粘性土堤滑坡成因分析及預防

郭 輝 閆冬梅 賈 濤

一、概述

2021年7—8 月，山東省濟寧市連續發生較大降雨過程11 次，一個月累計降水量達到837.8mm，最大降雨點日降量221.9mm。濟寧市某渠道沿線坡堤不同程度水毀，最為嚴重的是粘土坡局部段滑塌，致使混凝土襯砌表層開裂錯位，甚至整體襯砌位移；局部內坡受外側農田積水的滲透影響，出逸點周邊滲水嚴重，土層含水量極高，滲水不暢，導致出逸點以下坡腳滑塌，由青坎至渠道的河坡，呈圓弧狀滑動，拉動了襯砌的破壞；沿渠跨河橋梁20 座，橋臺接線處高填土與渠道深挖土的交界面，都發生不同程度的滑塌；局部段由于青坎坡腳的滑動，導致大面積截水溝倒塌水毀。

二、堤身不同滑塌情形和原因分析

（一）滑塌情形

1.復合式梯形渠道斷面，堤身高且無護坡而產生滑塌。由于堤頂面▽65～35m 分節設置，每節垂直高度10m，邊坡較陡，坡比1 ∶0.7，受連續暴雨影響，粘土含水量飽和（45%～55%），抗剪力降低，致使坡面發生滑塌。據現場考察，強暴雨對坡面破壞，首先形成雨淋溝，通過雨淋溝逐步擴大，淘深深度達到30cm 以上時，就易形成局部段滑塌。

2.橋頭接線處易形成滑塌。由于橋頭接線由▽35m 回填至▽65m，屬高填土，再加之斷面較窄，施工時不易碾壓到位，接線兩側無工程性保護，邊坡較陡，坡比為1 ∶1，造成境內20 座橋頭接線處均發生滑塌。

3.局部段受外側地表水影響造成河床的失穩。青坎▽35m 以下，局部段發生圓弧滑動，形成整體70m 位移。經現場考察，河床采用混凝土襯砌，未設置冒水孔，且墊層采用二布一膜，當遇到連綿暴雨，外側無排水出路，地表形成徑流匯集，不斷升高，造成局部外側水位達到▽38m 時，滲壓力增高，形成了坡體整體位移。

4.經查閱土質報告，局部段在▽40m 左右，有一層2m 厚膨脹土，80%左右的滑塌發生在▽40m位置的膨脹土回填段。膨脹土被雨水連續浸泡，土的性質發生變化，導致土坡滑塌。

（二）原因分析

1.粘性土特性誘發的滑塌

（1）粘土的一般特性為含水量高，孔隙比大。一般含水量在45%以上，高的可達90%左右，孔隙比e>1.0，抗剪強度低。軟土快剪凝聚力c<20kPa，若經長期雨水滲透與浸泡會迅速降低，如濟寧供水渠道周邊凝聚力經檢測多在10kPa 左右，土內摩擦角φ 原為8°～10°，浸泡后小于5°。隨著含水量加大，再在外力作用下，如滲壓力的作用和增高，土由可塑性狀態轉為流態狀態，此時液性指數IL ≤1.0，易形成水土流失，導致堤坡滑塌。

（2）滲透性小。軟土滲透系數一般在i×10-7cm/s以下，滲水性極差，靈敏度高，含水飽溶度大，不易逸出。一旦土質物理與力學性能降低，當滲透壓力大于土粒重力時易形成滲流破壞。

2.外力作用下產生的破壞

該土質層面經不住擾動，當堤身內含水量過大，外側水壓力增高，其外側力大于土粒重力，一旦超過極限值后，側向擾動也隨之增強，會使土粒形成擾動，導致土粒液化，使其層面抗剪強度顯著降低。此狀況下，極有可能出現垂直變形和水平位移，并會產生大面積滑動。

3.施工質量引發的工程失穩

（1）堤壩填筑土料要注重級配的選擇。在施工過程中如忽視對土粒的改良，施工時碾壓效果不佳，在雨水浸泡下容易出現滑塌。（2）設計時未考慮到特殊水情與工情變化，一旦堤身粘土孔隙水應力升高，因氣候變化產生干裂、凍融，粘土夾層雜土尤其高嶺土（膨脹土）因浸泡而軟化（液化），而使土質物理性能發生變化，導致渠坡發生位移。（3）無排水降壓設置。粘性土填筑的渠坡在滲透壓力條件下，無降壓出路，無冒水孔，在連綿暴雨中，導致局部段產生整體滑動。現場發現渠道形成圓弧滑動，對此每隔20m 打降水井，抽降地下水，使承壓水高度降低，滲透壓力得到了一定釋放，保證了整個渠道斷面的安全。

