1概述

 

　　膨胀岩（土）因其具有的特殊工程特性，易造成渠坡失稳，因而对工程安全运行影响较大，而且其处理难度、处理工程量和投资也较大，膨胀岩（土）处理是南水北调中线工程总干渠的关键技术难点问题之一。

 

　　目前，根据膨胀岩（土）渠坡失稳的力学性质，其渠坡失稳大体上可分为两种模式：膨胀力作用下的渠坡失稳和裂隙强度控制下的渠坡失稳[1]。前者易造成浅层叠瓦式破坏，后者则易造成整体边坡的失稳。

 

　　膨胀力作用下的渠坡滑动主要以膨胀变形为驱动力，多表现为浅层、表层叠瓦式破坏，这种破坏会对渠道浅层渠坡及渠道衬砌造成破坏。目前南水北调中线膨胀岩（土）的处理措施主要针对这种形式下的破坏，即综合考虑大气影响深度及胀缩变形量对渠道衬砌容许变形量的影响等因素下，采用换填的处理措施，在渠底和渠坡设计坡面下膨胀岩（土）分布范围内，垂直超挖换填一定厚度的非膨胀性土，以隔绝大气对膨胀岩（土）的影响，同时换填土体起到压重及吸收部分膨胀变形的作用，[JP3]换填土垂直渠坡厚度可根据所保护的膨胀岩（土）膨胀等级、考虑换填压实施工条件、结合换填渠坡坡比取1～3m。

 

　　裂隙强度控制下的渠坡失稳，主要因为裂隙面强度极低，边坡由于抗滑力不足而产生整体深层滑动失稳。本文主要结合总干渠深挖段开挖后的地质情况，针对裂隙强度控制下的膨胀岩（土）渠坡失稳，通过对渠坡稳定计算分析，提出裂隙强度控制下的渠坡深层失稳的处理措施，以确保边坡安全。

 

　　2工程地质概况

 

　　南水北调中线干线工程涉及的膨胀岩（土）渠段累计长度约340km，包括第三系膨胀岩和第四系膨胀土，主要分布在陶岔至北汝河段、辉县至新乡段、邯郸至邢台段。其中膨胀岩主要为上第三系滨湖相、河湖相陆源碎屑沉积的软岩，岩性主要为棕黄、棕红杂灰绿色粘土岩和灰白色、灰白杂灰绿色及灰黄色的泥灰岩，多具中强膨胀性。黏土岩多呈坚硬硬塑土状，成岩差，干裂后网状裂隙发育，岩裂面具蜡状光泽和擦痕，多附黑色铁锰质薄膜和灰绿色薄膜及条纹；泥灰岩为泥质结构，层状构造，大部分成岩差，为硬可塑坚硬土状，多为软岩，岩体均匀性差，节理裂隙发育，沿裂隙有铁锰质薄膜，层间有软弱夹层和结构面，多充填棕红色黏土，局部见溶隙。膨胀土主要为第四系中更新统冲湖积粉质黏土、黏土，多以弱中膨胀性[1]。

 

　　3膨胀岩典型渠段处理

 

　　3.1典型断面概况

 

　　选取某深挖方强膨胀岩渠段作为典型渠段，该渠段总长715m，为深挖方渠段，最大挖深18m，渠道设计底宽185m，一级边坡系数1∶325，二级边坡系数1∶30。

 

　　前期地质资料显示，本渠段内分布的膨胀岩主要为上第三系洛阳组滨湖的黏土岩和泥灰岩，其具中强膨胀性趋势，主要分布在渠道一级马道附近及以下部分。膨胀岩中网状裂隙较发育，裂隙面光滑，并见有擦痕，裂隙间充填物质含水量大，部分渠段尚存在层间结构面和软弱夹层等软弱结构面，抗剪强度低，对渠道边坡的稳定极为不利[2]。典型地质横断面见图1。

 

　　图1典型断面地质横剖面

 

　　在施工中本段进行了先期探槽开挖，发现探槽中原生裂隙较多，延伸长度大于3m，存在的部分缓倾角裂隙，裂面光滑，与渠道走向夹角为大于67°，倾角4°、23°，许多网状微裂隙，产状不规律，裂隙结构面强度低，出露高程不均，对边坡稳定极为不利。

 

　　3.2边坡稳定复核

 

