高邊坡膨脹土在水利水運(yùn)工程中處理措施研究

◎ 梁興

1.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院；2.安徽省引江濟(jì)淮集團(tuán)有限公司

1.工程背景及研究現(xiàn)狀

膨脹土在我國(guó)分布超過20多個(gè)省、市，總面積超過10萬km2，在廣西、河南、安徽等地更是普遍存在，而且與人口居住和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)密集區(qū)高度重合，超過3億人生活在膨脹土分布地區(qū)[1]。近些年來，隨著基礎(chǔ)設(shè)施、交通及水利等工程建設(shè)的不斷開展，膨脹土的存在對(duì)工程邊坡穩(wěn)定性影響突出，嚴(yán)重威脅工程安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展[2]。然而，由于膨脹土的地質(zhì)成因和類型差異，加之不同環(huán)境因素的影響，其邊坡災(zāi)害類型、模式和發(fā)展條件十分復(fù)雜，并且具有反復(fù)出現(xiàn)、長(zhǎng)期潛伏等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的換填和擋墻、卸載、支護(hù)樁等剛性支護(hù)措施，無法適應(yīng)膨脹土的內(nèi)部相互作用要求，導(dǎo)致處理效果不夠理想，耐久性較差甚至短期后即完全無效，造價(jià)巨大但效果不理想，成為工程頑疾[3]。劉斯宏等提出采用袋裝膨脹土組合技術(shù)研究，利用土工袋改變土體水平、豎直方向滲透系數(shù)[4]，葉為民等研發(fā)了“表-淺-深”膨脹土邊坡韌性生態(tài)防護(hù)技術(shù)，并初步形成了綜合技術(shù)體系[5]，王艷芳等提出了利用聚丙烯纖維等抑制膨脹土內(nèi)部裂隙發(fā)展，改良其物理力學(xué)特性[6]，鄒維列等研究認(rèn)為傳統(tǒng)的剛性支護(hù)經(jīng)濟(jì)性、合理性不理想，提出了土工合成材料在膨脹土邊坡治理方面應(yīng)用效果好、經(jīng)濟(jì)成本低[7]。

圖1 樁號(hào)36+000～52+000段泥巖自由膨脹率沿里程變化散點(diǎn)圖

2.工程地質(zhì)條件

巢湖至江淮分水嶺北側(cè)段地貌上為壟崗—丘陵，或?yàn)闇\而寬的溝谷，該段為膨脹土分布區(qū)，土的膨脹潛勢(shì)一般為弱～中等。此類土層原始抗剪強(qiáng)度高，但在水的干濕交替環(huán)境作用下，土層抗剪強(qiáng)度會(huì)逐漸衰減，在雨淋、水流、浪擊等共同作用下，新開挖的河流、渠道、湖岸等邊坡易發(fā)生崩塌、滑坡現(xiàn)象；土體失水后易產(chǎn)生干裂、收縮現(xiàn)象。

某水利工程輸水線路有超過100 km的河段分布有弱、中等膨脹趨勢(shì)的膨脹巖土及少量崩解巖，巖土體工程特性特別復(fù)雜，且上述河渠開挖深度一般在20m以上，最大挖深達(dá)46m，因此，膨脹巖土及崩解巖段河道工程建設(shè)成為關(guān)鍵控制因素之一。

工程局部需進(jìn)行深度開挖，根據(jù)工程地質(zhì)報(bào)告成果，河渠開挖邊坡為土、巖混合邊坡，上部為中膨脹重粉質(zhì)壤土，最厚處約19m；下部為具有崩解和膨脹特性的泥質(zhì)粉、細(xì)砂巖，最厚處約31.2m[8]，高邊坡尤其是膨脹土邊坡的穩(wěn)定事關(guān)施工期和運(yùn)行期人員和船只安全，需引起高度重視。

