大型输水渠道穿越膨胀岩土地区滑坡处理研究,水利工程论文

　　膨胀岩土具有特殊的工程性质，易造成渠道边坡失稳，对工程的安全运行产生严重危害。某大型输水渠道穿越膨胀岩土地区，根据该工程各渠段发生的滑坡情况，将之分为三种类型：膨胀岩土处理换填层滑坡，结构面作用下产生的滑坡，浅层干湿循环导致的滑坡。

　　1 膨胀岩土换填层滑坡处理

　　1. 1滑坡情况

　　失稳渠段位于华北平原西部边缘与太行山东麓交接部位，属软岩丘陵岗地地貌单元，地势总体呈西高东低，总干渠左侧地面高程为97 ~104 m、右侧地面高程为84 ~95 m.地形略有起伏。该地区降雨量大且较集中，大雨过后排查，发现存在坡脚变形现象。

　　1. 2滑坡原因分析

　　强降雨导致膨胀岩体内上层滞水水位迅速上升，超出了预测最高水位，这是自然因素；受膨胀岩成岩特点的影响，施工过程中在换填层面易形成软弱带，加之坡脚土体在雨季受水浸泡后强度降低，这是客观因素。

　　膨胀岩受裂隙发育及岩溶影响，综合渗透系数大于换填土体的渗透系数，造成换填层后产生水压力，这是膨胀岩渠坡换填层失稳的主要因素。

　　1. 3处理措施及评价

　　从开挖断面情况看，渠道换填土下部泥灰岩（基岩）未发现位移现象，塌滑主要发生在换填土中或换填土与泥灰岩接合面处，开挖时在塌滑体上部换填土与泥灰岩接合面处沿泥灰岩的裂隙有地下水逸出。

　　通过敏感性分析及计算，对预测地下水位或施工期地下水位高于渠底的渠段采用换填层后增设排水系统进行处理。排水设施在换填层下部设置纵、横向集水暗管，膨胀岩（土）与换填层之间布置排水网垫，连通至纵向集水暗管，通过横向布置的Ф150PVC波纹管连通逆止阀将地下水排至渠内，另与渠底设置的粗砂垫层连通，并通过渠底设置的逆止阀将水排至渠内。

　　膨胀岩土处理换填层后设置独立的排水设施，重点排泄施工期及检修期换填层后的地下水，以降低其对换填层稳定性的影响。

　　2 结构面作用下的滑坡处理

　　2. 1滑坡情况

　　某渠段第一次出现滑塌的滑塌体位于总干渠渠道左岸的渠坡上。该处渠道为黏性土换填边坡，且开挖已达到设计边坡的要求，总干渠设计开挖边坡坡比在94.89 m高程以上为1∶ 1. 5、以下为1∶ 2. 0,滑塌体后缘处的施工边坡坡比为1∶ 1. 5,滑塌体前缘处的施工边坡坡比为1 ∶ 2 0;开挖深度一般为15. 000 ~19. 053 m.滑塌体从98. 6 m高程以下呈扇形开始滑动，拉张裂缝宽为0. 3 ~ 1. 0 m;沿总干渠走向长度为41. 0 m,顺渠道边坡倾向方向宽度为19. 0 m,相对高差约5. 4 m,滑塌体最大厚度为2. 2 m,滑动体方量约450 m3.在滑塌体上部发现一组X形剪切裂隙，将滑动体切割成几块。

　　滑动体岩性主要为黏土岩和砂质黏土岩，滑动面以下滑床体的岩性为紫红色黏土岩。工程场区膨胀性黏土岩等软岩岩体中地质结构面的发育程度是渠道边坡稳定及滑塌体滑动的控制因素。

　　2. 2滑坡原因分析

　　（1）自然及地质因素。膨胀岩土结构较致密，多呈硬塑土状，初期天然强度较高。从微观结构上看，存在隐蔽微裂隙，裂面光滑细腻，方向不规则，随着气侯暴晒与降雨影响干湿交替，加上开挖卸荷、回弹等影响后，逐渐发育显现，由闭合状态变为微张，结构性变差，天然强度衰减。

　　滑塌体附近黏土岩等软岩岩体中发育有四组节理裂隙，第二组（走向45° ~90°）较为发育，第一组（走向20° ~40°）、第三组（走向275° ~ 290°）、第四组（走向341° ~360°）次之。工程场区最发育节理裂隙和地质结构面走向与区域断裂构造线方向基本一致。

　　黏土岩具超固结性、多裂隙性和胀缩性等工程特性。渠道开挖使软岩暴露地表，湿度的变化促使黏土岩岩体中节理裂隙发育，反复胀缩作用使岩体力学强度降低，影响渠道边坡的稳定性。

　　因此，在对具有中、强膨胀潜势的黏土岩等软岩渠段渠道边坡开挖时，不预留保护层或预留保护层不足会加速渠道边坡破坏和失稳。

　　（2）开挖后暴露时间过长。由于渠道开挖成型后未能及时换填施工，自开挖成型以来一直处于裸露状态，使得渠坡长期处于自然干湿交替循环状态，因此加速了膨胀性岩体的崩解破坏，导致边坡失稳。

