庫區(qū)某膨脹土岸坡穩(wěn)定性分析及治理措施

程 雪，王彩虹，盧勇鵬

(湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院，湖北 武漢 430070)

膨脹巖土是一種常見的非飽和災(zāi)害性地質(zhì)體，主要由親水性強(qiáng)的高嶺石、蒙脫石、伊利石等組成，常表現(xiàn)為吸水膨脹、失水收縮、裂隙性和超固結(jié)性[1]。烈日、降雨、水位漲落等干濕條件循環(huán)交替，都會對膨脹土的強(qiáng)度特性和裂縫變形產(chǎn)生較大影響，給人類工程建筑帶來嚴(yán)重破壞。

丹江口庫區(qū)內(nèi)存在大量膨脹土岸坡，以其中一處為例。該岸坡北臨丹江口水庫，岸坡長約400 m，坡腳高程約150 m，最大坡高10～12 m，在臨近海事局段較陡，坡度約55°～90°，主要為巖土質(zhì)混合岸坡和軟巖質(zhì)岸坡。

2014年10月，丹江口水庫蓄水位達(dá)到161 m時，臨近海事局辦公樓一帶岸坡發(fā)生明顯坍塌，岸坡快速后退，最近處距居民樓約50 m，部分已修建的混凝土護(hù)坡在庫水的沖刷下，出現(xiàn)大面積破損。由于組成岸坡的基巖為極軟巖，連同上覆土層，均具有膨脹性，抗沖刷能力較差，若不采取防護(hù)措施，將對岸坡上部建筑物的安全造成嚴(yán)重威脅。

1 地質(zhì)概況

1.1 地形地貌

該膨脹土岸坡走向近東西，高程154 m以下為緩坡地形，坡度約為5°～15°；高程154～170 m段地形較陡，坡度約為35°～55°，海事局段岸坡由于岸坡坍塌局部形成垂直陡坎；高程168～171 m以上地形平坦。

1.2 地層巖性

工程區(qū)內(nèi)出露地層主要由第四系(Q)和新近系(N)組成，分述如表1。

表1 地層巖性

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

本區(qū)在大地構(gòu)造上位于秦嶺褶皺系東南緣，跨北大巴山加里東冒地槽褶皺帶及南秦嶺印支冒地槽褶皺帶，東部緊鄰南陽～襄樊坳陷。工程區(qū)總體處于相對穩(wěn)定的地塊上。

場地區(qū)巖層產(chǎn)狀平緩，傾角0°～6°，裂隙以垂直層面的短小裂隙為主。

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2015)[2]，工程場地地震動峰值加速度為0.05 g，地震動反應(yīng)譜特征周期0.35 s，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅵ度。

1.4 水文地質(zhì)

場地區(qū)地表水體主要為丹江水庫，庫水位也是場區(qū)內(nèi)最低排泄基準(zhǔn)面。

場地區(qū)地下水類型主要為松散介質(zhì)孔隙水和基巖裂隙水兩類。松散介質(zhì)孔隙水賦存于第四系松散堆積碎塊石土、碎石土中，為上層滯水，主要受大氣降水補(bǔ)給，向下補(bǔ)給基巖裂隙或以泉水的形式出露于滑坡前緣或側(cè)緣；基巖裂隙水賦存于巖石風(fēng)化裂隙中，主要受大氣降水或其上松散介質(zhì)孔隙水補(bǔ)給，在巖體風(fēng)化裂隙中運(yùn)移，由于地形切割較深，且地形較陡，風(fēng)化巖石透水性較強(qiáng)，賦存于裂隙中的水量較貧乏，且隨季節(jié)性變化明顯。

1.5 土、巖體物理力學(xué)性質(zhì)

1.5.1 土、巖體膨脹性

針對岸坡上部中更新統(tǒng)沖積層(Q2al)土體和上第三系(E)基巖，分別在鉆孔中取原狀土樣和柱狀巖樣進(jìn)行了室內(nèi)膨脹性試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，岸坡上部中更新統(tǒng)沖積粘土自由膨脹率平均56.0%，6組試樣中僅有1組自由膨脹率達(dá)到72%，總體而言該粘土呈弱膨脹性；岸坡上第三系(E)基巖自由膨脹率平均60.0%，11組試樣中自由膨脹率大于等于65%的有3組，占總量的27.3%，總體而言該基巖呈弱-中等膨脹性。

1.5.2 土、巖體物理力學(xué)性質(zhì)

根據(jù)土、巖體力學(xué)試驗(yàn)成果及工程地質(zhì)類比[3]，岸坡土、巖體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)、地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值建議值分別見表2、表3、表4。

表2 岸坡土體物理性質(zhì)指標(biāo)建議值

表3 岸坡土體力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)建議值

表4 岸坡巖體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)建議值

2 岸坡特征

根據(jù)岸坡物質(zhì)組成的差異性及地形特征，自西向東將岸坡分為兩段，分述如下：

1)第①段長度約170 m，為巖土混合岸坡。第①段岸坡典型剖面見圖1。

圖1 第1段岸坡典型剖面

高程154 m以上，岸坡坡度約為35°～55°。坡頂覆蓋1～3 m第四系中更新統(tǒng)沖積粘土(Q2al)，具有弱膨脹性；岸坡基巖產(chǎn)狀近水平，屬新近系(N)，上部基巖為泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，具有弱-中等膨脹性，中下部基巖為厚層疏松砂巖，疏松砂巖極易坍塌。

高程154 m以下，岸坡平緩，坡度約為10°～15°，覆蓋0.5～3 m第四系上更新統(tǒng)沖積粘土(Q3al)，岸坡基巖以新近系(N)粉砂質(zhì)泥巖為主，產(chǎn)狀近水平，具有弱-中等膨脹性。

