毗河供水一期工程總干渠穿越成都粘土區明渠高邊坡滑坡原因分析及處理

(資陽市水務投資有限責任公司，四川 資陽，641300)

1 滑坡基本情況

1.1 已滑坡部分概況

毗河供水一期工程自2016年10月以來，共進行了4段成都粘土覆蓋區的明(暗)渠開挖施工，實際情況揭示，各渠道在施工階段就出現了不同程度的滑坡現象，截止2017年3月2日數據統計，已施工的4段渠道工程中，左側邊坡滑坡443.6m，右側邊坡滑坡572.8m，直接造成工程施工停止，對工程建設產生了嚴重影響。

表1邊坡滑坡情況統計

1.2 分析重點與范圍

毗河供水一期工程穿越成都粘土區渠道總長度約11000余m，設計開挖深度從4m～10m不等，粘土覆蓋層厚度從3.5m～19m不等，設計斷面較多，類別復雜。本文主要結合已施工的980m明渠段滑坡情況，對設計開挖深度為6m～10m，粘土厚度≥6m的渠段類型進行分析，介紹闡述邊坡處理方法及應用效果。

2 滑坡段基本資料

2.1 地質條件

2.2 水文條件

滑坡區域地下水位較高，且無外排出口，地下水類型以孔隙、裂隙水為主，受地表滲水和大氣降水補給。降雨時，地層含水量明顯增大，土體出現飽和。

2.3 物理參數

對該段工程的粘土層取樣進行試驗，其天然含水量為28.1%，飽和度90.3%，壓縮系數av0.1～0.2=0.380MPa-1、壓縮模量Es0.1～0.2=6.634MPa，滲透系數K=1.10×10-6cm/s，自由膨脹率59%，飽和快剪φ=8.34°、C=22.4kPa，飽和固結快剪φ=13.85°、C=22.1kPa，表明該粘土天然含水量較高，中等壓縮性、中等膨脹性、微透水性和較低的抗剪強度，具體參數詳見表2。

表2成都粘土物理力學參數建議值

3 失穩成因及演變機理分析

3.1 原因分析

該段明渠工程粘土覆蓋厚度平均約7.8m，邊坡基本由成都粘土組成，工程地質條件差，結合現場施工情況，對該段工程邊坡滑坡進行綜合分析，認為產生滑坡的原因主要是自然因素和人為因素兩個方面。

3.1.1 自然因素

(1)地下水作用

成都粘土的物理性質表明其具有明顯的遇水膨脹、失水收縮的特點，根據室內試驗，本段工程邊坡垮塌土體天然含水量為28.1%，含水量較大，部分滑動帶土體處于飽和狀態，而水的作用對邊坡的影響極其明顯，水會在土顆粒表面形成水膜，影響土體顆粒之間的作用力，進一步降低土體的抗剪強度。

(2)降雨作用

一是降雨對邊坡施加了一個相對的豎向壓應力，同時雨水形成的徑流會對邊坡產生一個較大的沖刷作用，影響邊坡坡面的穩定；二是降雨入滲會使部分不飽和土體逐漸飽和，顯著增加土體的重度，而土體在吸水后發生明顯膨脹，增大的膨脹力會對周圍的土體形成擠壓，進一步加大滑坡趨勢；三是雨水的滲入會進一步抬升地下水位，使水位線變的陡峭，土體滲流力增大，同時滲透引起的動水壓力也會增加土體的剪應力。

(3)大氣作用

工程位置位于亞熱帶濕潤季風氣候區，大氣作用對邊坡表層部分影響較大，本段工程在施工中采用了全線開挖，而開挖后的邊坡又長期暴露未采取任何保護措施，致使邊坡表面長期與空氣接觸，邊坡表層2m～3m范圍的土體特性產生較大變化，導致土體內部出現了干裂，進而使土體抗剪強度進一步變低。

3.1.2 人為因素

(1)卸荷作用

邊坡開挖打破了原有的土體平衡狀態，致使坡腳臨空，失去了橫向支撐，邊坡的側向荷載被卸除后，粘土內部的裂隙得到擴展，同時在邊坡開挖后，坡腳出現較大的應力集中現象，加劇坡腳土體的擠壓破損，使邊坡坡腳極易失穩，產生牽引式滑坡。

(2)施工方法作用

一是渠道施工開挖過程中，施工道路布置不合理，多沿渠頂邊緣布置，重型運輸機械在行駛過程中增加了邊坡上部的附加荷載和振動效應，對邊坡的穩定造成了較大影響；二是開挖方式采用全線開挖，而未進行分段間隔開挖，在部分開挖深度較大的地段也沒有采取保護性措施，導致邊坡產生蠕動變形致使失穩滑坡。

3.2 邊坡失穩過程演化分析

根據以上分析，該段明渠邊坡失穩主要受到施工方法、地下水位、大氣環境、降雨入滲、土體特性等參數的影響。其失穩演化過程主要表現為：開挖導致坡腳應力集中→無保護措施致使邊坡蠕變→大氣、地下水作用導致土體抗剪強度降低→降雨入滲增加額外荷載→多重作用導致局部裂隙擴展→產生滑動趨勢→出現滑坡。具體過程為：

