鄂北地區水資源配置工程膨脹土臨時邊坡支護方式研究

胡汛訓 姚曉敏 袁葳

摘要：鄂北地區水資源配置工程膨脹土地段地質條件復雜、跨越線路長、邊坡開挖深度大。而且，膨脹土對工程施工安全危害大、判別難度大且其致災具有突發性。基于此，對該工程膨脹土段邊坡臨時支護方式進行了研究，依據邊坡的不同失穩類型提出了針對性的支護方式和處理措施，以使滑坡災害處于可控狀態。邊坡處理措施的實施保證了膨脹土邊坡開挖施工的高效有序進行，最大程度減少了人員傷亡和財產損失。

關鍵詞：膨脹土邊坡;基坑開挖;邊坡支護;鄂北地區水資源配置工程

中圖法分類號：TV551.4 文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.11.005

Abstract： The expansive soil area of North Hubei Water Transfer Project is complicated in geological condition， long in distance and deep in canal excavation. The identification of expansive soil is difficult and the accidents often occur in a sudden way， threatening construction safety of the project. Therefore， the temporary supporting measures for the expansive soil sideslope of the project were studied， and the tailored support and treatment measures were put forward according to the failure mode of the slopes to control landslide. The adopted measures ensured an efficient and orderly excavation construction of the expansive soil sideslope and minimized the casualties and property damage.

Key words： expansive soil slope; foundation pit excavation; slope supporting; North Hubei Water Transfer Project

1 研究背景

鄂北地區水資源配置工程（以下簡稱“鄂北工程”）以丹江口水庫為水源，利用已建的引丹灌區清泉溝隧洞進水閘為取水口，向鄂北地區供水。工程干線總長269.67 km，引水線路經過膨脹土分布區總長124.16 km，其中，弱膨脹性土分布段長114.55 km，占膨脹土總長的92.25%;中膨脹土分布段長9.61 km，占膨脹土總長的7.75%。膨脹土地段地處襄棗盆地，主要為中、上更新統黏性土。該黏性土具有弱-中等膨脹性，有卸荷膨脹、風化膨脹、遇水軟化膨脹和失水干燥收縮等特點。開挖后裸露的土層抗風化能力較差，土體脹縮變形后強度降低，邊坡易失穩[1]。

鄂北工程膨脹土地段地質條件復雜、跨越線路長、邊坡開挖深度大，對工程施工安全危害大，同時，膨脹土判別難度大且其致災具有突發性。鄂北工程自開工以來，暗涵段臨時邊坡出現了不同規模的滑坡約十余起。本文對膨脹土地段暗涵工程邊坡臨時支護方式進行了研究，重點研究暗涵工程中坡高大于15 m的臨時高邊坡，以期使滑坡災害處于可控狀態，保證膨脹土邊坡開挖施工的高效有序進行，最大程度減少災害引起的人員傷亡和財產損失。

2 工程區膨脹土特征及邊坡地質結構

2.1 膨脹土膨脹潛勢等級及分布特征

工程區膨脹土分布區處于南陽盆地南緣襄棗盆地內，地形地貌為崗地、崗波狀平原。地層為中更新統閻莊組（Q2ydl）和上更新統琚灣組（Q3jal），屬河湖相沖積和坡積成因。根據渠道沿線膨脹土探坑、河庫岸坡天然剖面以及鉆孔揭示情況，膨脹土在垂直方向顏色具有明顯的分帶性，主要可分為2層：上部以黃褐色、黑黃色為主，厚度約1.5 m;下部以褐黃色、紅褐色為主。鉆孔中揭示土中所含結核分布也具有一定規律，上部以鐵錳結核為主，底部以鈣質結核為主，且鈣質結核最大直徑達5 cm。開挖揭示情況也證明了局部灰白色或灰綠色黏土呈現出成層性的特點。

依據GB 50112-2013《膨脹土地區建筑技術規范》[2]，結合鄂北工程實際經驗，膨脹土的大氣影響深度可按3.0 m考慮，急劇變化帶深度為1.5 m。由于膨脹土的膨脹性在空間上分布具有不均一性，對該工程膨脹土區土體膨脹潛勢等級進行了初步研究。

考慮到工程安全問題，參考南水北調中線工程膨脹土的分類標準，類比引江濟漢工程，鄂北工程膨脹土膨脹潛勢分類按照樣本數的30%劃分，即按照由強到弱順序，當某一渠段某一膨脹潛勢等級的樣本數超過該渠段總樣本數30%時，即將該渠段膨脹土的膨脹潛勢等級定為首先滿足該等級。根據上述分類原則，劃分出工程區膨脹土膨脹潛勢分類，見表1。

