庫區某膨脹土岸坡穩定性分析及治理措施

程 雪，王彩虹，盧勇鵬

(湖北省水利水電規劃勘測設計院，湖北 武漢 430070)

膨脹巖土是一種常見的非飽和災害性地質體，主要由親水性強的高嶺石、蒙脫石、伊利石等組成，常表現為吸水膨脹、失水收縮、裂隙性和超固結性[1]。烈日、降雨、水位漲落等干濕條件循環交替，都會對膨脹土的強度特性和裂縫變形產生較大影響，給人類工程建筑帶來嚴重破壞。

丹江口庫區內存在大量膨脹土岸坡，以其中一處為例。該岸坡北臨丹江口水庫，岸坡長約400 m，坡腳高程約150 m，最大坡高10～12 m，在臨近海事局段較陡，坡度約55°～90°，主要為巖土質混合岸坡和軟巖質岸坡。

2014年10月，丹江口水庫蓄水位達到161 m時，臨近海事局辦公樓一帶岸坡發生明顯坍塌，岸坡快速后退，最近處距居民樓約50 m，部分已修建的混凝土護坡在庫水的沖刷下，出現大面積破損。由于組成岸坡的基巖為極軟巖，連同上覆土層，均具有膨脹性，抗沖刷能力較差，若不采取防護措施，將對岸坡上部建筑物的安全造成嚴重威脅。

1 地質概況

1.1 地形地貌

該膨脹土岸坡走向近東西，高程154 m以下為緩坡地形，坡度約為5°～15°；高程154～170 m段地形較陡，坡度約為35°～55°，海事局段岸坡由于岸坡坍塌局部形成垂直陡坎；高程168～171 m以上地形平坦。

1.2 地層巖性

工程區內出露地層主要由第四系(Q)和新近系(N)組成，分述如表1。

表1 地層巖性

1.3 地質構造

本區在大地構造上位于秦嶺褶皺系東南緣，跨北大巴山加里東冒地槽褶皺帶及南秦嶺印支冒地槽褶皺帶，東部緊鄰南陽～襄樊坳陷。工程區總體處于相對穩定的地塊上。

場地區巖層產狀平緩，傾角0°～6°，裂隙以垂直層面的短小裂隙為主。

根據《中國地震動參數區劃圖》(GB18306-2015)[2]，工程場地地震動峰值加速度為0.05 g，地震動反應譜特征周期0.35 s，相應地震基本烈度為Ⅵ度。

1.4 水文地質

場地區地表水體主要為丹江水庫，庫水位也是場區內最低排泄基準面。

場地區地下水類型主要為松散介質孔隙水和基巖裂隙水兩類。松散介質孔隙水賦存于第四系松散堆積碎塊石土、碎石土中，為上層滯水，主要受大氣降水補給，向下補給基巖裂隙或以泉水的形式出露于滑坡前緣或側緣；基巖裂隙水賦存于巖石風化裂隙中，主要受大氣降水或其上松散介質孔隙水補給，在巖體風化裂隙中運移，由于地形切割較深，且地形較陡，風化巖石透水性較強，賦存于裂隙中的水量較貧乏，且隨季節性變化明顯。

1.5 土、巖體物理力學性質

1.5.1 土、巖體膨脹性

針對岸坡上部中更新統沖積層(Q2al)土體和上第三系(E)基巖，分別在鉆孔中取原狀土樣和柱狀巖樣進行了室內膨脹性試驗。根據試驗數據，岸坡上部中更新統沖積粘土自由膨脹率平均56.0%，6組試樣中僅有1組自由膨脹率達到72%，總體而言該粘土呈弱膨脹性；岸坡上第三系(E)基巖自由膨脹率平均60.0%，11組試樣中自由膨脹率大于等于65%的有3組，占總量的27.3%，總體而言該基巖呈弱-中等膨脹性。

1.5.2 土、巖體物理力學性質

根據土、巖體力學試驗成果及工程地質類比[3]，岸坡土、巖體物理力學性質指標、地基承載力標準值建議值分別見表2、表3、表4。

表2 岸坡土體物理性質指標建議值

表3 岸坡土體力學性質指標建議值

表4 岸坡巖體物理力學性質指標建議值

2 岸坡特征

根據岸坡物質組成的差異性及地形特征，自西向東將岸坡分為兩段，分述如下：

1)第①段長度約170 m，為巖土混合岸坡。第①段岸坡典型剖面見圖1。

圖1 第1段岸坡典型剖面

高程154 m以上，岸坡坡度約為35°～55°。坡頂覆蓋1～3 m第四系中更新統沖積粘土(Q2al)，具有弱膨脹性；岸坡基巖產狀近水平，屬新近系(N)，上部基巖為泥巖、泥質粉砂巖，具有弱-中等膨脹性，中下部基巖為厚層疏松砂巖，疏松砂巖極易坍塌。

