基于“有壓快排”的膨脹土邊坡柔性綜合防護方案研究

寧昕揚 曾俊 曾令華

摘要：膨脹土邊坡穩定問題是國內工程建設中常見且災害性強的技術問題，一旦邊坡失穩將嚴重影響工程的安全運行并造成巨大的經濟損失。提出了一種基于“有壓快排”的膨脹土邊坡柔性綜合防護方案，并在丹江口庫區宋崗碼頭岸坡治理中成功應用。數值計算結果表明：該方法能較好地控制邊坡滲流場，并顯著提升膨脹土邊坡的穩定性。

關鍵詞：膨脹土邊坡; 邊坡穩定; 柔性防護; 宋崗碼頭; 丹江口庫區

中圖法分類號：TU443 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.02.009

文章編號：1006 - 0081（2022）02 - 0052 - 05

0 引 言

膨脹土是一種特殊的高塑性黏性土，其主要成份為蒙脫石、伊利石和高嶺石等親水性礦物，具有脹縮性、崩解性、多裂隙性、超固結性和強度衰減等特性。這些特性會使膨脹土地區的工程建設極易發生邊坡坍塌或滑坡等地質危害[1]，有長期潛在性、漸進性等特點[2]。大量工程實踐經驗與研究成果均表明，干濕循環作用是導致膨脹土反復縮脹變形，引起邊坡結構損傷并誘發滑坡的重要因素[3]。水利工程的運行以及區域內周期性大氣降水會使得工程區內的膨脹土一直處于較為頻繁的干濕循環過程中，極易誘發膨脹土邊坡的失穩。因此，緊密結合工程建設實際，研究合適的膨脹土邊坡綜合治理方案，對工程的建設有重大意義。

現階段，膨脹土邊坡的防護措施主要包括剛性防護、柔性防護和綜合防護[4]。相比剛性防護措施，柔性防護措施可以從根本上改善膨脹土的脹縮性，在保證自身結構穩定的同時，更好地適應并抑制土體的變形，減少裂隙的產生，具有良好的經濟效益與生態效益，在工程建設中得到了廣泛應用。

“防截排固”是膨脹土邊坡綜合防治的有效思路，而“有壓快排”則是在該思路的基礎上，進一步對邊坡進行壓重（有壓）、預留排水通道等措施（快排），提升邊坡整體穩定并加快其排水過程的具體實施方案。本文從“防截排固”的膨脹土邊坡治理基本思路出發，基于丹江口水庫庫區宋崗碼頭膨脹土岸坡治理工程，提出了一種包括膨脹土處置、排水結構等措施的“有壓快排”膨脹土邊坡柔性綜合防護方案，評價了方案的安全性、可靠性以及治理效果。

1 計算理論

1.1 VG土水特征曲線

在非飽和滲流場計算過程中，為求解地下水質量守恒方程及運動方程，還需給出非飽和土體基質吸力ψ、重量含水量w、飽和度S或體積含水量θ等參數之間的關系曲線，即土水特征曲線。目前，使用較多且較為成熟的幾類土水特征曲線模型主要包括： Brooks-Corey模型、Gardner模型、Van Genuchten模型和Gardner-Russo模型等。基于徐紹輝、劉平等人的研究成果[5-6]，采用光滑連續的VG模型對膨脹土土體的土水特征曲線擬合效果良好，相關系數較高，基本關系式為

式中：a，b均為擬合參數;θr為殘余體積含水量;θs為飽和體積含水量。

1.2 邊坡穩定分析理論

分析邊坡整體穩定性較為常用的方法有兩大類：極限平衡法和數值分析法。極限平衡法因其計算簡單，物理意義明確，算法成熟可靠等優點，在工程實踐中得到了廣泛應用，主要包括瑞典圓弧滑動法、Janbu法、Spencer法以及Bishop法等[7]。

目前，關于非飽和土體邊坡穩定性分析的研究成果大多是基于Bishop或Fredlund提出的非飽和土強度理論公式開展的[8]，并取得了良好的擬合效果。故在本文研究中，采用極限平衡法中的Bishop法對膨脹土邊坡的穩定性進行分析，非飽和土有效應力抗剪強度公式為