4.渠道斷面設計問題誘發的堤身失穩

對堤壩工程進行穩定分析時，通常假想原地基與填筑交界面為滑動面，以上土體看作剛體，并以其為脫離體，分析在極限平衡條件下各種作用力影響，并以整個滑動面上的平均抗剪強度與平均剪應力之比來定義安全系數。

依據正常穩定計算安全系數控制在1.2 較為合適，大于1.2 土體處于穩定狀態；小于1.2，土體處于滑動狀態或有滑動趨勢；等于1.2，土體處于臨界狀態。設計時，往往將壩身安全系數控制在1.0 以上，就認為是安全的；但受外界時空影響，土質原有物理與力學性能發生變化，造成安全系數降低。這種情況下原有渠道斷面顯然不能抗御異常天氣，從而造成局部段水毀的發生。

5.變異性地質條件誘發的堤身失穩

本次滑塌地段的高填土與深挖土中，都摻合夾帶著高嶺土（膨脹土），一旦遇水浸泡或干旱脫水，都會形成土體內部性質的改變。回填土與深挖段河床中，都有裸露斷面的呈現，受暴雨襲擊，就暴露了浸泡造成的影響。因此施工筑堤時，要重視土料的選配，避免高嶺土在正常水位以下，或進行襯砌保護，盡量減少裸露。

6.水土流失作用

長時間降雨對土堤表層土粒形成了不斷撓動，表層在雨水中形成土粒懸浮、液化，懸浮液化量增大成為泥漿，其抗剪力趨向于零，從而順著雨水一起下滑，造成局部段堤坡的滑塌。

7.外側力作用

臨近農田積水抬高，無排水設置，且混凝土襯砌墊層采用二布一膜隔水式設計不合理，誘發水毀問題。在單體面上，當滲壓大于土料重力時，就形成了整體破壞。

三、粘土渠堤坡滑塌預防措施

（一）優化渠道斷面的設計

設計時要充分考慮到異常天氣及環境帶來的安全隱患。坡面不宜過陡，此次滑塌的供水渠道局部斷面的坡比為1 ∶0.7，實踐證明是不安全的，應該按照《規范》要求：粘土呈硬塑狀態，坡高在5m 以內，坡比1 ∶1.25，大于5m 的，坡比應不小于1 ∶1.5。在青坎坡腳處，以及渠道河底角線以上1m 內，設置必要的冒水孔，幫助滲透壓力的釋放；若渠道坡面較陡，也可布設一定數量的降水井幫助降壓；混凝土襯砌與截水溝等護砌墊層不主張采用帶膜的土工布，不得將滲流出逸處堵死，要貫徹有利于上堵下排的設計理念；渠坡高度超過5m 以上，尤其橋頭接線處應設置工程性質襯砌。

（二）完善施工措施

若工程地處膨脹土區段，應有足夠的安全防范意識，在土料級配時，盡可能避免膨脹土摻入，若避免不了，應摻入適量石灰層，對土料進行改良處理；遇到較厚土層基礎，通常采用打樁法，解決土層基礎層面的安全；注重施工工藝和流程，確保碾壓效果，滿足設計壓實度要求；注重高填土與高挖土之間交界面的套壓，確保不留死角。

（三）加強運行管理，發現問題及時處理

工程管理單位應加強異常天氣下的檢查工作，現場一旦發現局部段形成坡面初期雨淋溝，應立即采用人工疏理，排除表面積洼水，避免雨淋溝擴大，有條件的也可用彩條布覆蓋，尤其是無護砌純土堤面，且坡高超過5m 以上，要作為防范重點進行覆蓋；管理單位正常巡查時，要根據沉降測點的數據對堤身安全性進行分析，一旦出現異常數據，應分析其原因，找出問題所在，及時處理不留后患。

四、結論

渠道滑塌水毀有多種形式，通過本次現場檢查，發現圓弧形滑動對安全性影響最大，這也是粘土渠道應防范的重點。目前穩定分析通常采用瑞典條分法進行。由于滑動圓心是任意假定的，因此所選滑弧不一定是最危險滑弧，一般通過試算，取得較小k 值所對應的滑弧就認為是最危險的滑弧。但通過實例觀測，發生在現場的幾條圓弧滑動片，長度與寬度都與理論值存在差距，需進一步研究完善理論數據，尤其是在異常氣候條件下，更要綜合考慮天氣、環境、工程地質等因素，對相關參數進行調整，從而取得可靠的穩定分析結果，為預防和處理渠道滑塌提供科學依據■