的基礎(chǔ)。此后，烏江彭水、構(gòu)皮灘、嘉陵江亭子口、清江高壩洲、澧水皂市等大中型水利水電工程也相繼發(fā)現(xiàn)了壩基存在軟弱夾層的問題[12-16]，為此，研究人員進一步深化研究工作，在軟弱夾層的分類[17-20]、殘余強度的非線性問題[21]以及殘余強度試驗方法[22]等方面取得了更多的創(chuàng)新成果，解決了工程的實際問題。

引江濟淮工程是一項以城鄉(xiāng)供水和發(fā)展江淮航運為主，結(jié)合灌溉補水、改善巢湖及淮河水生態(tài)環(huán)境等綜合效益的大型跨流域調(diào)水工程。該工程溝通長江、淮河兩大水系，自南向北可劃分為引江濟巢、江淮溝通、江水北送三大工程段落，輸水河道總長723 km。其中，江淮溝通段河道自巢湖起，在肥西縣跨越江淮分水嶺，沿天河、東淝河上游河道經(jīng)東淝閘入淮河，全長約156.3 km。初步設(shè)計階段地質(zhì)勘察顯示，江淮溝通段地層多為二元結(jié)構(gòu)，上部為中-弱膨脹性土，下部為具弱膨脹性崩解巖、砂巖，其中，在土-巖分界面及以下巖層中夾有薄層泥巖。由于江淮溝通段大多為切嶺，部分切嶺段挖方深達40余米，地層中軟巖夾層傾向內(nèi)坡、傾角較緩，一旦開挖卸荷將使夾層出現(xiàn)臨空面，對河道邊坡穩(wěn)定極為不利。因此，順坡向緩傾角夾層的抗剪強度及其對邊坡穩(wěn)定的影響是工程重點關(guān)注的問題之一。事實上，施工期部分深挖方河渠因開挖時間長，已經(jīng)出現(xiàn)了局部大面積滑坡，初步分析，與夾層巖土體在大變形條件下強度已接近殘余狀態(tài)有關(guān)。由于該類地層結(jié)構(gòu)在工程的其他河段仍有分布，為分析其對邊坡穩(wěn)定的影響，提出合理的設(shè)計參數(shù)，對滑坡部位的軟弱夾層取樣進行了殘余強度試驗研究，并結(jié)合地層巖性和抗剪強度指標(biāo)進行了邊坡穩(wěn)定分析，對部分安全系數(shù)較低的河段，提出了處理措施建議。

2 江淮溝通段軟弱夾層的基本特性

2.1 巖層產(chǎn)狀

為查明江淮溝通段泥巖軟弱夾層分布情況，分析邊坡穩(wěn)定性，結(jié)合施工開挖，對菜子湖線某標(biāo)段深挖方局部滑坡的邊坡進行了施工地質(zhì)工作[23]。其中，在左岸布置2個地質(zhì)窗口，右岸布置3個地質(zhì)窗口，窗口間距50～80 m不等。地質(zhì)窗口開設(shè)寬度在1～3 m之間，采用人工挖掘清渣方式，勘察邊坡地層中存在的軟弱夾層及滑動面，并沿夾層的走向向窗口兩側(cè)追索，對該段邊坡的地層巖性及軟弱夾層的分布情況進行統(tǒng)計和分析。

地質(zhì)勘察顯示，本渠段上覆地層主要為全新統(tǒng)粉質(zhì)壤土、淤泥質(zhì)壤土、砂壤土以及上更新統(tǒng)粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土、砂性土等，下伏基巖主要為白堊系粉砂巖、細(xì)砂巖、粉砂質(zhì)泥巖等?，F(xiàn)場開挖發(fā)現(xiàn)該段巖層層理較發(fā)育，以粉砂巖夾泥巖條帶為主，局部為泥巖和粉砂巖呈互層狀，互層處10～40 cm/層，層理發(fā)育，層面較平直光滑。軟弱夾層厚2～5 cm，呈暗紅、磚紅色，可塑—軟塑狀，傾角10°～12°，傾向渠道內(nèi)坡；軟弱夾層上下一般夾有5～10 cm厚灰白色粉砂質(zhì)條帶，層面破碎透水性較大。地質(zhì)巖層產(chǎn)狀及剖面如圖1、圖2所示。

