排水措施在膨脹土邊坡處理中的應用

□何向東 □馬慧敏

（1 河南省水利科學研究院；2 河南省水利勘測設計研究有限公司）

0 引言

膨脹土（巖）是具有脹縮性、裂隙性和超固結性的粘性土，其工程性質非常特殊。膨脹土工程危害具有多次反復性和長期潛伏性，在世界各地頻繁發生，是當今巖土工程界的全球性技術難題之一。南水北調中線工程涉及膨脹土（巖）的渠段累計約340km，膨脹土（巖）渠道處理是南水北調中線工程的主要技術難題之一。為此，國家“十一五”科技支撐課題2006BAB04A10“膨脹土地段渠道破壞機理及處理技術研究”對此工程難題進行了深入研究，提出“在進行膨脹巖土渠道的設計和處理時，根據破壞模式的不同分別采取相應的處理措施”。膨脹土渠坡的破壞模式及處理方法分為兩類：一是裂隙強度控制下渠坡滑動的處理方法：應進行裂隙強度控制下的膨脹巖土渠坡的整體穩定性復核，特別是具有順坡向裂隙面（帶）的中、強膨脹土渠坡挖方段，應保證渠道邊坡沿裂隙面的抗滑穩定；如不滿足設計要求，應適當放緩坡比并采取合適的支擋措施加固，如土釘、土錨、抗滑樁等。二是膨脹作用下渠坡變形及滑動的處理方法：在渠道邊坡整體穩定的前提下，應采用考慮膨脹變形的有限元分析方法進行穩定復核，若不滿足穩定要求，可考慮以下方案：對有土可換的渠段，首選換土方案；對無土可換的渠段可采用換填水泥改性土、土工格柵加筋、土工袋等方案，并根據工程要求和實際情況，對選取的處理方案進行合理設計；處理層厚度應滿足膨脹作用下渠坡的抗滑穩定要求。

采用換填法處理的膨脹土（巖）渠道邊坡，當處理層與渠道原坡面滲透性存在較大差異時，當農作物灌溉期以及主汛期強降水時，會由于內外水頭壓差而出現換填層的滑塌現象。筆者在實際工程中發現有由于換填層后背后來水發生的膨脹土邊坡失穩事件，因此在膨脹土邊坡設計中不僅要考慮坡面防排水，還要解決好坡體內換填層后地下來水。

1 排水方案的分析計算

分兩種情況進行排水敏感性分析。第一種為在換填層面只設集水暗管排地下水，根據集水暗管在換填層面處布設位置的不同，以及有無排水井和換填層間有無排水墊層的不同，分4 種方案進行計算分析。第二種情況為在膨脹巖與換填面之間鋪設排水網墊，在換填層面布設集水暗管（由情況一的分析結果確定集水暗管的布設位置），根據渠坡的排水系統是否與渠底的排水系統相連分2 種方案進行分析計算。

1.1 滲流計算原理及所用軟件

滲流計算采用有限元數值分析方法計算，采用河海大學軟件《水工結構有限元分析系統》程序?；灸Ｐ蜑椋?/p>

式中H 為滲流場的水頭函數，P 為水壓力，γ 為水容重，Kx和Ky分別為x 和y 方向土的滲透系數。

1.2 第一種情況的分析計算

進行4 種排水條件下的滲流計算，并分析對比粗砂墊層分別在換填層上部和下部、有無排水井和橫向排水墊層時的排水效果情況。

計算模型1：粗砂墊層位于換填層下部，通過橫向布置的波紋管連通逆止閥將坡后地下來水排至渠內；計算模型2：粗砂墊層位于換填層上部，通過逆止閥將坡后地下來水排至渠內；計算模型3：粗砂墊層位于換填層上部，通過逆止閥將坡后地下來水排至渠內；同時設排水井將坡后來水向外抽排；計算模型4：粗砂墊層位于換填層上部，通過逆止閥將坡后地下來水排至渠內，并在換填層中間設橫向排水墊層加快換填處理層后地下水外排。計算模型示意圖見圖1。