　　南水北调中线工程总干渠边坡稳定计算一般采用圆弧滑动分析法，选用中国水利水电科学院编制的“土石坝边坡稳定分析程序”来进行边坡稳定分析计算，使用程序中毕肖普法和瑞典圆弧法计算圆弧滑裂面或任意形状的滑裂面安全系数，对于膨胀岩（土）渠段采用分带法进行稳定计算。

 

　　由于探槽开挖揭示的本段膨胀岩裂隙较发育，裂隙结构面强度低，考虑裂隙可能引起深层边坡滑动，复核采用摩根斯顿普赖斯法（折线法）复核边坡稳定，裂隙面参数选用摩擦角10°，凝聚力85kPa。计算工况分为：设计工况，地下水稳定渗流；校核工况Ⅰ，渠内无水，地下水稳定渗流。断面计算参数及计算结果见表1。

 

　　从计算结果看，采用裂隙面强度指标进行深层边坡稳定计算，校核工况Ⅰ（控制工况）中的边坡安全系数小于1，不满足安全系数的要求，需对渠道边坡采用一定的处理措施。目前该段渠道一级边坡坡比已到1∶3.25，进一步放缓边坡对安全系数影响较小，且需要增加永久征地，新增永久征地的周期一般较长，会对该段施工工期造成很大的影响，所以设计考虑采取其它工程措施进行边坡处理，处理方法为增设抗滑桩。

 

　　3.3抗滑桩设计

 

　　由于该段膨胀岩（土）中裂隙较为发育，在考虑深层裂隙条件下进行的边坡稳定计算中不满足安全系数要求，需采用工程措施保证边坡稳定，设计考虑设置抗滑桩的处理方式。

 

　　抗滑桩的计算原理主要如下：①根据滑裂面处抗剪强度指标，计算滑坡推力；②根据地形、地质情况确定抗滑桩设计位置，初步拟定抗滑桩桩长，桩径，桩间距等设计参数；③根据桩计算宽度及滑裂面处地层情况选定地基系数，然后选定抗滑桩内力计算方法，判断按刚性桩或者弹性桩计算；④进行抗滑桩内力计算，计算各部位剪力、弯矩、位移，根据内力计算进行配筋计算。

 

　　（1）滑坡推力计算。

 

　　将滑坡范围内滑动方向和滑动速度大体一致的一部分滑体视为一个计算单元，在顺滑动主轴方向的地质断面图上分条块，由后向前计算各条块分界面上的剩余下滑力即是该部位的滑坡推力。计算简图见图2。

 

　　图2滑体第i块上力系

 

　　下滑力计算公式如下：

 

　　Ei=E1+E2+E3+E4

 

　　E1=KWisinαi

 

　　E2=Ei-1ψi

 

　　E3=-Wicosαitanφi

 

　　E4=-cili

 

　　ψi=cos（αi-1-αi）-sin（αi-1-αi）tanφi

 

　　式中：Ei为第i个条块滑体的剩余下滑力（kN/m），方向指向下滑方向并平行于第i个条块滑面；E1为计算滑体产生的下滑力（kN/m）；E2为i-1块滑体产生的下滑力或上滑力（kN/m）；E3为计算滑体产生的抗滑力（kN/m）；E4为计算滑体滑面长生的凝聚抗滑力（kN/m）；K为抗滑计算的安全系数，计算取12；Wi为第i条块滑块重量（kN/m）；αi为第i条块滑面倾角（°）；αi-1为第i-1条块滑面倾角（°）；φi为第i条块所在滑面上的摩擦角（°）；ci为第i条块所在滑面上的单位凝聚力（kPa）；li为第i条块所在滑面的长度（m）；ψi为剩余下滑力传递系数。

 

　　（2）裂隙面的选取。

 

　　由于裂隙面的复杂性，本次计算考虑缓倾角与陡倾角的不利裂隙组合，通过计算找出相对危险的滑裂面。典型断面处概化网格图见图3，陡倾角的组合采用4种不同倾角（纵向裂隙与横向裂隙之间的夹角）的纵向裂隙，纵向裂隙倾角分别如下：1号裂隙缝倾角30°，2号裂隙缝倾角25°，3号裂隙缝倾角22°，4号裂隙缝倾角20°。按四种不同组合，并在平面上改变各组合中纵向裂隙缝的平面位置，搜索得到该组组合中具有最大的下滑推力的纵向裂隙面平面位置，经计算，各组合中的最危险滑裂面缓倾角为10°，各组合最大剩余下滑力及下滑力角度见表2。