2.2 膨脹土邊坡的破壞特征

膨脹土邊坡與其他土質邊坡相比，失穩形式規律具有特殊性。根據對國內外膨脹土開挖邊坡滑動現象的分析，可將最基本的特征和共同規律歸納如下[3]。

（1）季節性。滑動往往在持續降雨的情況下發生，降雨是主要的外部誘發因素。

（2）淺層性。多數屬淺層滑動，發育深度同裂隙發育深度及大氣風化影響深度基本一致，一般為2～3 m，通常小于6 m。

（3）逐級牽引性。滑坡一般是漸進式或牽引式，先在坡腳局部破壞，然后向上牽引發展，形成多層次滑動面。

（4）緩坡滑動。在相當平緩的邊坡上也會發生滑坡，邊坡的穩定坡角比一般土質的邊坡緩。

（5）變形的滯后效應。邊坡開挖后有較長的穩定時間，很多膨脹土邊坡在穩定數年后才失穩。

除了與當地氣象和地形條件等因素有關外，膨脹土滑坡的這些特征，主要由膨脹土本身特性決定。

2.3 施工階段膨脹土邊坡失穩現象

自鄂北工程開工以來，先后出現了不同程度的滑坡，其中，以2標段樁號10+350～10+440及9標段樁號109+596～109+678邊坡失穩較為嚴重。根據現有邊坡已發生的失穩象來看，滑坡有兩種典型失穩型式：①受裂隙面控制;②受大氣影響帶內膨脹土性質控制。

（1）滑坡。滑坡具有弧形外貌，且有明顯的滑床，滑床后壁陡直，前緣平緩，主要受裂隙控制。滑坡多呈牽引式出現，具疊瓦狀，成群發生[4]。一般滑體厚1～3 m。滑坡與大氣影響帶深度、土的膨脹性潛勢、土體結構及發育程度較密切，與邊坡高度無明顯關系。

2標段樁號10+350～10+440段袁沖邊坡和9標段樁號109+596～109+678段邊坡即為典型弧形滑坡形式，在開挖至一級馬道時，土體呈現灰白或灰綠色，膨脹性增強，裂隙發育。兩者也有區別，2標邊坡裂隙面發育，縫面較寬，走向明顯，滑床清晰可見。采用1∶2坡比削坡減載后，能在一定程度上抑止滑坡，但作用不明顯，原有滑坡仍進一步滑動，且同時又出現新的滑坡。現場地質勘探和室內試驗分析表明，袁沖暗涵段臨時開挖邊坡二級馬道以下存在2組長大裂隙發育的地層，裂隙面強度低，長大裂隙的存在導致了左右岸均出現失穩。因此，袁沖暗涵段膨脹土邊坡失穩初步判定為裂隙強度控制下的邊坡失穩。

9標邊坡裂隙面呈網紋狀分析，縫面較短，沒有一致走向。采用1∶2坡比削坡減載后，滑坡得到抑止，目前處于穩定狀態。

（2）溜塌。邊坡表層、強風化層內的土體吸水過飽，在重力與滲透壓力的作用下，沿坡面向下產生流塑狀溜塌。溜塌多發生在雨期。在各標段邊坡溜塌均有局部發生，目前邊坡失穩以此類為主。

2.4 邊坡地質結構類型

根據施工期地質素描成果，工程區膨脹土存在明顯的垂直分帶特征，綜合前期勘察成果及施工開挖情況，工程區膨脹土邊坡地質結構主要有3種類型（見圖1）。

（1）A類邊坡地質結構。上部為弱膨脹土，長大裂隙不發育;下部坡腳與基底為中等膨脹土，長大裂隙發育，長大裂隙面（軟弱結構面）和坡面易組合成滑坡體，從已開挖邊坡看，下部中等膨脹土體厚度一般為0～6 m，如2標袁沖暗涵，見圖2，3。

（2）B類邊坡地質結構。中等膨脹土以團塊或透鏡體形式賦存于弱膨脹土之中，網紋狀裂隙發育，裂隙具有隨機性特點，如10標，見圖4。

（3）C類邊坡地質結構。弱膨脹土和中等膨脹土成層分布，也有中等膨脹土以透鏡體形式賦存于弱膨脹土之中，網紋狀裂隙發育，裂隙具有隨機性特點，但是按照厚度1/3法則，邊坡應屬為中等膨脹土。

