南水北调中线总干渠焦作矿区段线路条件复杂，根据渠线总体布置需要，渠道在穿越山门河时采用隧洞。隧洞进、出口连接渠道均为深挖方，挖深40m左右，渠坡地质条件为粘砾复合地层结构，土质高边坡易失稳。进、出口连接渠道邻近山门河，渠坡受河道侧向渗流影响，可能产生渗透稳定破坏。为了确保该段渠道的运行安全，有必要开展土质高边坡的稳定及排水措施研究。

 

　　1工程地质概况

 

　　工程区位于太行山东南簏山前坡洪积裙，场区地势西北高，东南低。山门河河谷呈“U”型，自西北向东南流经工程场区。河两岸地面高程133～136m，河底高程127～128m，河槽宽40～80m。山门河为季节性河流，主要在汛期排泄洪水[1]。

 

　　工程场区地质结构属土、岩双层结构。覆盖层土体属黏、砾多层结构，岩性主要为第四系全新统黄土状中粉质壤土、中更新统重粉质壤土和卵石，岩性不均，相变频繁；下伏古生界二叠系岩体属层状结构，岩性为泥岩、砂岩。工程区主要地层情况见图1。

 

　　工程区位于华北地震构造区华北平原地震带内，根据中国地震局分析预报中心编制的《南水北调中线工程沿线设计地震动参数区划报告》，工程区地震动峰值加速度为015g，相当于地震基本烈度Ⅶ度。

 

　　工程区地下水为第四系松散层孔隙潜水，主要赋存于卵石层，卵石层局部胶结，发育有溶隙溶孔。勘探期间钻孔中测得，地下水位高程9644～10300m。地下水主要接受大气降水入渗和侧向迳流补给；消耗于人工开采及侧向径流排泄。

 

　　2土质高边坡边坡稳定研究

 

　　根据山门河暗渠工程场区的地形地质条件，选择出口连接段挖深最大区域作为典型进行边坡稳定研究。保持土质边坡的稳定，一般采用两种方法。第一是放缓开挖边坡，根据土质条件选择合理的坡比，使边坡自然保持稳定，同时进行坡面防护；第二是根据地形、场地条件选择一定的开挖坡比，在边坡不能保持自然稳定时采取一定工程措施进行加固，使之保持稳定。本文根据工程场区土质高边坡的特点，提出放坡和工程加固三种边坡方案进行对比研究，从中选择既能保证工程安全，又经济合理的边坡坡型。

 

　　2.1计算工况及荷载组合

 

　　根据南水北调中线总干渠渠道施工和运行条件，选取以下三种控制工况进行边坡稳定分析[2]。

 

　　正常情况：渠道内设计水深70m，地下水处于稳定渗流；非常情况I：施工期，渠内无水，地下水处于稳定渗流状态；非常情况Ⅱ：正常情况+地震。

 

　　2.2计算参数

 

　　选择暗渠出口段挖深最大区域作为典型进行边坡稳定计算，计算边坡总高度为4033m。计算采用的各土层物理力学参数值见表2。

 

　　2.3边坡方案比选

 

　　三种边坡方案总体布置如下。

 

　　方案一：放缓边坡，选择合理的坡比，既能保持边坡稳定，又尽量减少渠道开口宽度和占地。经过多种边坡坡比的试算，最终确定一级边坡高9m，以上各级边坡高6m；一级边坡坡比取1∶35，二级边坡坡比取1∶275，以上各级边坡坡比按025递减；一级马道宽度取5m，二级马道宽度取10m，以上各级马道宽度取2m。

 

　　方案二：适当的放陡边坡，边坡稳定不满足要求时，采用抗滑桩和锚杆联合加固。经计算分析，确定边坡坡型为：一级边坡高9m，以上各级边坡高6m；一级边坡坡比取1∶3，以上各级边坡坡比按025递减；一级马道宽度取5m，以上各级马道宽度取2m。加固措施为：一级马道设1排抗滑桩，桩长27m，桩间距5m，桩截面尺寸25m×15m；三至五级马道共设7排锚杆，锚杆长度18m，间距3m×2m，与水平面夹角为20°。

 

　　方案三：进一步放陡边坡，为保证边坡整体和局部稳定，采用两排抗滑桩加固。边坡坡型为：一级边坡高9m，以上各级边坡高6m；一级边坡坡比取1∶25，以上各级边坡坡比按025递减；一级马道宽度取5m，以上各级马道宽度取2m。加固措施为：一级马道设1排大型抗滑桩，桩长32m，桩间距5m，桩截面尺寸35m×25m；三级坡设1排小型抗滑桩，桩长15m，桩间距5m，桩截面尺寸18m×14m。

 

　　选取挖深最大区域内100m长渠道，计算三种坡型方案的工程及移民占地投资情况。经计算，三种坡型方案的主要投资情况见表3。

 

