高地下水位膨脹巖渠坡穩(wěn)定性分析研究

□羅云昊 □朱 華（華北水利水電大學(xué)）

□王東東（福建省建研勘察設(shè)計院)

0 引言

南水北調(diào)工程穿越膨脹巖渠段累計長約131 km，膨脹巖因其特殊的工程性質(zhì)，易造成渠道邊坡失穩(wěn)，對工程的安全運行產(chǎn)生嚴(yán)重危害，是南水北調(diào)中線工程的主要技術(shù)問題之一。

造成膨脹巖渠坡危害的原因可主要歸結(jié)為膨脹巖的“三性”，即脹縮性、裂隙性和超固結(jié)性。脹縮性是所含的粘土礦物成分、膠結(jié)物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)特征而造成遇水膨脹、失水收縮的特性，屬于“內(nèi)因”；裂隙性是由于膨脹軟化或收縮開裂而導(dǎo)致巖土體積和狀態(tài)的變化，從而使巖土體開裂，產(chǎn)生裂隙，破壞膨脹巖的整體性；超固結(jié)性是由于沉積受荷歷史等因素引起的，在施工開挖時卸荷使地基產(chǎn)生回彈，促進(jìn)裂隙的發(fā)展和巖土體膨脹軟化加劇。此外，在外界因素如降雨、蒸發(fā)等作用下含水量發(fā)生變化，對渠道邊坡的穩(wěn)定性影響很大。

1 失穩(wěn)渠段概況

南水北調(diào)中線工程河南安陽段全長40.33 km，渠道長39.36 km，其中一半以上涉及膨脹巖。2010年7-9月，河南安陽等地普降大、暴雨，8月22日，在防汛檢查中，發(fā)現(xiàn)南田村西公路橋附近部分已襯砌完工的渠道邊坡發(fā)生滑坡，之后向南、向北不連續(xù)發(fā)展，截止到9月底，失穩(wěn)渠坡長度累計5000余米。

失穩(wěn)渠段以半挖半填為主，渠道最大挖深約11.50m，最大填高約10m。渠道為梯形斷面，設(shè)計渠底寬度為18.50m，渠道內(nèi)一級邊坡 1：2，一級馬道寬 5m，外坡 1：1.50～1：2，渠道縱比降為1/28000。堤頂至渠底深最大為9.05m。本渠段進(jìn)出口設(shè)計流量245m3/s，設(shè)計水深7m。加大設(shè)計流量280m3/s，加大水深7.34m。渠底高程87.05～86.77m，一級馬道高程96.10～95.78m。

2 工程地質(zhì)條件

失穩(wěn)渠段屬軟巖丘陵崗地地貌單元，地勢總體呈西高東低，總干渠左側(cè)地面高程97～104m，總干渠右側(cè)地面高程84～95m。地層結(jié)構(gòu)為土巖雙層結(jié)構(gòu)，自上而下依次為第①層重粉質(zhì)壤土：褐黃、黃色，可塑狀，厚度0.50～1.00m；第②層泥灰?guī)r：為上第三系軟質(zhì)巖，成巖一般較差。上下巖性略有差異，上部為棕黃、灰白，下部為灰白色雜淺灰綠色，隱晶結(jié)構(gòu)，上部成巖較差，較破碎，網(wǎng)狀裂隙發(fā)育，厚3～4m。下部相對成巖較好。本段泥灰?guī)r自由膨脹率δef=41%～58%，具弱膨脹潛勢，膨脹力Pe=12.50～178.91 kPa。地下水類型屬泥灰?guī)r裂隙、巖溶水。該層泥灰?guī)r裂隙、巖溶發(fā)育程度很不均一，泥灰?guī)r賦水性、透水性及其水力聯(lián)系存在明顯差異。在大氣影響帶范圍內(nèi)泥灰?guī)r中裂隙巖溶水具有上層滯水特點，枯水季節(jié)地下水位埋深大，汛期多雨季節(jié)地下水位明顯上升，地下水位變幅較大。受地形的控制，場區(qū)內(nèi)地下水整體流向自西向東流。多年最高水位線一般高于渠底板0.50～2.50m。透水性差異很大，透水率q=0.65～53 Lu，屬微～中等透水性。

