攔河壩滑坡變形及阻滑成因研究

趙青宇 李冬州

一、概述

水工建筑物施工需進行圍水筑壩的前期工作，通常做法是就近取土倒入選擇的壩址上，逐步堆積形成攔河壩。由于取土料的性質不同，壩基的淤土厚度不同，再加之水情與工況的不同，經(jīng)常遇到的問題是隨著填土高度的增加，一旦壩址淤泥土不能承受上部壩體的重量，就會在交界面形成較大的滑動面，導致沉陷和坡面滑動。一般河床中，積淤厚度達到2m左右，由于土料直接倒入淤泥中，其淤泥的含水量達到40%以上，其可塑性和流動性較大，土料入淤后，形成了“淤包土”，隨著壩體的增高，此時受到了重壓力的作用，形成了液化，導致了填筑土料的流失，使淤泥土量增加。當壩體達到設計斷面后，產(chǎn)生了滑動面上移的情況，從而形成更大的沉陷和滑動。本文對如何解決筑堤土料和壩基淤泥的隔絕，使土料形成整體的壩體，減小滑動面的上移進行研究探討，對保障攔河壩圍堰工程的安全和進度具有一定的積極意義。

二、土壩滑坡實例

徐州新沂和宿遷市幾個大中型水工建筑物加固工程均處于駱馬湖周邊，在對原水工建筑物加固施工前需填筑攔河壩。其河底寬度在70～100m，水面寬度在100～200m，圍堰填筑的深度為6.5m（14.5～21m），壩前水位5m，壩址淤泥厚度達到2m左右。施工主要方法是就地取土，直接倒入選擇的壩址上。壩體形成后，受到壩體重量和壩前后水壓力差的作用，發(fā)生了不同程度的滑動。根據(jù)施工實例發(fā)現(xiàn)，施工壩填筑期間，先后有幾次變形，最大變形發(fā)生在筑壩的初期，壩體出水1～2m以后，導致壩體向背水面位移3～5m，垂直位移達到了2.5m左右，使其水面以上壩身在受到位移后發(fā)生傾覆。依據(jù)施工前閘身引水段測量圖，其中某項目原勘測前清淤量為1.5萬m3，而當壩體填筑驗收抽水后，由于坡面的滑動，造成填筑材料流失，閘前淤積量增加到6.5萬m3。未筑壩前河床淤積高度為20cm左右，且閘門啟閉基本自如，河床被淤積后閘門處淤泥淤至胸墻，使河床抬高了2m，導致閘門無法啟動。該地區(qū)采用的填筑材料大部分為砂壤土，筑壩過程中會形成不同程度的變形。

三、坡面變形及阻滑機理分析

1.壩體變形機理

壩址為軟弱淤泥層，土壩施工時水下部分無法碾壓，基本處于松散狀態(tài)，一旦壩體填筑至水面，對水位以上土層分層碾壓。由于受下層飽和土的影響，起初碾壓效果不佳，正常會出現(xiàn)土層偏厚，碾壓不實，鋪土接頭處漏壓，碾壓不到位形成的局部滲水，這種現(xiàn)象給坡面滑動埋下了伏筆。但其主要原因仍為滑坡體發(fā)生在水位以下，壩身段被水和壩基淤土所浸泡，隨著水位上壩體填筑加快，機械的碾壓造成荷載不斷加大，導致滑坡體沿著最弱滑動層面發(fā)生滑動是必然的。一般壩體滑動在水位交界面發(fā)生，由于水位交界面上下層土料壓實度及含水率、飽和度差異較大，形成明顯的交界縫，這部分土層連同壩基淤泥，形成了一個下滑的連續(xù)體，帶動了整個壩的滑動和傾覆。故一般發(fā)生的滑動面為連續(xù)分布，長度、寬度都牽涉到全壩體的位移，滑動傾覆極限正常平至水面。通過對失事壩體的現(xiàn)場勘測和分析，首先從基礎開始淤包土，又延伸到在水位交界面形成明顯的離析面，即呈伸縮縫狀，從而導致了滑坡體產(chǎn)生。其破壞過程從淤泥壩底層面開始再向兩側不同程度擴散，在背水面水位較大時向內側偏位較大；淤土層與填筑土料隨著上部荷載增大，下部出現(xiàn)明顯的剪切裂縫，一旦發(fā)育完全，壩體出現(xiàn)了自下而上的拉伸裂縫，直至完全傾覆，這種滑動破壞屬于“牽引式”滑坡破壞。因此重點是解決土料填筑與壩基淤泥之間的隔離，采用土工織物作為軟體沉排，使之形成隔離，避免滑動時將填筑土料帶入形成整體傾覆，減少大的滑動。