圖1 計算模型示意圖

1.3 第一種情況的計算成果各模型的計算結果見表1。

表1 各種計算模型滲流計算結果表

1.4 第一情況的計算結果分析

一是粗砂墊層布置在換填層下，相比在換填層上可以提前降低浸潤線，且在坡腳處降低浸潤線的作用明顯；但這種排水方式可能在處理層結合面產生薄弱帶；二是地下水位較高時，采用排水井和逆止閥共同作用的降水效果最為理想，能有效的降低浸潤線，但設置排水井對膨脹巖這種滲透系數不均的上層滯水，理論計算與實際排水效果的差別較大，并且投資較高；三是設置橫向排水墊層，可以及時將換填層后的地下水向坡面排出，避免排水不暢而在換填結合面形成的軟弱帶。但是橫向排水墊層在施工時相比設置排水管的施工工藝要復雜，加大了施工難度。

1.5 第二種情況的計算及結果分析

1.5.1 計算模型5

粗砂墊層位于換填層上部，膨脹巖與換填土之間布置三維土工排水網墊，連通至縱向集水暗管，通過橫向布置的波紋管連通逆止閥將坡后地下來水排至渠內。

1.5.2 計算模型6

粗砂墊層位于換填層上部，膨脹巖與換填土之間布置三維土工排水網墊，連通至縱向集水暗管，通過橫向布置的波紋管連通逆止閥將坡后地下來水排至渠內，另與渠底設置的粗砂墊層連通，并通過渠底所設置的逆止閥將水排向渠內。

1.5.3 計算結果及其分析

1.5.3.1 計算結果

具體計算結果見表2。

1.5.3.2 分析結果

表2 獨立排水系統滲流計算結果表

一是第二種情況中計算模型5 同計算模型6 都可以有效的降低渠坡膨脹巖地下水位出逸點高程。兩種方案中計算模型5出逸點的高度較大；二是排水方案計算模型6 優于計算模型5，在于計算模型6 不僅有效降低了渠坡內側地下水位逸出點高程，同時也使渠底板之下的地下水位出現呈漏斗狀的降低；三是第二種情況的排水方案，換填處理層后的水位可以降低到1m以下，滿足換填層抗浮穩定的要求。

綜合以上分析計算，推薦排水方案為計算模型6。由于膨脹巖裂隙發育及發育程度的不均一性，會形成裂隙帶里上層滯水動態和分布不均勻不規律的特點，因此，在坡面還構造性的設置橫向集水暗管與縱向集水暗管連通以保證排水效果。

2 工程應用

該排水方案在南水北調中線一期工程膨脹巖渠段的處理中得到了廣泛應用。2011年3月，該方案在南水北調中線一期工程安陽段膨脹巖渠段中進行試驗，通過對試驗結果分析，各項試驗參數均滿足設計要求。隨后，施工標段采用該方案對膨脹巖渠段進行了施工。2013年下半年，安陽段膨脹巖渠段施工基本完工。通過后期觀察，當村民對農作物灌溉以及主汛期強降水時，外界地下水位迅速升高，受膨脹巖內部裂隙影響，外水可在短時間內通過內排水系統從逆止閥流出，減小面板內外壓差。達到了工程預期效果。

3 結語

由上述分析可知，膨脹巖土渠段的渠坡處理不僅要對地表大氣降水進行防護，即設置換填保護層，減少大氣降水對膨脹巖土體的影響，而且要做好換填層下部膨脹巖土體內地下來水的排泄措施，在渠道地下水位較高或地層透水性較大的地區，在防止局部膨脹變形破壞的處理層與原渠坡的接觸面上，應合理設置排水盲溝或排水墊層，防止地下水滲流產生的頂托破壞。

[1]包承綱.南水北調工程膨脹土渠坡穩定問題及對策[J].人民長江，2003，34（5）：4-6.

[2]張家發，劉曉明，焦赳赳.膨脹土渠坡兼有排水功能的雙層結構防護方案[J].長江科學院院報,2009,26(11):37-41.

[3]馬慧敏,何向東,張帥.渠道膨脹土邊坡換填處理土穩定計算分析[J].人民黃河,2013,35(2):98-102.