　　2. 3边坡稳定分析

　　根据滑塌体滑裂面的位置对边坡用折线法进行复核，滑裂面凝聚力为16 kPa、内摩擦角为17°.计算工况：施工及完建期，渠内无水，地下水处于稳定渗流状态。计算得到主滑面（见图1）安全系数k为1. 854,可知边坡是稳定的。

　　由于该段已经出现了滑塌现象，因此主滑面安全系数采用凝聚力为16 kPa、内摩擦角为17°计算可能偏大。固定滑裂面的位置，边坡稳定安全系数采用1 0,反算主滑面的凝聚力和内摩擦角。反演计算得到凝聚力为8. 5 kPa、内摩擦角为10°.反演计算滑裂面参数较小，若滑裂面上部存在潜在滑裂面，有可能产生滑塌。因此，假定该主滑面向上部延伸，推测滑裂面见图2,再次进行边坡稳定复核。计算得到边坡稳定安全系数为0. 77,可见边坡会沿着推测滑裂面产生塌滑。

　　该渠段开挖后换填黏性土厚度为3. 7 m,滑塌体下部紫红色黏土岩膨胀性为中等膨胀性，凝聚力采用16 kPa、内摩擦角为17°,对换填后断面再进行边坡稳定计算。计算得知换填后边坡稳定安全系数满足设计要求。

　　2. 4处理措施及评价

　　根据边坡稳定分析结果，将滑塌体和已经出现滑裂面的部位清除，回填至原设计断面，能够保证边坡整体稳定。

　　渠道开挖使软岩暴露地表，湿度的变化促使黏土岩岩体中节理裂隙发育，反复胀缩作用使岩体力学强度降低，影响渠道边坡的稳定性。采用清除塌滑体回填黏性土至原渠道设计断面后，边坡稳定安全系数均满足设计规范的要求，解决了边坡的整体稳定问题。

　　膨胀岩土的节理裂隙发育受多种条件的影响，在开挖过程中很难发现，有的直到边坡滑塌后才能发现。对于滑塌后发现有节理裂隙发育的渠坡可以采取先清除后换填的处理措施，对于未滑塌但存在节理裂隙的渠坡，需要地质和施工单位及时发现，上报处理。同时，开挖后要及时保护，尽快进入下一道工序的施工，缩短渠坡裸露的时间。

　　3 浅层干湿循环导致的滑坡处理

　　3. 1滑坡情况

　　该段渠道开挖成型后，历经了2009-2011年3个雨季，其一级马道以上边坡发生多次、多期滑塌，范围不断扩大，至今共形成5处塌滑体。

　　3. 2滑坡原因分析

　　膨胀岩边坡开挖后下部具有中膨胀性的黏土岩首先发生膨胀变形破坏，产生滑塌，然后在历时3 a的干湿交替过程中又产生多期牵引式滑塌。究其原因，该段渠道开挖成型后未能及时换填施工，自开挖成型以来一直处于裸露状态，导致渠坡长期处于自然干湿交替循环状态，加速了膨胀性岩体的崩解破坏，致使边坡失稳。

　　3. 3边坡稳定分析

　　采用简化毕肖普法，用中国水利水电科学研究院编制的土石坝边坡稳定分析程序（STAB95）进行边坡稳定分析计算。由于该段黏土岩由弱膨胀性变化为中等膨胀性，因此相应的凝聚力、内摩擦角由原来的32 kPa、20°调整为12 kPa、17°.边坡复核结果表明，总干渠右侧边坡仍然满足稳定要求，而左侧需放缓边坡并加宽二级及其以上马道方能满足稳定要求。

　　3. 4处理措施及评价采用减载方案将左侧边坡坡比由原来设计的1∶2.5/1∶ 2. 25/1∶ 2/1∶ 1. 75/1∶ 1. 5/1∶ 1. 5调整为1∶ 2. 5/1∶ 2. 5/1∶ 2. 5/1∶ 2/1∶ 1. 5/1∶ 1. 5,同时二、三级马道的宽度由原来的2 m加宽至8 m,四级马道宽度由原来的2 m加宽至5 m,边坡整体稳定复核结果满足设计要求。

　　在加宽马道减载的过程中，将浅层滑动的滑塌体全部清除并回填黏性土，对膨胀岩土渠坡起到了保护作用，减少了膨胀岩土与外界的接触，浅层滑动的几率相应减小，该方案是可行的。

　　4 结论

　　通过对不同的滑坡类型进行分析可知，在工程施工中针对不同情况采用不同的处理方案很有必要。

　　（1）对于膨胀岩土换填层滑坡的处理，可在膨胀岩土处理换填层后设置独立的排水设施，重点排泄施工期及检修期换填层后的地下水，以减少对换填层稳定性的影响。

　　（2）对于结构面作用下产生的滑坡，膨胀岩土的节理裂隙发育受多种条件的影响，在开挖的过程中很难发现，有的直到边坡滑塌后才发现。对于滑塌后发现的存在节理裂隙的渠坡可以对其清除后进行换填处理；对于未滑塌但存在节理裂隙的渠坡，需要在施工过程中加强观察，及时处理。

　　（3）对于浅层干湿循环导致的滑坡，将浅层滑动的滑塌体全部清除并回填黏性土，这样对膨胀岩土渠坡可以起到保护作用，减少膨胀岩土与外界的接触，浅层滑动的几率相应减小。