(1)受施工開挖和重力作用，坡腳出現應力集中現象，在此基礎上，坡腳首先追蹤土體內部原有軟弱結構面，導致結構面的剪切應變軟化，然后逐漸向邊坡上部擴展，增大軟弱結構面的長度與開度；

(2)在此過程中，降雨、地下水、大氣等發揮作用進一步促使應力沿軟弱結構面向后發展，形成一條沿節理的貫穿性軟弱結構面，隨后滑體與后緣尚處于穩定的土體逐步脫開，最后形成牽引式滑坡；

(3)以上各影響因素幾乎同時發生，又相互促進，綜合作用下使邊坡出現滑坡，因此，治理邊坡時應全面考慮，綜合治理。

4 工程處理措施

為解決成都粘土覆蓋區明渠邊坡的穩定問題，切實減少邊坡滑坡所造成的的損失，保障工程建設的有序推進，根據實際情況和類似工程經驗，經參建各方深入論證和審慎研究，對原設計方案進行了修改，圓滿解決了施工期和建設期的渠道穩定問題。

4.1 原設計方案

原設計方案為全挖方梯形渠道，渠道高度5.97m，底寬2.52m，縱坡1/7000，渠坡坡比1∶0.75，C15混凝土面板襯砌，厚度10cm，面板下部鋪設復合土工膜防滲。渠道原設計典型剖面如圖1所示。

圖1 原初設方案斷面

4.2 變更方案比選

根據現場實際施工情況來看。原有設計方案已無法滿足需要，為確保工程建設和運行期的安全，初步擬定了板樁墻、暗涵、抗滑樁等方案進行比較。

方案一：板樁墻方案。矩形過水斷面，過流尺寸9.0m×4.614m(寬×高)，C25鋼筋混凝土抗滑樁，樁頂沿縱向設冠梁，橫向設拉桿，側墻厚度0.3m，底板厚度0.1m。其中樁基直徑1.2m，樁長11m～15m，樁間距2m。

方案二：雙孔暗涵方案。暗涵縱坡i=1/7000，結構為雙孔城門洞形，單孔底寬5.5m，直墻高3.4m，頂拱中心角180°，半徑2.75m，C25鋼筋混凝土襯砌，厚度0.6m。

方案三：抗滑樁方案。梯形過水斷面，渠道設置單排C25鋼筋混凝土抗滑樁，渠內邊坡采用2.0m厚砂卵石換填，渠道過水斷面內設置排水設施，樁基采用C25鋼筋混凝土，樁距2.5m，樁長12m。渠內C15混凝土襯砌，厚度0.1m。

表3技術經濟對比表 單位：延m

從表3可以看出，三種變更方案在技術上均可行的前提下經濟指標接近，其中雙孔暗涵方案投資最少，但是成都粘土力學性質復雜，根據已施工的部分暗渠在施工階段邊坡即出現垮塌的情況，為保證施工期的邊坡穩定，避免新增用地，最終確定采用方案一(板樁墻，樁徑1.2m，樁距2m)，樁基深入底板以下深度≥6m。

圖2 變更后渠道斷面

4.3 施工期邊坡穩定驗算

對于該類型渠道，開挖施工采用兩步進行，首先完成設計樁頂高程以上的邊坡開挖，隨后進行抗滑樁施工，抗滑樁強度驗收完成后，再進行矩形渠身開挖。施工期邊坡穩定驗算根據施工方式分兩種工況進行，計算方法采用單一安全系數畢肖普法；抗剪強度采用三軸壓縮儀測定值，指標按線性強度準則選用，計算程序采用理正邊坡穩定分析軟件，計算標準采用《水利水電工程邊坡設計規范》(SL 386-2007)。

表4計算參數取值

圖3 渠坡穩定計算簡圖

4.4 施工期邊坡穩定效果評價

計算結果表明，施工各階段的邊坡穩定系數均滿足規范要求，在實際施工運用中，良好地解決了施工期邊坡垮塌問題，達到了預期效果，為工程順利推進創造了良好條件。

5 結論

(1)成都粘土的工程性質較差，遇水極易軟化、崩解，在工程施工時極易產生滑坡等不利影響。因此，在勘察設計階段應對此類特殊地質問題進行詳勘，并進行專項設計與評估，避免在施工階段進行補勘和設計變更，盡量減小對施工階段的影響。

(2)本段施工開挖形成的邊坡滑坡除了受到自身力學性質的影響外，還主要受施工工藝、降雨入滲、地下水活動、大氣循環等作用影響。在實際施工時，必須要合理選擇施工時段，避免采用全線開挖的施工方法，開挖后須及時完成后續工作，并回填封閉，最大程度減少滑坡風險。

(3)水利工程中的渠道工程，其永久結構的穩定計算往往可以滿足規范要求，但施工期的邊坡穩定支護方案卻容易被設計單位忽略，尤其是對于復雜土體施工期臨時邊坡的穩定，施工單位一定要妥善處理，不能盲目施工。

(4)關于成都粘土明渠開挖高邊坡的穩定問題，可以采用板樁墻+植草護坡的方式進行處理。實踐證明，此方案可以有效地支擋滑坡體，保證施工期的邊坡穩定，也將對渠道后期運行產生積極影響。