南水北調(diào)中線某段渠道邊坡滑坡成因分析及防治對策

申 粵

（中國南水北調(diào)集團(tuán)中線有限公司河南分公司，河南 鄭州 450046）

0 引言

南水北調(diào)中線工程是緩解我國北方水資源嚴(yán)重短缺、優(yōu)化配置水資源配置、改善生態(tài)與環(huán)境的重大戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施?？偢汕L1 234.5 km，分為挖方段和填方段，挖方段占總長度的92.8%，填方段占7.2%。渠道橫斷面為梯形斷面，在挖方段由于不同挖深形成不同高度的渠道坡面，為了保證工程運(yùn)行安全，根據(jù)地質(zhì)條件、巖石類型、土壤類型等特點(diǎn)，渠道兩側(cè)坡面形成不同坡度的邊坡，坡面采用六棱框格護(hù)坡，避免渠道坡面滑坡的發(fā)生。2021年7月，河南段沿線大部分地區(qū)遭遇入汛以來極端強(qiáng)降雨，由于連續(xù)降雨，鄭州段渠道邊坡土壤含水率達(dá)到飽和狀態(tài)，土壤中的飽和水不能及時(shí)排出，造成土壤的抗剪強(qiáng)度減弱，土壤自重增大，部分渠段坡面出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象。

不同降雨強(qiáng)度對坡面滑坡的影響不同。主要原因在于降雨初期，土壤含水率較低，雨水通過土壤中的空隙滲入土壤內(nèi)部，不斷入滲導(dǎo)致土壤含水率增加，坡面土體基質(zhì)吸力減小和土壤孔隙水壓力增加，降低坡面土體力學(xué)強(qiáng)度，進(jìn)而影響渠坡穩(wěn)定性［1］。包小華等［2］通過室內(nèi)邊坡模型試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)隨著坡面土壤含水率的不斷增加，監(jiān)測土壤基質(zhì)吸力逐漸降低為零，邊坡土壤含水率由非飽和變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)后，邊坡出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。在試驗(yàn)中，通過監(jiān)測邊坡不同位置的土壤體積含水率，發(fā)現(xiàn)在土壤含水率達(dá)到某值情況下，坡面開始出現(xiàn)破壞，通過室內(nèi)模型試驗(yàn)監(jiān)測結(jié)果，可以為降雨產(chǎn)生滲流引發(fā)邊坡失穩(wěn)的預(yù)警提供參考依據(jù)。殷坤龍等［3］研究在持續(xù)降雨條件下坡面穩(wěn)定性的變化情況，發(fā)現(xiàn)在降雨初期，前期土壤含水率對滑坡穩(wěn)定性影響較大。在降雨過程，前期土壤含水率較高時(shí)，土壤含水率由不飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)時(shí)間相對較短，造成土壤空隙水壓力增加，土壤抗剪強(qiáng)度減小，易形成坡面滑坡。孔令偉等［4］在降雨入滲對膨脹土邊坡試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，土壤中水分蒸發(fā)作用使得膨脹土水分喪失，進(jìn)而造成土壤表面開裂，出現(xiàn)裂縫，再發(fā)生降雨時(shí)，雨水通過裂縫入滲土體，導(dǎo)致土壤含水率迅速增加，加速邊坡變形，最終形成邊坡滑坡或塌落。謝妮等［5］通過現(xiàn)場降雨試驗(yàn)研究黃土邊坡破壞規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)降雨對黃土邊坡淺層土體吸力和含水量影響較大，同時(shí)在降雨過程中雨滴對土壤表面顆粒的沖擊，使黃土顆粒破碎，降低雨水入滲能力，在黃土坡面形成表面徑流，對黃土坡面沖刷，土壤含水率的增加及坡面沖刷作用共同影響了土體的強(qiáng)度，導(dǎo)致黃土坡面破壞。

綜上所述，國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)降雨是誘發(fā)邊坡滑坡的主要因素之一。為了避免邊坡出現(xiàn)滑坡或塌陷，工程上會采取相應(yīng)的工程措施和非工程措施。但是，降雨、地震等自然因素仍會對坡面造成危害，對人民生活和安全造成不同的影響。為了保證工程安全，在滑坡發(fā)后需要及時(shí)采取相應(yīng)措施，確保工程運(yùn)行安全。因此，本研究以南水北調(diào)中線鄭州段渠道邊坡為研究對象，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，通過降雨對坡面滑坡因素的分析，提出渠道淺層滑坡的防治措施，為渠道邊坡維修管理提供技術(shù)支持。