圖1 某深挖方段粉砂巖-泥巖互層(取樣位置)Fig.1 Interbedded sections of sandstone and mudstone in a deep excavation section (sampling position)

圖2 某深挖方段地層剖面示意圖Fig.2 Stratigraphic profile of a deep excavation section

2.2 巖土基本特性

結(jié)合地質(zhì)勘察，對夾層的滑面及上下巖土體進行原狀樣取樣，并按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)的相關(guān)試驗要求進行試樣物理性、礦物成分和比表面積鑒定，成果如表1、表2所示。

表1 泥巖夾層基本物理性質(zhì)Table 1 Basic physical and mechanical indexes of mudstone interlayer

表2 泥巖夾層礦物成分及比表面積Table 2 Mineral composition and specific surface area of mudstone interlayer

分析表明：泥巖夾層滑面及夾層帶均為高液限黏土，且已達到飽和狀態(tài)。相對夾層帶而言，泥巖夾層滑面土體的天然含水率明顯偏大，密度偏??；級配方面，夾層滑面的土體黏粒含量明顯大于夾層帶，這主要是由于滑坡大變形過程中滑面上的土體已經(jīng)過充分的剪切所致。比較兩者的自由膨脹率可見，滑面的自由膨脹率比夾層帶更高，從兩者的礦物成分和比表面積鑒定成果也可以得到印證。

2.3 強度試驗

采用四聯(lián)直剪儀分別進行泥巖滑面及夾層帶的直剪反復(fù)剪切試驗，試樣從現(xiàn)場取回的原狀方塊樣或環(huán)刀樣上切取。考慮到滑坡部位均為淺表層，其上覆壓力較低，強度包線可能出現(xiàn)非線性，結(jié)合以往工程經(jīng)驗[21,24]，試驗上覆壓力分別為12.5、25、50、100、200、300、400 kPa，剪切試驗速率為0.016 mm/min。按標(biāo)準(zhǔn)要求，每個剪程剪切位移8 mm，分別進行6個剪程往返剪切，累計剪切位移48 mm，直至試樣最終達到殘余強度狀態(tài)。

圖3為滑面試樣的剪切應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線， 該曲線具有明顯的峰值和應(yīng)變軟化現(xiàn)象， 當(dāng)剪切位移超過40 mm以后， 試樣基本達到殘余強度狀態(tài)。 圖4為滑面試樣的摩爾-庫倫強度包絡(luò)線， 試樣成果表明， 泥巖滑面上土體的強度指標(biāo)與上覆荷載呈非線性趨勢， 在低壓力范圍內(nèi)， 土體凝聚力基本為0， 而當(dāng)上覆壓力>100 kPa以后， 凝聚力增大， 摩擦角減小。 該規(guī)律與大多數(shù)泥巖軟弱夾層的強度特性類似， 對此， 文獻[22]認(rèn)為是由于不同上覆壓力作用下， 剪切面上顆粒減損的程度不同引起。

圖3 滑面直剪反復(fù)剪剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線Fig.3 Curves of shear stress versus shear displacement of sample on sliding surface in repeat shear test

圖4 滑面試樣摩爾-庫倫強度包絡(luò)線Fig.4 Mohr-Coulomb strength envelopes of sample on sliding surface