表1 線路崩解、膨脹性軟巖分布一覽表

已有工程經(jīng)驗(yàn)表明，膨脹土邊坡由于受大氣干濕往復(fù)作用會(huì)產(chǎn)生淺層失穩(wěn)。對(duì)此，針對(duì)膨脹土層較深的80+487.8（右岸）斷面進(jìn)行了復(fù)核，膨脹土邊坡的表面“大氣影響帶”取影響深度3.4m，膨脹土強(qiáng)度值取殘余值，而“非影響帶”仍取強(qiáng)度折減值。除施工期外，各種工況抗滑安全系數(shù)最小值稍有減小且仍均滿足規(guī)范要求，但淺層滑動(dòng)不明顯，只有當(dāng)殘余值相對(duì)于折減值很小時(shí)（試算c=8.0kPa，φ=13°），淺層滑動(dòng)才局限于“大氣影響帶”內(nèi)。雖然只有當(dāng)膨脹土殘余強(qiáng)度值較小時(shí)才發(fā)生淺層滑動(dòng)，但由于膨脹土的特殊性，根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，若不對(duì)其表面進(jìn)行防護(hù)，任由其表面暴露于大氣中，干濕交替，膨脹土強(qiáng)度會(huì)越來越低，若干年后將會(huì)使膨脹土的殘余強(qiáng)度值小于滑動(dòng)面的臨界強(qiáng)度值，將會(huì)出現(xiàn)滑坡，因此，工程設(shè)計(jì)中對(duì)邊坡表面膨脹土采取換填水泥土及護(hù)坡等隔離措施，以增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性的措施是必要的。

3.處理措施分析

3.1 土工膜與水泥改性土換填防護(hù)方案

土工膜覆蓋綜合造價(jià)低于水泥改性土換填方案，根據(jù)目前觀測(cè)資料顯示，采用土工膜覆蓋的區(qū)域三、四級(jí)邊坡原土體含水量變化和邊坡位移量均較小，該方案同樣可行。然而，土工膜覆蓋方案不適合大范圍推廣，主要因?yàn)椋阂皇峭凉つご竺娣e施工容易造成不可避免的人為破壞，質(zhì)量難保障；二是人工施工效率低，難以完全結(jié)合，分層處容易出現(xiàn)軟弱滑動(dòng)面；三是缺少“壓重”，難以有效抑制膨脹土漲縮變形[9]。考慮以上因素，推薦采用水泥改性土換填方案。

3.2 水泥改性土換填方案

根據(jù)水泥摻量對(duì)改性土不同齡期的不同工程性能指標(biāo)影響研究結(jié)果，同時(shí)考慮實(shí)際工程與室內(nèi)試驗(yàn)碎土級(jí)配差異，確定了摻灰土水泥摻量為3%～5%，小于3%達(dá)不到改性效果，大于5%改性效果沒有顯著變化。試驗(yàn)工程在弱膨脹土區(qū)水上邊坡均采用1.0m 厚的改性土換填。從目前的觀測(cè)數(shù)據(jù)來看，相對(duì)于裸坡試驗(yàn)，改性土以下邊坡土體含水量變化幅度不大，表明換填改性土后能較好地減弱膨脹土邊坡與大氣間的水氣交換，從而保持原邊坡土體含水量基本穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了防滲減蒸發(fā)的作用目標(biāo)。從南水北調(diào)中線等工程經(jīng)驗(yàn)來看，換填1.0m改性土對(duì)弱膨脹土邊坡就能夠起到較好的防護(hù)效果，無論從原理上還是效果上來看，加大換填厚度都是沒有必要的。同時(shí)，考慮到施工碾壓機(jī)械寬度，對(duì)于1:3的設(shè)計(jì)邊坡，1.0m水泥改性土換填厚度較為合適。在中膨脹土區(qū)水上邊坡均采用1.5m改性土換填，可以顯著地減弱了膨脹土邊坡與大氣間的水氣交換，對(duì)中膨脹土邊坡建議選用比弱膨脹土略大的換填厚度，從而可以通過適當(dāng)增加壓重，來減小其脹縮變形量，同時(shí)也更好地減弱其邊坡土體含水量受大氣影響程度。