1 工程概況

鄭州段渠道位于鄭州市西南部，以挖方為主，挖深一般9～17.5 m，渠道邊坡為土質(zhì)邊坡，渠坡由黃土狀輕粉質(zhì)壤土、黃土狀中粉質(zhì)壤土，局部為砂壤土。通過對渠道邊坡土體物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行分析，在天然狀態(tài)下，渠坡土體具有中等壓縮性，隨著土體黏性顆粒含量增加，內(nèi)摩擦角降低，黏聚力增大。在降雨時(shí)，地表水沿黃土裂隙、空隙垂直下滲，導(dǎo)致邊坡靜水壓力和動水壓力增高，下滑力增強(qiáng)，土體抗摩阻力下降，抗剪強(qiáng)度降低，土體自重增加，誘發(fā)黃土邊坡失穩(wěn)。根據(jù)渠道邊坡穩(wěn)定性分析，渠道邊坡破壞主要的存在淺層滑坡、座滑型滑坡、軟黏土滑坡等破壞類型。因此，地表水入滲是渠道邊坡失穩(wěn)的重要誘因，渠道斷面如圖1所示。

圖1 渠道斷面圖

2 滑坡原因

2021年7月18日—21日，鄭州市出現(xiàn)罕見持續(xù)強(qiáng)降水過程，鄭州市降水量超過有氣象記錄以來極值，2 h降雨量達(dá)201.9 mm，超過我國陸地小時(shí)降雨量極值。鄭州周邊地區(qū)累計(jì)降雨量在500 mm以上，部分站點(diǎn)在900 mm以上。持續(xù)性強(qiáng)降雨導(dǎo)致坡面雨水長時(shí)間入滲，邊坡土體表層含水率逐漸增加，抗剪強(qiáng)度降低，發(fā)展到一定程度，坡體表面土體在自重作用下產(chǎn)生滑動，形成淺層緩坡。

南水北調(diào)中線鄭州段渠道以挖方為主，渠道邊坡為土質(zhì)邊坡，邊坡土質(zhì)以黃土狀輕粉質(zhì)壤土、黃土狀中粉質(zhì)壤土為主，局部為砂壤土。在經(jīng)歷持續(xù)強(qiáng)降雨過程，雨水不斷入滲，邊坡土體含水量由不飽和狀態(tài)達(dá)到飽和狀態(tài)，邊坡土體孔隙水壓力增高，抗摩阻力下降，抗剪強(qiáng)度降低，隨著土體自重增加，引起黃土邊坡失穩(wěn)。目前，關(guān)于雨水入滲對渠坡穩(wěn)定性的影響最普遍的觀點(diǎn)可分為兩點(diǎn)，一是降雨入滲導(dǎo)致渠坡土體內(nèi)部含水率增加，土體自重增加，土體強(qiáng)度降低，抗滑穩(wěn)定性減弱，導(dǎo)致滑動力增加，誘發(fā)了滑坡的發(fā)生；二是對于非飽和黃土滑坡而言，隨著土體內(nèi)部含水率的增加，導(dǎo)致土體基質(zhì)吸力減小，這進(jìn)一步導(dǎo)致渠坡的強(qiáng)度和穩(wěn)定性減弱，誘發(fā)滑坡的發(fā)生。除此以外，許多學(xué)者和專家從其他理論和觀點(diǎn)出發(fā)，比如滲流土體內(nèi)部的滲流作用、雨水對坡面的沖刷作用等解釋降雨誘發(fā)滑坡的機(jī)理和原因，但實(shí)際情況中，并不是單一因素造成了滑坡，而是多種因素共同作用的結(jié)果。對于不同降雨條件下對土體滑坡的穩(wěn)定性研究，國內(nèi)外諸多學(xué)者都進(jìn)行了試驗(yàn)和理論研究。