泥巖夾層強度試驗指標(biāo)如表 3所示，σn表示法 向應(yīng)力。

表3 泥巖夾層強度試驗指標(biāo)Table 3 Shear strength indexes of mudstone interlayer

3 軟弱夾層工程特性及其對邊坡穩(wěn)定的影響分析

3.1 黏性土的殘余強度機理及本工程局部滑坡原因分析

黏性土的殘余強度機理最早由伏斯列夫[1]提出，他認(rèn)為如果應(yīng)變作用的時間足夠長，則剪應(yīng)變可能促使黏土顆粒沿平行于主應(yīng)變的方向呈定向排列。如果應(yīng)變也很大，變形可引起有明顯擦痕的破壞面的形成。對破壞后強度減小的原因，他認(rèn)為，大多數(shù)原狀黏土破壞后的強度減小，主要是由于土的結(jié)構(gòu)改變引起。Skempton[2]把顆粒定向與殘余強度聯(lián)系起來，他提出強度從峰值下降的主要原因，是由于存在一些薄條帶或區(qū)域，其中黏土的片狀顆粒是按剪切方向排列的，這種定向區(qū)域可能在較小應(yīng)變時即開始出現(xiàn)，但只有在受到較大的剪應(yīng)變時，才形成顆粒幾乎完全定向的連續(xù)帶。他引用厄爾利和奈尼格發(fā)表的天然剪切面照片，證明包含著厚度約為20 μm的主滑面在內(nèi)的區(qū)域中，黏土顆粒強烈地順剪切方向定向排列。此外，在主滑面兩側(cè)有幾個次生滑動區(qū)即所謂軟化帶，總厚度約2.5 cm，該區(qū)域中黏土顆粒也有一定程度的定向，但不一定是順著剪切滑動方向。軟化帶以外，黏土顆粒則不是定向排列。對此，畢肖普歸納總結(jié)了土體殘余強度的機理[22]，他認(rèn)為，引起土體峰后強度降低有3種因素：①剪切面顆粒的剪脹；②滑動面附近顆粒的定向排列；③顆粒與團粒之間的膠結(jié)作用的破壞。

鑒于本工程施工期發(fā)生的局部滑坡全部位于深挖方渠段，且開挖時間均超過半年以上，結(jié)合黏性土殘余強度機理，分析滑坡的原因為：渠道開挖后，由于未及時施工二級平臺以下錨固措施，使邊坡巖土體向渠內(nèi)坡方向變形，渠坡軟弱夾層在大變形的持續(xù)作用下，受剪面上的土體強度由峰值降低到殘余強度，在地下水和下滑力的共同作用下發(fā)生局部滑坡。圖5為本工程泥巖夾層剪切后的受剪面，由圖可見剪切面上已經(jīng)形成了明顯的顆粒定向排列，驗證了顆粒定向排列的殘余強度機理，表明該試樣已經(jīng)達到殘余強度狀態(tài)。

圖5 受剪面顆粒定向排列Fig.5 Particle orientation of shear surface

3.2 殘余強度與土體物理性指標(biāo)的關(guān)系

20世紀(jì)60年代中期，Skempton曾提出影響土體殘余強度的主要因素是黏土顆粒含量的觀點，并提出過一個以黏粒含量為變量的計算公式。長江科學(xué)院在對葛洲壩、皂市、彭水3個樞紐壩基軟弱夾層研究中，發(fā)現(xiàn)以黏土巖、粉砂巖夾頁巖的軟弱夾層，其殘余強度與黏粒含量具有較好的線性關(guān)系，而以灰?guī)r、泥灰?guī)r夾層為主的軟弱夾層，則上述關(guān)系并不明顯。

由于黏性土的塑性指數(shù)能綜合反映土體的顆粒組成、礦物成分和化學(xué)性質(zhì)，更多的學(xué)者傾向于建立殘余強度與塑性指數(shù)的相關(guān)關(guān)系。為此，長江科學(xué)院從大量實際工程軟弱夾層的研究成果中，總結(jié)出殘余強度f與塑性指數(shù)IP的關(guān)系為

f=aebIp。

(1)

式中a、b為試驗常數(shù)，對于泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖、粉砂巖等夾層,a=0.218 7;b=-0.017 8。根據(jù)該式計算得到本工程泥巖夾層的f=tanφr=0.117 6(φr為殘余內(nèi)摩擦角)，即φr=6.7°，與試驗得到的殘余強度指標(biāo)基本吻合。

3.3 邊坡穩(wěn)定分析

采用長江科學(xué)院研究提出的“考慮裂隙空間分布特征的極限平衡法”[25]進行典型深挖方段河道邊坡的穩(wěn)定分析，其計算原理采用的是考慮靜力平衡條件的折線滑動分析。計算斷面如圖6所示。其中，圖中虛線代表地下水浸潤線位置，地層分界根據(jù)實際地質(zhì)勘察斷面簡化，軟弱夾層的位置和數(shù)量分別按照勘察以及預(yù)測的部位設(shè)定由淺至深的6條軟弱夾層：首先，按照勘察揭示的位于1～2級邊坡各有一條緩傾角夾層，即夾層①和夾層②；其次，假定在現(xiàn)有勘察顯示的夾層下仍存在更深的夾層情況，夾層編號分別為③—⑥，分析夾層位置由淺至深變化時的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。計算分析中，土層、夾層參數(shù)分別采用實測的試驗指標(biāo)。