2)第②段長度約230 m，為軟質(zhì)巖質(zhì)岸坡。第②段岸坡典型剖面見圖2。

圖2 第2段岸坡典型剖面

高程152 m以上，岸坡坡度約為15°～20°，新近系(N)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖裸露，產(chǎn)狀近水平，基巖具有弱-中等膨脹性。坡頂局部有擋墻、后部填筑有人工堆積含碎石粘土，具有弱膨脹性，最大厚度7.9 m。

高程152 m以下，岸坡平緩，坡度約為2°～8°，覆蓋0.5～4.6 m第四系上更新統(tǒng)沖積粘土(Q3al)，下部基巖為新近系(N)粉砂質(zhì)泥巖，產(chǎn)狀近水平，基巖具有弱-中等膨脹性。

3 岸坡穩(wěn)定性分析與評價

3.1 穩(wěn)定性現(xiàn)狀

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，各段岸坡穩(wěn)定性現(xiàn)狀如下：

1)第①段由于沖刷淘蝕，普遍見有坍塌現(xiàn)象。水庫蓄水至160 m時，該段出現(xiàn)明顯坍岸，岸坡坡頂前緣可見明顯裂縫，縫寬一般2～7 cm，庫水沖刷掏蝕坡腳，坡腳可見崩落的巖土體，并形成空穴。

2)第②段岸坡整體穩(wěn)定，高程154.5～149.8 m沖刷破壞明顯，坡腳前期防護(hù)修建的混凝土面板已完全損壞。

3.2 破壞模式分析與預(yù)測

依據(jù)地質(zhì)資料，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測斷面數(shù)據(jù)，岸坡穩(wěn)定坡角選取為11°，并以此作為庫岸再造預(yù)測依據(jù)[4]。各岸坡段破壞模式分析及預(yù)測如下：

1)第①段巖土混合岸坡，基巖產(chǎn)狀近水平，岸坡位于庫水位頻繁波動帶內(nèi)，坡腳為厚層的疏松砂巖，被庫水淘蝕，形成凹陷、空洞，導(dǎo)致上部懸空，產(chǎn)生坍塌破壞。預(yù)測該段岸坡遭受沖刷、侵蝕作用后，岸線逐漸垮塌后退。由于坡腳厚層的疏松砂巖極易坍塌，依據(jù)穩(wěn)定坡角，預(yù)測庫岸再造寬度約60 m，危及海事局擋土墻地基穩(wěn)定，同時海事局擋土墻由于庫水沖刷浸泡產(chǎn)生變形破壞。

2)第②段軟巖質(zhì)岸坡，隨著時間推移和庫水位變化，該段岸坡部的沖刷、侵蝕作用將會加劇，預(yù)測坡腳已破損的混凝護(hù)面將會進(jìn)一步發(fā)生破裂、懸空等損壞，庫岸再造寬度103 m，可能對坡頂建筑物造成破壞。

3.3 穩(wěn)定性評價

根據(jù)岸坡穩(wěn)定性現(xiàn)狀、岸坡破壞模式分析與預(yù)測，可以判斷：

1)第①段岸坡154～164 m范圍岸坡已普遍坍塌，穩(wěn)定性差。

2)第②段岸坡152 m以下岸坡沖刷、侵蝕破壞明顯；目前整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，在庫水作用下可能進(jìn)一步產(chǎn)生坍岸。

4 防護(hù)措施

水庫蓄水后，水位頻繁變化，受巖土體強(qiáng)度降低的影響，膨脹土岸坡穩(wěn)定性隨之降低，導(dǎo)致出現(xiàn)變形，因此治理措施考慮穩(wěn)固坡腳、坡面按設(shè)計坡比削坡并防護(hù)的綜合方案。同時，根據(jù)項目區(qū)20年一遇回水位高程，該膨脹土岸坡治理工程防護(hù)頂高程為170 m(吳淞高程)。

從安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、施工難易程度及庫區(qū)美化等多方面綜合考慮，工程治理方案由坡腳至坡頂見表5，典型治理剖面如圖3。

表5 工程治理方案

圖3 治理措施典型剖面

坡面按設(shè)計坡比修整坡面。坡腳設(shè)置混凝土護(hù)腳墻；在坡面高程160m、165m(吳淞高程)處各設(shè)置2 m寬馬道。混凝土護(hù)面板的厚度按照《堤防工程設(shè)計規(guī)范》[5]D.3.3式進(jìn)行計算，其計算公式為：

式中：t為混凝土護(hù)面板厚度，m；η為系數(shù)，開縫板取η=0.075；H為計算波高，取H1%；rb為混凝土板的重度，kN/m3；r為水的容重，kN/m3；L為波長，m；B為沿斜坡方向的護(hù)面板長度，m。

經(jīng)計算，護(hù)面板厚度取0.25 m。

工程實(shí)施后，提高了岸坡的整體穩(wěn)定性，也美化了庫周環(huán)境。

5 結(jié) 語

1)本文以丹江口庫區(qū)某膨脹土岸坡治理工程為例，介紹了岸坡基本地質(zhì)條件、岸坡特征，并進(jìn)行穩(wěn)定性分析與評價，從而提出治理措施。

2)選取合適的穩(wěn)定坡角，是預(yù)測膨脹土岸坡的再造范圍的重要依據(jù)。

3)對于膨脹土岸坡，采用按設(shè)計坡比削坡、混凝土護(hù)面板、格構(gòu)綠化等綜合措施進(jìn)行治理，達(dá)到了治理效果，節(jié)約工期，同時也美化了周邊環(huán)境，為庫區(qū)同類型地質(zhì)災(zāi)害治理提供了一種思路。