Lam等［6］較早研究了降雨入滲對土體邊坡穩(wěn)定性的影響，通過對不同降雨強(qiáng)度對土體邊坡穩(wěn)定性的試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)降雨強(qiáng)度越高，邊坡土體越容易造成破壞，邊坡土體抗破壞的安全系數(shù)下降越明顯。通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，邊坡土體的基質(zhì)吸力是影響其穩(wěn)定性的主要因素，主要由于降雨入滲增加邊坡土體空隙水壓力，使得邊坡土體基質(zhì)吸力下降，安全系數(shù)降低，引起邊坡土體滑坡的發(fā)生。Ng等［7］以香港地區(qū)的某一斜坡為研究對象，通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，影響邊坡的安全系數(shù)的主要因素是降雨強(qiáng)度、初始地下水位和滲透系數(shù)各向異性等，而且先期的降雨歷時(shí)也對安全系數(shù)有一定的影響。李兆平等［8］在試驗(yàn)中以土體的體積含水率作為因變量，研究土體不同含水率對土體邊坡的影響，建立了非飽和土邊坡穩(wěn)定性分析的方法。朱文彬等［9］采用有限元方法對不同降雨條件造成土體滑坡進(jìn)行了數(shù)值分析，通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)隨著降雨歷時(shí)的延續(xù)，土體塑性區(qū)范圍不斷延伸擴(kuò)展，最后在土體塑性區(qū)形成潛在滑裂面，滑裂面的形成導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞。為了驗(yàn)證引起邊坡土體破壞時(shí)間，以實(shí)例數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬計(jì)算，估算出邊坡破壞的時(shí)間。游昆駿等［10］應(yīng)用有限差分軟件對某滑坡斷面進(jìn)行了極限平衡理論的穩(wěn)定性分析，計(jì)算結(jié)果表明，在平衡狀態(tài)下，雖然土體滑坡斷面整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，但是在強(qiáng)降雨工況下，發(fā)現(xiàn)土體滑坡斷面也會發(fā)生蠕滑-拉裂破壞。張群等［11］通過對四川南江紅層地區(qū)的邊坡滑坡使用Geo-studio軟件進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明，降雨時(shí)，坡面雨水入滲引起土體黏聚力和摩擦角變化，隨著入滲時(shí)間延續(xù)，土體黏聚力和摩擦角相應(yīng)減小，造成邊坡土體破壞，因此黏聚力和摩擦角是影響淺層滑坡穩(wěn)定性的重要因素。許建聰?shù)龋?2］通過強(qiáng)降雨對淺層滑坡穩(wěn)定性影響的研究，建立了強(qiáng)降雨條件下滑坡穩(wěn)定性系數(shù)、滑帶抗剪強(qiáng)度和滑體保水面積三者之間的數(shù)理統(tǒng)計(jì)關(guān)系，在統(tǒng)計(jì)分析了相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合有限元的方法，分析強(qiáng)降雨對滑坡穩(wěn)定性的影響。李寧等［13］利用非飽和土典型V-G模型和Green-Ampt降雨入滲模型對Mein-Larson降雨入滲模型進(jìn)行了修正，在Mein-Larson降雨入滲模型基礎(chǔ)上建立了假想模型，應(yīng)用假象模型研究降雨對淺層滑坡的影響，對假象模型參數(shù)率定驗(yàn)證。計(jì)算結(jié)果表明，這種方法可以較為簡單的對滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

基于以上分析，降雨入滲是導(dǎo)致土體邊坡滑坡的重要因素，鄭州段部分渠道邊坡滑塌的主要原因是渠道邊坡隨著雨水不斷入滲，渠坡土壤含水量由不飽和狀態(tài)達(dá)到飽和狀態(tài)，并隨著土體含水率的增加，土體強(qiáng)度減小，土體基質(zhì)吸引力減小，導(dǎo)致抗滑穩(wěn)定性減弱，土體自重增加，進(jìn)一步導(dǎo)致渠坡的強(qiáng)度和穩(wěn)定性減弱，誘發(fā)滑坡的發(fā)生。