圖6 典型斷面穩(wěn)定分析模型Fig.6 Stability analysis model of typical section

分析表明，當(dāng)指定滑動面位置由夾層①自上而下發(fā)展到夾層⑥時，計算得到邊坡的安全系數(shù)分別為1.25、1.07、0.97、1.46、1.74、1.97，說明隨著夾層位置深度增大，安全系數(shù)先減小后增大，當(dāng)滑動面位置穿過坡角位置附近時，安全系數(shù)最小。

4 邊坡加固措施分析

采用邊坡穩(wěn)定分析程序?qū)D6所示典型代表性斷面進行加固措施的比較分析。其中，最危險滑面取安全系數(shù)最低的第③層滑面，加固采用抗滑樁+邊坡錨固的措施。抗滑樁為直徑1.8 m，間距5 m的灌注樁，計算中考慮抗滑樁提供的單樁抗剪力為1 781～2 546 kN；錨桿為10 m全長黏結(jié)型，沿邊坡走向間距3.2 m，開孔直徑70 mm，設(shè)定錨固體與巖體之間黏結(jié)強度標(biāo)準(zhǔn)值為600 kPa，黏結(jié)強度設(shè)計值為600 kPa/2.2=273 kPa，錨桿設(shè)計抗拔力140～200 kN。

分析表明，考慮地下水入滲、指定滑弧為第③條滑帶的情況下，邊坡不處理則將產(chǎn)生滑坡；若將滑坡區(qū)域全部挖除，并換填水泥改性土，則邊坡安全系數(shù)提高至1.98(表4)。

表4 不同加固處理措施的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Table 4 Safety factor of slope stability treated with different reinforcement measures

對比分析采用樁+錨聯(lián)合加固的處理措施的計算成果可見，若抗滑樁布置在二級平臺，并分別在二級平臺以下和四級平臺以下均采用錨固的處理方式，邊坡安全系數(shù)均大于規(guī)范要求的1.25。其中，采用單樁抗剪力為2 546 kN，即：直徑2.2 m、間距5 m的1排抗滑樁，同時二級平臺以下進行錨桿支護的方案3，邊坡安全系數(shù)為1.32是最為經(jīng)濟有效的處理措施。分析還可見，單樁抗剪力和錨固范圍對邊坡安全系數(shù)影響較大，對此，設(shè)計方案可從技術(shù)可行和經(jīng)濟合理的角度對處理措施綜合考慮。

5 結(jié) 論

通過室內(nèi)試驗和數(shù)值分析研究了引江濟淮工程江淮溝通分水嶺段渠坡軟弱夾層的性狀及其對渠坡穩(wěn)定的影響，得到以下主要研究成果：

(1)江淮溝通段深挖方渠段部分渠坡存在不利于渠坡穩(wěn)定的軟弱夾層，由于開挖卸荷和邊坡長期處于無支護狀態(tài)，夾層在大變形的作用下已經(jīng)處于殘余強度狀態(tài)，并引發(fā)了局部滑坡。

(2)渠坡穩(wěn)定性很大程度取決于軟弱夾層的位置、傾向和力學(xué)指標(biāo)，為此，建議本工程相關(guān)河道邊坡開挖過程中應(yīng)密切關(guān)注渠坡巖土的分層結(jié)構(gòu)及強度特性，做好施工期地質(zhì)勘察和地質(zhì)編錄，對具有類似地層結(jié)構(gòu)的渠段，應(yīng)及時采用抗滑樁和錨固等支檔措施對邊坡進行加固，同時，還應(yīng)做好渠坡排水。

(3)渠坡軟弱夾層是對渠道邊坡穩(wěn)定不利的地質(zhì)因素，夾層在地下水長期作用下強度和滲透性的演化趨勢也是值得關(guān)注的問題。