 

　　[FK（W]

 

　　图3裂隙面概化网格示意图

 

　　[FK）]

 

　　表2不同组合最大剩余下滑力

 

　　[BHDFG3，WK8，WK5，WKW]

 

　　[HT6][HJ*4]缓倾角角度（横向裂隙角度）（°）[]纵向裂隙倾角（°）[HT][]

 

　　[ZB（][BHDG1*2，WKW][HT6]坡脚剩余下滑力及角度[HT]

 

　　[BHDG1*2，WK8，WKW][HT6]剩余下滑力/kN[]角度（°）[HT][ZB）]

 

　　[BHDG1*2，WK8，WK5，WK8，WKW]

 

　　[HT6]0[]22[]571.78[]0

 

　　[BHDW]5[]20[]585.19[]4.972

 

　　[BH]10[]20[]764.6[]-20.864

 

　　[BH]15[]15[]603.84[]-20.864[HT][HJ*5/6][BG）F][HJ]

 

　　从计算结果看出，缓倾角10°与陡倾角20°组合下滑力最大，选其为典型断面最不利滑裂面进行计算。

 

　　根据滑裂面处土体强度指标，凝聚力85kPa，摩擦角10°。计算各滑块剩余下滑力，经计算：在安全系数为12的情况下，渠坡整体剩余下滑力7646kN，针对该裂隙面滑坡推力计算简图见图4。

 

　　（3）抗滑桩计算。

 

　　根据剩余下滑力，初步拟定抗滑桩为C25钢筋混凝土方桩，桩径2m×3m，桩长20m，桩间距6m，锚固段113m。抗滑桩设置在渠道一级马道处，即第六条块处，该条块剩余下滑力13142kN，一级马道以下条块能提供5496kN抗滑力，荷载按矩形分布。

 

　　抗滑桩计算方法按悬臂桩法计算，考虑滑裂面下膨胀土地基系数为常数，因此按K法计算桩所受内力，弹性抗力系数K需要根据现场试验而定，计算查《水利水电工程边坡设计规范》附表经验值，弹性抗力系数K值取4×104kN/m3，计算宽度BP=3m，则抗滑桩变性系数

 

　　β=（KHBp/4EI）1/4

 

　　计算出β=0124m1，βh2=14>1，所以按弹性桩进行验算，计算时考虑桩下端铰接。计算使用理正岩土计算软件。计算结果如下：

 

　　背侧最大弯矩=259827（kN·m），距离桩顶115m；最大剪力=45876kN，距离桩顶87m；最大位移=41mm。

 

　　根据内力计算结果，抗滑桩背侧按受弯构件、面侧按受压构件进行设计，背侧布置32根Φ36的II级钢筋，面侧布置14根Φ28的I级钢筋，两侧各布置22根Φ28的II级钢筋，箍筋采用Ф18间距200mm的I级钢筋。

 

　　（4）抗滑桩方案设计。

 

　　为防止因裂隙滑动产生的边坡失稳问题，在典型断面处设置C25钢筋混凝土方桩，桩径2m×3m，桩长20m，桩间距6m。处理典型断面见图5。

 

　　[FK（W]

 

　　图5抗滑桩方案典型断面

 

　　[FK）]

 

　　4结语

 

　　南水北调中线总干渠强膨胀岩（土）边坡存在大量原生裂隙，裂隙面分布不规律且裂隙面强度极低，边坡容易发生由于抗滑力不足而产生整体深层滑动失稳，针对此种情况，本文采用摩根斯顿普赖斯法（折线法）复核边坡稳定，采用传递系数法计算下滑力，通过抗滑桩计算设置抗滑桩，解决了边坡深层滑动问题，为类似涉及膨胀岩（土）深层裂隙边坡稳定问题的工程提供了一种参考处理方法。随着南水北调中线一期工程的顺利通水，目前该渠段工程运行状况良好，为输水任务作出了贡献。

 

　　参考文献：

 

　　[1]长江水利委员会长江科学院.膨胀土地段渠道破坏机理及处理技术研究总报告[R].2011，12：67，2325.

 

　　[2]河南省水利勘测有限公司.南水北调中线一期工程总干渠沙河南至黄河南段工程禹州和长葛段工程地质专题报告[R].2010，4：111116.