該區(qū)位于華北準(zhǔn)地臺黃淮海拗陷與山西臺背斜的交接部位，新構(gòu)造分區(qū)屬華北斷陷~隆起區(qū)的太行山隆起分區(qū)和河北斷陷分區(qū)。地震動峰值加速度0.20 g，相當(dāng)于地震基本烈度Ⅷ度。

3 物理力學(xué)參數(shù)的選取

根據(jù)室內(nèi)試驗成果和前期勘察試驗資料，結(jié)合工程經(jīng)驗和類比，換填土和弱膨脹泥灰?guī)r結(jié)合面飽和抗剪強度建議值采用C=19 kPa、φ=16°。膨脹巖的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1，殘余強度建議值見表2。

表1 安陽段上第三系膨脹巖物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)建議值表

表2 安陽段上第三系膨脹巖殘余強度建議值表

4 渠坡穩(wěn)定計算分析

4.1 計算方法

采用剛體極限平衡法和有限元法對膨脹巖邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。一是對水位以上的非膨脹土采用自然快剪、水位以下采用飽和快剪強度指標(biāo)；二是對于膨脹巖，根據(jù)地質(zhì)報告取飽和快剪強度指標(biāo)建議值。計算參數(shù)見表1。

計算參數(shù)選定后對計算結(jié)果影響比較大的邊界條件有坡高、地下水位、膨脹巖分布厚度等。因此在計算時著重考慮：一是在每個設(shè)計段內(nèi)選取開挖最深的斷面作為代表斷面，地層基本相同的情況下邊坡越高安全系數(shù)相對越低；二是考慮到膨脹巖對水的敏感性，進(jìn)行了換填前、后最高水位且渠道內(nèi)無水時的邊坡穩(wěn)定計算；三是坡高、地下水位都相似的情況下，則選擇膨脹巖分布最厚的斷面做為計算代表斷面。

4.2 現(xiàn)狀條件分析計算

坡面換填處理完成并襯砌，渠底未襯砌、有積水，泥灰?guī)r裂隙水高于渠底約3m，計算成果見圖1。

圖1 SY2-540斷面換填后整體滑動計算成果圖

坡腳處無積水、地下水位高于渠底3m，在換填土表面形成厚約0.10m左右的泥化層。計算成果見圖2、圖3。

圖2 SY2-540斷面（坡腳無積水）滑弧位置及安全系數(shù)圖

圖3 SY2-540斷面（坡腳無積水）位移矢量圖

坡腳處有積水、地下水位高于渠底3m、渠底換填土表層有0.10m厚的泥化層的計算成果，見圖4、圖5。

圖4 SY2-540斷面（坡腳有積水）滑弧位置及安全系數(shù)圖

圖5 SY2-540斷面（坡腳有積水）位移矢量圖

4.3 對假定軟弱面的計算

軟弱面的強度參數(shù)參考潞王墳段選取C=14kPa，φ=17°。假定在地下水位以下?lián)Q填層與泥灰?guī)r結(jié)合面處存在0.10m的軟弱帶面，計算結(jié)果見圖6、圖7。

圖6 SY2-540斷面（坡腳積水、有軟弱帶）滑弧位置及安全系數(shù)圖

圖7 SY2-540斷面（坡腳積水、有軟弱帶）位移矢量圖

4.4 考慮結(jié)合面有靜水壓力

考慮當(dāng)水位上升后，地下水未能夠及時排出，在結(jié)合面處有靜水壓力作用時，計算安全系為1.24。

5 計算及復(fù)核結(jié)果匯總分析

5.1 結(jié)果匯總

已發(fā)生破壞處復(fù)核斷面，采用極限平衡法及有限元法對各種工況計算成果見表3。

表3 計算結(jié)果匯總表

通過對不同工況的計算結(jié)果分析可看出：當(dāng)在結(jié)合面處施加水壓力時，安全系數(shù)較低；對于坡腳有無積水的情況計算時，安全系數(shù)差異較小，通過對位移矢量圖（圖3和圖5）的比較可以看出，坡腳處有積水時的位移較無積水時相對明顯一些，并且在距離坡腳較近的位置，換填層的水平位移有增大趨勢，該趨勢與現(xiàn)場發(fā)生的淺層牽引的破壞形式非常相似。