圖2 坡面滑坡

3 采取措施

鄭州段渠道邊坡開挖高度最高23 m，最低5 m，一般10～19 m，均為土質(zhì)邊坡。由于開挖邊坡較高和受坡體地層結(jié)構(gòu)、抗剪強(qiáng)度、降雨入滲等因素的影響，存在邊坡穩(wěn)定問題。雖然在設(shè)計(jì)和施工階段采取防止邊坡失穩(wěn)的措施，如采取多級邊坡，增加坡體的穩(wěn)定性；坡面、坡頂設(shè)置排水、截水和防滲等措施，防止地表水沖蝕造成渠道邊坡失穩(wěn)。

鄭州“7·20”特大暴雨持續(xù)強(qiáng)降雨造成渠道邊坡遭受破壞，部分渠道坡面出現(xiàn)滑坡和滑塌現(xiàn)象。為了保證工程運(yùn)行安全，避免渠道邊坡再次出現(xiàn)滑坡，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，采取相應(yīng)工程措施和非工程措施，對于邊坡滑坡后滑動帶內(nèi)的土體已被剪切破壞，其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)降低，透水性增大，極易引發(fā)更大范圍的滑坡，必須采取有效措施進(jìn)行除險(xiǎn)加固，并根據(jù)渠道邊坡破壞位置、類型等采取相應(yīng)的處理方法。

3.1 渠道坡腳處理方法

對于渠道坡腳破壞部位，為了提高渠道坡腳土體的頂托力，徹底消除渠道邊坡滑坡或滑塌的隱患。對于受破壞程度一般的渠道坡面，將渠道坡腳基坑上部軟弱土層挖除，坡腳滑落的土方清除干凈。應(yīng)按每層回填量高度不超過30 cm，分層夯實(shí)的順序回填滑塌面，回填使用土料宜與原筑渠道坡面的土料相同，回填土的顆粒成分、含水率等應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程的規(guī)定。對于遭受比較嚴(yán)重和不穩(wěn)定的坡面，應(yīng)在設(shè)計(jì)單位對坡面進(jìn)行復(fù)核計(jì)算后，根據(jù)設(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)方案，在不穩(wěn)定坡面前緣坡腳外側(cè)設(shè)置混凝土擋土墻，采用C20混凝土現(xiàn)澆［14］，澆筑混凝土擋土墻時(shí)，如果擋土墻長度較大，應(yīng)每段不超過5 m分段跳槽開挖、分段澆筑。在澆筑擋土墻時(shí)，擋土墻應(yīng)設(shè)置排水孔，排水孔材料采用直徑為70.0 mm的PVC管，排水坡度不小于5%，外端伸出墻面至少10 cm，內(nèi)端伸至碎石反濾層段長度不小于0.1 m。設(shè)置排水孔的排距、孔距均為2.0 m，排水孔高出地面0.5 m。

3.2 渠道坡面填筑處理方法

對于渠道坡面遭受滑坡和滑塌的部位，一般的滑坡或滑塌部位，在渠道坡面恢復(fù)之前，由上而下把渠道邊坡滑落的草根莖、磚塊、不穩(wěn)定土體和坡面松軟浮土等清除完畢，滑落渠道坡腳處的土方清除干凈。在挖除滑動體時(shí)，應(yīng)從破壞的坡面上邊緣開始逐級開挖，每級高度不超過0.3 m，一級一級地沿滑動坡面挖成鋸齒形，每一級在開挖深度上應(yīng)一次挖到位，開挖寬度應(yīng)向外擴(kuò)展至未滑動坡面，挖至未滑動土面0.5～1.0 m?；靥盍繎?yīng)按每層高度不超過30 cm，從下向上分層夯實(shí)的順序回填滑塌面，回填使用土料宜與原筑渠道坡面的土料相同，回填土的顆粒成分、含水率等應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程的規(guī)定。對于滑坡或滑塌部位較大的部位，應(yīng)委托設(shè)計(jì)單位現(xiàn)場查勘和復(fù)核計(jì)算坡面穩(wěn)定性，根據(jù)設(shè)計(jì)單位的設(shè)計(jì)方案對渠道坡面進(jìn)行恢復(fù)。