3.3 錨固方案

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果提出工程錨桿長(zhǎng)度控制值，弱膨脹土中鋼筋、GFRP筋錨桿不宜小于5.0m；軟巖中鋼筋錨桿不宜小于3.5m，GFRP筋錨桿不宜小于3.0m。對(duì)于錨桿間距，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)抗拔力要求及混凝土面板參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，將抗拔力轉(zhuǎn)化為地基反力作用于混凝土面板上，混凝土面板簡(jiǎn)化為四邊錨桿角點(diǎn)支撐的雙向板進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。同時(shí)根據(jù)《巖石錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》（GB50086-2015）第8.3.2條的規(guī)定，錨桿間距為1.25～3.00m，且不應(yīng)大于1/2錨桿長(zhǎng)度，本工程同時(shí)兼顧施工要求，當(dāng)混凝土面板采用150mm厚時(shí)，推薦采用錨桿長(zhǎng)度為5m，錨桿間距為2.5m（坡面法向間距），錨桿垂直于坡面，錨點(diǎn)處混凝土厚度適當(dāng)加大到250mm厚。GFRP筋材料具有天然的耐腐蝕性和良好的抗拉性能。GFRP筋為玻璃纖維增強(qiáng)聚合物，材料本身具有耐腐蝕性，用于水下錨桿材料可以提到加固工程的耐久性，有利于錨桿植入后桿體居中的要求，同時(shí)降低桿體植入時(shí)的阻力和減小對(duì)孔壁巖土的擾動(dòng)。膨脹土、軟巖內(nèi)成孔的孔壁土（巖）體硬度遠(yuǎn)小于鋼筋錨桿體，桿體植入時(shí)自重作用導(dǎo)致桿體刮擦孔壁形成凹槽，構(gòu)成錨桿體被包裹或含嵌的狀態(tài)，引起灌漿后桿體偏離粘結(jié)體中心。

3.4 水位變動(dòng)區(qū)邊坡?lián)Q填加錨固方案

從膨脹土邊坡破壞的特點(diǎn)可知，在未進(jìn)行防護(hù)時(shí)二級(jí)土坡是邊坡滑動(dòng)的薄弱位置，且二級(jí)邊坡位于水位變動(dòng)區(qū)，受外界環(huán)境影響較大，坡面臨空變形特征顯示，換填方案的坡面變形與水位升降同步發(fā)生，而錨桿加固方案的坡面變形較水位升降滯后或呈交叉狀態(tài)，同期錨桿承受拉伸荷載。因此建議二級(jí)邊坡部位開挖揭露后，如遇膨脹土裂隙開展較為明顯地帶或土巖交界帶滲水較多的區(qū)域，局部位置增設(shè)排水設(shè)施并增設(shè)錨桿，防止產(chǎn)生較大位移。綜上所述，考慮二級(jí)邊坡面板的穩(wěn)定狀態(tài)與河道水位具有相關(guān)性的特征，同時(shí)鑒于試驗(yàn)工程處河段二級(jí)邊坡為土巖交界帶賦存一定量地下水的條件，應(yīng)加強(qiáng)施工期的監(jiān)測(cè)，根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)的位移變形情況對(duì)二級(jí)邊坡（水位變動(dòng)區(qū)）局部區(qū)域可采用改性土換填+大間距錨桿方案。

3.5 排水方案

根據(jù)科研成果，當(dāng)設(shè)置5m排水管相比無排水管時(shí)，邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)增大約18%，穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)。而當(dāng)排水管超過3m時(shí)，增加排水管長(zhǎng)度，降雨后的坡體浸潤(rùn)線略有往下整體移動(dòng)的趨勢(shì)，邊坡安全系數(shù)略有提高，但變化不明顯，表明排水管長(zhǎng)度對(duì)排水效果的影響不大。為有效排除膨脹土坡體內(nèi)可能的來水，降低坡體內(nèi)浸潤(rùn)線，減小滲透力對(duì)邊坡穩(wěn)定的不利影響，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合駟馬山滑坡治理工程等經(jīng)驗(yàn)，推薦采用如下排水措施。在改性土和邊坡土體間設(shè)置排水盲溝，在水位變動(dòng)區(qū)，邊坡坡體內(nèi)打設(shè)仰斜式排水管，水上邊坡中，對(duì)節(jié)理或裂隙發(fā)育的、開挖時(shí)有集中滲漏的區(qū)域打設(shè)仰斜式排水管，排水管長(zhǎng)度以3～5m為宜。

4.結(jié)論

通過對(duì)本工程地質(zhì)條件分析和試驗(yàn)研究，提出了對(duì)膨脹土邊坡的幾種處理措施。土工膜有一定的隔離、防滲作用，但單獨(dú)使用缺少壓重，難以抑制膨脹土漲縮變形，水泥改性土換填通過合理的水泥摻量、換填厚度，能夠控制土體含水量，減小漲縮變形，起到較好的防護(hù)作用，水位變動(dòng)區(qū)GFRP筋錨桿與水泥改性土復(fù)合，進(jìn)一步根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，設(shè)置排水通道，多種措施結(jié)合，進(jìn)行了設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用，根據(jù)目前工程建設(shè)情況來看，對(duì)本工程高邊坡膨脹土防護(hù)起到了較好效果。