在絕大多數坡高超過15.0 m的坡段，邊坡膨脹土在垂向上分帶明顯，坡腳及基坑底部均分布中膨脹土，且裂隙面發育，大多充填有灰白或灰綠色黏土薄膜、條帶狀或斑塊，其礦物成分主要為蒙脫石，親水性強，具有軟化土體強度的顯著特性，見圖5。

3 工程區膨脹土邊坡支護方式

3.1基坑開挖要求事項

（1）膨脹土是一種富含親水性黏土的礦物，是隨含水量增減體積發生顯著脹縮變形的高塑性黏土。因此，膨脹土邊坡的截水、排水、防水是保障邊坡穩定的首要條件[5]。

（2）從2標段樁號10+350～10+440段邊坡和9標段樁號109+596～109+678段邊坡失穩現象來看，原施工采用一挖到底方式，直接由地表面開挖至建基面，邊坡高度直接達到最大值，往往來不及施加加固措施，邊坡就已經產生滑動。基于此，暗涵基坑高度大于10 m的不再采用一挖到底開挖方式。

（3）邊坡在開挖過程中，如遇灰白或灰綠色黏土層，或坡頂水平位移觀測點觀測數據達到警報值時，都應停止下挖。在此情形下，可開挖探槽，根據探槽揭示地質條件對邊坡穩定性進行超前判斷。邊坡在開挖至一級馬道時，必須由專業地質人員現場察看，確定土體性狀無明顯變化后，方可繼續下挖。

（4）邊坡監測是科學管理邊坡和正確處理邊坡潛在問題的依據[6]。在本文工程范圍內暗涵臨時邊坡大于10 m段布置水平及垂直位移測點。對于坡高大于15 m的邊坡段還應布置測斜管。

3.2 邊坡支護方式

根據上述膨脹土區開挖邊坡的地質結構分類，結合施工期間產生的膨脹土邊坡失穩情況，針對不同坡高及邊坡土體性狀，分別采取地質預判、預處理等方式進行邊坡防護[7-8]。

從2標段樁號10+350～10+440段邊坡和9標段樁號109+596～109+678段發生失穩現象來看，A類邊坡是治理重點。B、C類邊坡可按原設計圖紙施工，并做好邊坡截水、排水、防水。

（1）高度10 m以下邊坡。根據現有邊坡失穩現象，此高度范圍內邊坡失穩絕大部分以溜塌形式發生。從現場開挖來看，此高度區間的邊坡尚未發現中膨脹土體，裂縫不發育。若發生此類邊坡失穩，建議以清理為主，加強坡面防護，并在完成暗涵澆筑后盡早回填。

（2）高度10～20 m邊坡。在邊坡開挖過程中，如遇灰白或灰綠色黏土層，應停止下挖，且由專業地質人員現場察看，若土層符合A類結構，則采用傘形錨桿或錨筋樁加固后繼續下挖。

（4）高度20 m以上邊坡。應在邊坡坡頂、坡腳及每級馬道埋設水平及垂直位移綜合測點樁，監測點水平間距不宜大于20 m，同時在坡頂或馬道埋設測斜管。在邊坡開挖至一，二級馬道時，必須由專業地質人員現場察看，確定土體性狀無明顯變化后，方可繼續下挖。邊坡在開挖過程中，如遇灰白或灰綠色黏土層，應停止下挖，且由地質人員現場察看，若土層符合A類結構，則采用傘形錨桿或錨筋樁加固后繼續下挖。

邊坡位移監測警報值和膨脹土邊坡開挖分類措施見表2，3。

4結 語

目前，鄂北工程膨脹土段暗涵工程已施工完畢，且回填完成，對于膨脹土邊坡，尤其是臨時坡，施工應遵循“快速施工、及早封閉、注重防水”的原則。本文針對鄂北工程膨脹土邊坡的高度、失穩類型、膨脹潛勢等級及分布進行了組合、歸納，并在此基礎上研究分析，有針對性地提出了處理措施。這些措施在實際工程中取得了良好效果，有力保障了工程的順利推進。

參考文獻：

[1] 劉紅衛，鄧敏，趙志奇. 膨脹土地區高邊坡復合支護體系設計[J]. 工程建設與設計，2016（5）：59-63.

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[6] 蔡耀軍，？趙旻，陽云華，等. 南水北調中線膨脹土結構特性及其工程意義[C]//第三屆全國巖土與工程學術大會論文集. 成都：四川科學技術出版社，2009：20-22.

[7] 劉特洪. 工程建設中的膨脹土問題[M]. ?北京：中國建筑工業出版社，1997.

[8] 陳善雄. 強膨脹土渠坡破壞機理及處理技術[M]. 北京：科學出版社，2015.

（編輯：李 慧）