高程154 m以下，岸坡平緩，坡度約為10°～15°，覆蓋0.5～3 m第四系上更新統沖積粘土(Q3al)，岸坡基巖以新近系(N)粉砂質泥巖為主，產狀近水平，具有弱-中等膨脹性。

2)第②段長度約230 m，為軟質巖質岸坡。第②段岸坡典型剖面見圖2。

圖2 第2段岸坡典型剖面

高程152 m以上，岸坡坡度約為15°～20°，新近系(N)泥巖、泥質粉砂巖裸露，產狀近水平，基巖具有弱-中等膨脹性。坡頂局部有擋墻、后部填筑有人工堆積含碎石粘土，具有弱膨脹性，最大厚度7.9 m。

高程152 m以下，岸坡平緩，坡度約為2°～8°，覆蓋0.5～4.6 m第四系上更新統沖積粘土(Q3al)，下部基巖為新近系(N)粉砂質泥巖，產狀近水平，基巖具有弱-中等膨脹性。

3 岸坡穩定性分析與評價

3.1 穩定性現狀

根據現場調查，各段岸坡穩定性現狀如下：

1)第①段由于沖刷淘蝕，普遍見有坍塌現象。水庫蓄水至160 m時，該段出現明顯坍岸，岸坡坡頂前緣可見明顯裂縫，縫寬一般2～7 cm，庫水沖刷掏蝕坡腳，坡腳可見崩落的巖土體，并形成空穴。

2)第②段岸坡整體穩定，高程154.5～149.8 m沖刷破壞明顯，坡腳前期防護修建的混凝土面板已完全損壞。

3.2 破壞模式分析與預測

依據地質資料，結合現場實測斷面數據，岸坡穩定坡角選取為11°，并以此作為庫岸再造預測依據[4]。各岸坡段破壞模式分析及預測如下：

1)第①段巖土混合岸坡，基巖產狀近水平，岸坡位于庫水位頻繁波動帶內，坡腳為厚層的疏松砂巖，被庫水淘蝕，形成凹陷、空洞，導致上部懸空，產生坍塌破壞。預測該段岸坡遭受沖刷、侵蝕作用后，岸線逐漸垮塌后退。由于坡腳厚層的疏松砂巖極易坍塌，依據穩定坡角，預測庫岸再造寬度約60 m，危及海事局擋土墻地基穩定，同時海事局擋土墻由于庫水沖刷浸泡產生變形破壞。

2)第②段軟巖質岸坡，隨著時間推移和庫水位變化，該段岸坡部的沖刷、侵蝕作用將會加劇，預測坡腳已破損的混凝護面將會進一步發生破裂、懸空等損壞，庫岸再造寬度103 m，可能對坡頂建筑物造成破壞。

3.3 穩定性評價

根據岸坡穩定性現狀、岸坡破壞模式分析與預測，可以判斷：

1)第①段岸坡154～164 m范圍岸坡已普遍坍塌，穩定性差。

2)第②段岸坡152 m以下岸坡沖刷、侵蝕破壞明顯；目前整體處于基本穩定狀態，在庫水作用下可能進一步產生坍岸。

4 防護措施

水庫蓄水后，水位頻繁變化，受巖土體強度降低的影響，膨脹土岸坡穩定性隨之降低，導致出現變形，因此治理措施考慮穩固坡腳、坡面按設計坡比削坡并防護的綜合方案。同時，根據項目區20年一遇回水位高程，該膨脹土岸坡治理工程防護頂高程為170 m(吳淞高程)。

從安全可靠、經濟合理、施工難易程度及庫區美化等多方面綜合考慮，工程治理方案由坡腳至坡頂見表5，典型治理剖面如圖3。

表5 工程治理方案

圖3 治理措施典型剖面

坡面按設計坡比修整坡面。坡腳設置混凝土護腳墻；在坡面高程160m、165m(吳淞高程)處各設置2 m寬馬道。混凝土護面板的厚度按照《堤防工程設計規范》[5]D.3.3式進行計算，其計算公式為：

式中：t為混凝土護面板厚度，m；η為系數，開縫板取η=0.075；H為計算波高，取H1%；rb為混凝土板的重度，kN/m3；r為水的容重，kN/m3；L為波長，m；B為沿斜坡方向的護面板長度，m。

經計算，護面板厚度取0.25 m。

工程實施后，提高了岸坡的整體穩定性，也美化了庫周環境。

5 結 語

1)本文以丹江口庫區某膨脹土岸坡治理工程為例，介紹了岸坡基本地質條件、岸坡特征，并進行穩定性分析與評價，從而提出治理措施。

2)選取合適的穩定坡角，是預測膨脹土岸坡的再造范圍的重要依據。

3)對于膨脹土岸坡，采用按設計坡比削坡、混凝土護面板、格構綠化等綜合措施進行治理，達到了治理效果，節約工期，同時也美化了周邊環境，為庫區同類型地質災害治理提供了一種思路。