土工格柵在漳河灌區膨脹土渠道滑坡中的應用

王志兵，房文娟，楊振琨

(1.湖北省漳河土木工程設計院，湖北 荊門 448000；2.荊門市東寶區水務局，湖北 荊門 448000；3.黃河勘測規劃設計有限公司，河南 鄭州 450003)

1 工程概況

漳河灌區是一項跨流域引水灌溉的大型工程，灌區設計灌溉面積17.368萬hm2。灌區渠系工程包括總干、干、支干、分干、支、分、斗、農、毛渠等9級渠道，共13990條，總長7167.56km。其中三干渠自總干渠尾端取水，全長75.72km，設計流量91m3/s，實際流量達到60m3/s，灌溉荊門9.01萬hm2的農田。渠道底寬6～14m，邊坡1∶2，進口渠底高程108.39m，尾水閘底高程38.5m。三干渠渠道上膨脹土分布較多，膨脹土中礦物成分主要是蒙脫石，為一種高塑性粘土，一般承載力較高，具有吸水膨脹、失水收縮和反復脹縮變形、浸水承載力衰減、干縮裂隙發育等特性，性質極不穩定[1]。由于膨脹土常使渠道邊坡產生不均勻的豎向或水平脹縮變形，造成位移、開裂、傾斜甚至破壞，且往往成群出現，危害性很大[2]。三干渠7+000～7+340段左岸渠坡在2015年5月一次大暴雨后發生了滑坡，該段渠道為挖方渠道，渠底高5.4m，經過測量與勘察，渠道橫斷面圖及滑動面如圖1所示。

圖1 渠道橫斷面

2 膨脹土渠道滑坡體處理方案

2.1 土體物理力學指標

在滑坡現場取原狀土樣進行土工試驗，三干渠7+000～7+340左岸渠坡的自由膨脹率為65%，具有中等膨脹性，其超固結比(先期固結壓力與現存上覆壓力之比)大于1，具有超固結性。天然含水量26.89%，濕密度1.94g/cm3，干密度1.54g/cm3，孔隙比0.810，凝聚力(快)5.3kPa，摩擦角(快)10.0°，壓縮系數0.15MPa-1，壓縮模量12.0MPa。計算時，不計凝聚力。

2.2 土工格柵主要指標性能

選用TGDG8160型土工格柵，為HDPE材質[3]。土工柵格與土體拉拔摩擦系數由于沒有進行試驗，根據GBT50600-2010、SL18-2004《渠道防滲工程技術規范》取0.8tanφ，綜合強度折減系數采用3.5。TGDG8160型土工格柵的主要指標見表1。

與土工織物相比，土工格柵的拉伸強度及與土體的抗拔摩擦系數均較大，對土體的加筋效果更好[4]。

2.3 滑坡體加筋設計

采用土工格柵加筋回填土邊坡優化設計方案，將原滑坡體挖除后，邊回填原土，邊鋪設土工格柵，土工格柵長6～8m，垂直間距0.5m。上下層土工格柵搭接長度0.8m，從坡底到坡頂依次鋪設，同層土工格柵間采用細鉛絲拴接，每層土工格柵均為滿鋪[5]。鋪好土工格柵，回填土碾壓密實后，在邊坡上采用10cm厚C15砼護坡，設10cm厚砂石墊層，并做好碎石導滲溝與排水管[6]。

表1 TGDG8160型土工格柵主要指標

3 加筋邊坡穩定計算

3.1 整體穩定性驗算

三干渠7+000～7+340段渠堤為3級建筑物，該處渠堤雨后發生滑坡，為非常運用工況。根據GBT50600-2010、SL18-2004《渠道防滲工程技術規范》要求，允許值Fsr=1.1。按瑞典條分法核算其安全系數，即:

(1)

式中，Wi—第i土條重量；θi—第i土條底弧的仰角；Δli—第i土條底弧長；R—滑動圓弧半徑；yi—第i層加筋材料至滑弧圓心的距離；φ、c—邊坡填土的內摩擦角和凝聚力；Tai—第i層筋材的允許抗拉強度，取土工格柵5%伸長率時的拉伸強度90(kN/m)/3.5=25.71(kN/m)；n、m—土條數和加筋層數。