5.2 失穩(wěn)原因分析

5.2.1 地質(zhì)結(jié)構(gòu)及徑流影響

總干渠為南北走向，地形總體表現(xiàn)為渠道左岸較右岸高，而現(xiàn)場發(fā)生破壞的部位多發(fā)生在渠道左岸，且渠道兩岸的地層及地下水位等條件基本相似，因此，在經(jīng)歷降雨和重力作用的情況下泥灰?guī)r中的裂隙水總體表現(xiàn)為由左岸向右岸徑流的趨勢，膨脹巖渠道邊坡的失穩(wěn)可能受到優(yōu)勢傾向及緩傾角發(fā)育程度的影響。

5.2.2 短期內(nèi)地下水位升高

失穩(wěn)渠段鉆孔水位一般在渠底板附近，多年預(yù)測最高水位一般高于渠底0.50～2.50m左右。由于短時間內(nèi)連續(xù)強降雨導(dǎo)致水位迅速上升致高于渠底近3m處，從而使膨脹巖裂隙的滲透系數(shù)增大，水壓力也隨之增大，以至于對換填層的穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。

5.2.3 坡腳軟化

由于渠道中間清基土的堆放，加之連續(xù)降雨，導(dǎo)致坡腳處形成寬約0.80m、深約0.40m的積水，換填土表面由于受到雨水浸泡形成0.15～0.20m的泥化層，坡腳土體強度降低且坡腳部分換填土層出現(xiàn)臨空面，因此位移最先可能出現(xiàn)在坡腳處，進(jìn)而對渠底擠壓使渠底隆起，逐漸對坡腳以上的換填土層形成漸進(jìn)式牽引，導(dǎo)致其失穩(wěn)下滑。

5.2.4 存在結(jié)合面

在工程開挖過程中，邊坡表面的巖屑往往不易清除干凈，這是由于泥灰?guī)r成巖程度非均一且似土非巖的特征，當(dāng)其遇水后發(fā)生崩解軟化，從而強度降低，在換填面易形成軟弱夾層。

5.2.5 膨脹力作用

該渠段雖為弱膨脹性泥灰?guī)r，但膨脹力（12.50～178.91 kPa）較大。由于渠底襯砌未完成，加之降雨形成積水使得泥灰?guī)r含水量增大，導(dǎo)致渠坡內(nèi)土體產(chǎn)生不均勻膨脹形變。而坡腳處膨脹力釋放較大，應(yīng)力集中，從而在坡腳處剪應(yīng)力越過峰值強度而首先破壞，進(jìn)一步引起相鄰區(qū)域相繼超過其峰值強度并破壞，破壞方式呈鏈?zhǔn)阶韵露现鸩綌U大，最終使渠坡整體失穩(wěn)滑動。

6 結(jié)語

文章結(jié)合膨脹巖的特性，對失穩(wěn)渠段進(jìn)行了穩(wěn)定性分析計算以及失穩(wěn)原因的分析。為保證渠道安全穩(wěn)定，一是渠坡?lián)Q填面在換填粘土前要做好粘土巖碎屑的清理工作，以免形成薄弱面；二是地下水位高于渠底的渠段應(yīng)采取必要的降水措施，保證干地施工及完建期渠道安全；三是雨季渠道積水時應(yīng)及時抽排，以免渠道坡腳換填土長期浸泡于水中；四是渠內(nèi)臨時排水溝設(shè)置應(yīng)盡量遠(yuǎn)離坡腳，避免坡腳失穩(wěn)；五是加強人工巡視及監(jiān)察監(jiān)測，及早發(fā)現(xiàn)跡象并采取有關(guān)措施，防止破壞發(fā)生。

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