　　三种方案相比较，方案一的工程投资最小，移民占地投资稍大，但总投资最小；后两种方案虽然减少了一部分移民占地投资，但边坡加固投资增加较多（边坡加固投资增长幅度大于移民占地投资降低幅度），总投资均高于方案一。另外，方案一以土方工程为主，施工方法简单，施工进度快；后两种方案需要施工30m左右的深层抗滑桩，施工难度大，且具有一定的风险。综合以上分析，对于山门河暗渠进、出口段这类土质高边坡，应选择合理的开挖坡比，放坡使边坡自然保持稳定。这样既能减少工程投资，又能降低施工难度和风险，加快工程进度。

 

　　3土质高边坡边坡排水研究

 

　　山门河暗渠进、出口连接段渠道紧邻山门河，进、出口裹头距河道中心线最近处约110m。山门河河底高程在12650m左右，暗渠进口渠底高程97469m，出口渠底高程97139m，河底高于渠底。暗渠工程场区为土砾复合地层结构，其中卵石层渗透系数为54×10-2～93×10-2，为强透水层。河道来水时，河水可能沿卵石层向渠道渗流，并在渠坡出溢。山门河暗渠进、出口为土质高边坡，受河道侧向渗流影响，可能产生渗透稳定破坏，进而影响边坡的整体稳定，需要设置有效的排水措施，降低边坡内的浸润线和孔隙水压力。

 

　　3.1渗流计算

 

　　为了合理确定边坡排水措施，取进口紧邻河道边坡作为典型进行渗流计算。

 

　　（1）计算工况。

 

　　河道20年一遇洪水位，渠道内设计水位。

 

　　（2）计算方法。

 

　　山门河为季节性河流，河道每次行洪历时时间较短，行洪过程中实际渗流场情况也较为复杂，为了简化计算，偏于安全按二维稳定渗流进行计算。

 

　　渗流计算采用有限单元法，计算软件采用河海大学编制的《水工结构有限元分析系统》程序。

 

　　（3）计算成果。

 

　　经计算，邻河边坡每沿米渗流量为1693m3/d，边坡渗流出逸比降最大为0615（大于卵石层允许渗流比降）[4]。

 

　　邻河边坡需要采取排水措施降低浸润线，同时在卵石坡面设置排水反滤措施，见图2。

 

　　3.2排水措施

 

　　根据渗流计算成果，山门河暗渠邻河高边坡排水采用深层排水孔结合贴坡排水体和坡面排水网的排水体系。排水措施具体布置见图3。

 

　　（1）边坡深层排水

 

　　在二至六级边坡上每级设一排深层排水孔，其中二级边坡上排水孔深20m，其余各级边坡上排水孔深12m，排水孔间距3～5m，孔径100mm，排水孔向上倾角5°。排水孔中设排水花管，排水花管采用PVC管，管身开孔直径10mm，按梅花形均匀布置，开孔率15%～20%，排水花管外包裹土工布作为反滤层。排水孔内渗水排入边坡马道上的纵向排水沟。

 

　　（2）坡面排水。

 

　　针对有卵石层出露的坡面，为防止渗流将细颗粒带出，造成渗透稳定破坏，布置贴坡排水措施。贴坡排水采用三层结构，先铺设一层土工布，其上铺20cm厚砂砾料，表层为30cm厚干砌石。贴坡排水主要设在三、四、五级坡面。

 

　　对于重粉质壤土和黄土状中粉质壤土坡面，需要防止雨水对坡面的冲刷和浸泡，布置坡面排水网。坡面排水网由菱形布置的矩形预制混凝土排水沟组成，菱形框格3m×3m，互相联通，每隔13个菱形框格设一道横向排水沟，将集水排至马道上的纵向排水沟。[FL）]

 

　　图3边坡排水措施布置

 

　　[FL（K2]

 

　　4结语

 

　　（1）南水北调中线山门河暗渠进、出口渠道为挖深40m左右的高边坡，渠坡地质条件为黏砾复合地层结构，土质高边坡易失稳，同时还存在边坡排水问题。

 

　　（2）经过多方案的对比分析，山门河暗渠高边坡最终选择合理的开挖坡比，放坡使边坡自然保持稳定。这样既能减少工程投资，又能降低施工难度和风险，加快工程进度。

 

　　（3）山门河暗渠高边坡采用深层排水孔结合贴坡排水体和坡面排水网的排水体系，排水体系经历了三个汛期的考验，有效地降低了边坡内的浸润线和孔隙水压力，保护边坡不出现渗透稳定破坏和坡面冲刷。

 

　　[HJ2.1mm]

 

　　参考文献：

 

　　[1]赵健仓，张建国.南水北调中线一期工程总干渠山门河暗渠初步设计阶段工程地质勘察报告[R].郑州：河南省水利勘测有限公司，2006.

 

　　[2]翟渊军，朱太山.南水北调中线一期工程总干渠黄河北-羑河北段初步设计报告[R].郑州：河南省水利勘测设计研究有限公司，2006.

 

　　[3]SL274-2001，碾压式土石坝设计规范[S].

 

　　[4]SL265-2001，水闸设计规范[S].