計算時選取最危險滑動面為滑坡滑弧，分項計算成果，如圖2所示，見表2、3。

對三干渠7+000～7+340段渠道膨脹土滑坡體加筋后，其穩定安全系數Fs=(681.62+1974.86)/816=3.26>1.1，滿足規范要求。設計筋材層數與層間距的布置合理，安全穩定性高。

圖2 加筋邊坡穩定性核算

表2 土條滑動力矩與阻滑力矩計算成果

表3 筋材拉力矩計算成果

3.2 內部穩定性驗算

3.2.1 筋材強度驗算

每層筋材均進行強度驗算，第i層單位墻長筋材承受的水平拉力Ti驗算，即[7]：

Ti=[(σvi+∑Δσvi)Ki+Δσhi]Svi/Ar

(2)

式中，σvi—驗算層筋材所受土的垂直自重壓力，kPa；∑Δσvi—驗算層筋材所受土的垂直自重壓力，KPa；Δσhi—驗算層筋材所受土的垂直自重壓力，kPa；Ar—筋材面積覆蓋率；Svi—筋材垂直間距，m；Ki—土壓力系數。

表4 每層筋材強度驗算

通過計算，每層筋材的強度均滿足規范要求。

3.2.2 筋材抗拔穩定性驗算

第i層筋材抗拔力Tpi應根據填土破裂面以外筋材的有效長度Lei與周圍土體產生的摩擦力計算，即：

Tpi=2σviBLeif

(3)

式中，f—筋材與土的摩擦系數，根據規范取0.8tanφ=0.14；Lei—筋材有效長度，即破裂面以外筋材長度，該長度最小不得小于1m；B—筋材寬度，m，筋材滿堂鋪時，B=1。

筋材抗拔穩定性的安全系數，按規范規定Fs不應小于1.5，取Fs=2，每層筋材有效長度，計算成果見表5。

表5 每層筋材有效長度計算成果

從表5計算成果，設計筋材有效長度按不小于3m計算，則三干渠7+000～7+340段滑坡處理的具體設計橫斷面，如圖3所示。

圖3 三干渠7+000～7+340段左岸滑坡處理設計橫斷面

4 方案對比

為驗證土工格柵加筋回填土邊坡處理可靠性和經濟效益，采用仰斜式擋土墻支護方案進行對比分析。仰斜式擋土墻墻高3.8m，頂寬1.0m，迎水面邊坡系數1∶2.5，背水面邊坡系數1∶2，墻趾寬1.0m，基礎埋深1.5m，擋土墻采用M7.5漿砌石砌筑，每12m分縫，縫中填充聚乙烯閉孔泡沫板，距渠底以上0.5m設φ80PVC排水管，排水孔縱向間距3m。

7+000～7+340左岸加筋土坡方案的主要工程量為：土方開挖151.79m3，土方填筑148.74m3，土工格柵15766m2，C20砼護坡327.42m3，C20砼腳槽38.52m3，C20砼壓頂16.05m3，總造價為64.85萬元。

仰斜式擋土墻的主要工程量為：土方開挖4327m3，M7.5漿砌石5203.41m3，聚乙烯閉孔泡沫板421.46m3，φ80PVC排水管738.3m，總造價為199.2萬元，約是土工格柵方案造價的3倍。

已建總干渠渠首段滑坡全部采用加筋土坡處理，且邊坡已運行12a，現狀邊坡穩定，運行良好。而其他渠段的仰斜式擋土墻，均發現有不同程度裂縫，排水管堵塞，甚至局部垮塌。探勘分析結果表明膨脹土濕脹作用的發展比原滑坡治理時更加顯著，仰斜式擋土墻已不能滿足穩定要求。

另外，加筋土坡可采用原膨脹土進行回填，而擋土墻墻背必須換填非膨脹土，但三干渠沿線膨脹土分布廣泛，非膨脹土料場非常少。采用加筋土坡優化設計方案，回填土料非常豐富且經濟。

5 結論

采用擋土墻處理膨脹土地區渠道滑坡，往往不能滿足邊坡長期穩定要求，而土工格柵對邊坡的加筋效果十分明顯，在膨脹土地區應用具有明顯的經濟性和可靠性。漳河灌區三干渠7+000～7+340段渠道采用土工格柵處理滑坡后，于2016年初完工通水，并經受了2016年湖北省“7·19”特大暴雨的考驗。目前，該段渠道運行良好，岸坡穩定。