2.隔離法機理

依靠有紡土工布織物具有高抗拉、抗頂穿及撕裂強度高的特性，確保壩體的安全。土工織料要整體連續(xù)，具備良好的柔韌性、耐堿性及耐生物侵蝕性等，在受力變形、環(huán)境變化時不被破壞。土工織物作為受力結構體，不僅在筑壩時能起到隔離作用，也能起到阻滑的作用。其寬度為河床寬度，長度根據(jù)壩體長度需求進行設計，以保證足夠的防滲及安全穩(wěn)定。計算公式為：L=CH（式中：C為土料滲透系數(shù)，依據(jù)安全性、建筑物等級一般取8～12；H為施工期間上下游水位差）。

四、土工布隔離法的應用

在確定壩址后，盡可能將壩基淤土層進行一次清理，減小淤泥的厚度，并采用有紡土工材料作為排體，對排體進行局部段加筋，并設一定的拉扣套置在岸邊的樁位上。由于壩填筑時河床水深達到5m以上，為便于施工，將裝好的織袋土放置在壩體的囊中，囊口深度在1.5～2m之間。當壩體形成一定的重量后，逐步放置兩側的拉繩直至沉入水中。在軟體沉排與淤泥交界面形成滑動時，囊口可以起到一定的阻滑作用，從而使滑動面在產(chǎn)生垂直向下的作用力與側向力時能形成一個較高的摩阻系數(shù)，有效地避免較大滑動面的產(chǎn)生，也可使土料得到充分使用。

五、效果分析

1.綜合效益及技術可行性、實用性

軟基沉排在二十世紀五六十年代攔河壩圍堰的施工中曾經(jīng)運用過，過去運用的形式是采用竹排加載整體下沉的方法使壩基減少滑動，從而加強壩體的穩(wěn)定性。目前采用土工布復合材料作為排體，并根據(jù)施工的實際需求，對壩體進行設計改造，增強土料的使用效果，對節(jié)約土地資源有一定的積極意義；同時更好地解決了壩體填筑后無規(guī)則的變形，形成有序可控的變形；也更好地解決了筑堤土料受淤土包裹而造成壩體重量的增加，從而形成滑動面上移情況，有力保障了壩體施工過程和運行后的安全穩(wěn)定。

2.資源保護性

采用土工布隔離法可減少對臨時用地的占用，尤其減少了土料流失，增大了恢復土地原有狀況的可行性，經(jīng)濟效益顯著；同時也起到了保護環(huán)境、減少污染的作用。

六、綜述

筑壩過程前后發(fā)生的滑動是各種因素共同作用的結果，通過研究現(xiàn)場筑壩前后壩體滑動失穩(wěn)破壞現(xiàn)象，可知其基本原因為上部荷載增加而形成了壩基面上薄弱層的滑動。因此，為使壩體內部阻滑動力增強，需從施工方法、施工速度上加以控制，更重要的是從壩基上采用阻滑鋪墊、增強排體上方土料的整體性等綜合因素考慮和解決，注重對壩址的基礎處理，在壩基淤土厚度較厚時采用土工織物鋪設，并通過對排體工藝改造起到限制筑壩土料的變形阻滑作用，從而達到增加地基穩(wěn)定性的目的■