3.3 渠道坡面防護(hù)處理方法

在強(qiáng)降雨時(shí)，為了避免修復(fù)后渠道坡面再次遭受破壞，對處理后的坡面采取護(hù)砌措施，坡面采用六棱框格鋪設(shè)，并補(bǔ)植草皮護(hù)坡。為提高滑動面結(jié)合處土體和未挖除擾動土層的抗剪強(qiáng)度，回填土應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程填筑。對于橋梁兩側(cè)坡面，降雨強(qiáng)度較大時(shí)，橋面雨水從橋頭連接處沖刷坡面，造成坡面淺層滑移，為了減少地面徑流對坡面的沖刷破壞，在橋梁兩側(cè)設(shè)置擋水坎，避免外部雨水對渠坡的沖刷，同時(shí)在橋梁兩側(cè)渠道坡面采用素混凝土護(hù)坡處理，其他坡面采用空心六棱塊鋪設(shè)，并在修復(fù)的坡面補(bǔ)植同樣的草皮，減少表面土體滑移風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 渠道坡面排水處理方法

斜坡失穩(wěn)時(shí)間一般都發(fā)生在極端持續(xù)降雨時(shí)，要及時(shí)排出坡面雨水，減少雨水入滲和沖刷對坡面造成的破壞，提升渠道坡面的穩(wěn)定性，就要在坡面設(shè)置完善的排水、截水和防滲措施。排水目的主要為了減少坡面雨水入滲和降低坡體地下水位，降低因降雨造成坡面土體含水量增加發(fā)生滑坡或滑塌的風(fēng)險(xiǎn)，減少降雨對渠道邊坡的影響。在渠道坡腳外緣設(shè)置截留溝，快速地將坡面徑流排出坡腳外，減少雨水下滲對渠道坡腳穩(wěn)定性影響，提高坡腳的穩(wěn)定性。坡面設(shè)置混凝土封頂，減小滲透壓力，從而避免因坡面滲流影響坡面穩(wěn)定性。同時(shí)為了減少坡面淺層滑移，在坡面鋪設(shè)空心六棱框格，并種植草皮保護(hù)坡面，進(jìn)一步提高坡面穩(wěn)定性。

4 結(jié)論及建議

①渠道坡面發(fā)生滑動破壞后，不能盲目處理，應(yīng)盡早完成現(xiàn)場的保護(hù)和測繪工作，并委托專業(yè)單位及專家進(jìn)行現(xiàn)場查勘，研究處理方案。嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案或處理方案進(jìn)行除險(xiǎn)加固處理，避免由于采取的處理措施難以達(dá)到預(yù)期效果而貽誤工程安全運(yùn)行。

②渠道坡面滑坡或滑塌的形成是多種因素共同作用的結(jié)果，研究渠道坡面失穩(wěn)機(jī)制是制定滑坡或滑塌治理方案的前提。研究和分析坡面滑坡或滑塌原因時(shí)應(yīng)充分考慮主要因素和相關(guān)因素，現(xiàn)場查清坡面滑動帶范圍、查明滑坡原因，并進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。查明渠道邊坡滑坡原因才能制定合理的處理方案。工程實(shí)踐證明，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，全面細(xì)致制定處理方案才能經(jīng)濟(jì)而有效進(jìn)行滑坡治理。

③對于不同的滑坡類型，應(yīng)采取不同的處理措施，一般的淺層和原因明確的坡面滑坡，可以根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況簡化地質(zhì)勘探和設(shè)計(jì)程序，按照相應(yīng)規(guī)定進(jìn)行恢復(fù)。對于地質(zhì)條件復(fù)雜或未進(jìn)行地質(zhì)勘察的深層滑坡，應(yīng)進(jìn)行地質(zhì)勘探，并委托專業(yè)單位現(xiàn)場查勘，采用相關(guān)計(jì)算軟件復(fù)核計(jì)算，在查清滑動帶范圍和分析滑動原因的基礎(chǔ)上，制定技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的治理方案。

④渠道坡面失穩(wěn)的原因不同，需要采取不同的處置方案。對于渠道坡面或坡腳失穩(wěn)造成的滑坡開裂，采取單一處理措施并不能達(dá)到預(yù)期效果，要采取多種處理措施才可以保證渠道邊坡安全。如對于渠道坡腳失穩(wěn)，除重點(diǎn)提高坡腳支撐土層的強(qiáng)度、置換渠道坡面擾動土層等措施外，還需要采取排水、樁基、截滲、坡面護(hù)砌等輔助措施。