式中：σ為總應力;ua為孔隙氣壓力;uw為孔隙水壓力;χ為吸力參數;c′為有效黏聚力;j′為有效摩擦角。

2 工程實例

2.1 項目背景

宋崗碼頭位于河南省淅川縣香花鎮，地處丹江口水庫東岸，庫岸段西端緊接宋崗碼頭，東端抵達宋崗泵站進水渠，北側面臨丹江水庫，治理段長度400 m，岸坡上建有多棟居民樓房以及海事局辦公大樓。2014年10月，丹江口水庫蓄水位達到161m時，臨近海事局辦公樓一帶未護岸段發生明顯塌岸，庫岸快速后退，最近距居民樓50 m，部分已修護坡段的混凝土護坡及擋土墻在庫水沖刷下，出現局部破壞，見圖1。

2.2 區域氣象、地質條件

（1） 區域氣象。對丹江口水庫流域1971～1995年各水文站和雨量點的逐日降雨資料進行分析后發現，流域內每場降雨歷時都主要集中在4 d內，平均最大4 d降水量占場次平均降水的88%。而主雨峰則集中在第1～2天，主雨峰時段降水量一般占暴雨總量的80%左右，最大24 h降水量為方城站1975年8月6日的488.4 mm[9]。

（2） 地質條件。根據現場地質勘察成果，宋崗碼頭岸坡基巖為泥巖、泥質粉砂巖等極軟巖，上覆土體（厚0.5～4.6 m）均為沖積黏土。岸坡處巖土體介質產狀近似水平，基巖與上覆土體均具有弱-中等膨脹性，回填料所采用碎石土同樣具有一定的弱膨脹性。

2.3 岸坡治理方案與有限元模型

根據所擬定的“有壓快排”基本治理思路，在岸坡治理工程中，采用的具體治理方案如下：

（1） 坡面設置排水盲溝+300 mm厚水泥改性土+格構植被護坡（圖2）。格構下方鋪設300 mm厚水泥改性土。

（2） 水泥改性土所用素土的自由膨脹率不宜大于65%，水泥改性土水泥摻量為4%，采用振動夯夯實，壓實度不小于94%。

（3） 水泥改性土下布置反濾料盲溝網（圖3），盲溝寬、深均為30 cm。在盲溝底部（馬道處）采用Φ75PE63管接盲溝干溝，引出護坡面，同時坡面設排水溝（截水溝），盲溝出水口接入坡面排水溝（截水溝），將坡內水沿排水溝（截水溝）排出。管道進口（與盲溝干溝聯接處）采用土工布封堵。

根據所擬定的膨脹土岸坡治理方案，采用Seep/W與Slope/W軟件建立起該治理方案的有限元分析模型，以進一步評價岸坡的非飽和滲流場與邊坡穩定情況。岸坡治理前后的有限元模型如圖4所示，模型網格尺寸取為0.5m，共包含22 397個節點，22 152個單元。

2.4 計算工況與邊界條件

在宋崗碼頭膨脹土岸坡治理項目的滲流場與邊坡穩定的分析中，假定暴雨歷時為6 d。當時間t≤0時，為初始工況;當0<t≤6 d時，為降雨工況。同時，在非飽和滲流計算過程中，模型左、右側均取為定水頭邊界，左側為高水位170 m，右側則取為易產生滑坡的水庫內低水位156 m。在降雨工況時，邊坡頂部與表面取為降雨邊界，基于丹江口庫區區域氣象條件，在本次分析中充分考慮丹江口庫區歷年的降雨強度峰值擬定了降雨過程函數（圖5）。其余邊界條件的取定標準參見表1。

2.5 計算參數取值

（1） 非飽和滲透參數。根據前期地勘資料，工程所在地基巖以及碎石土等材料都具有不同的膨脹性，在滲流分析中對其非飽和滲透參數分別進行考慮。相關材料的土水特征曲線與滲透系數函數詳見圖6，7。其他巖土材料（如4%的水泥改性土、排水盲溝、拋石、強風化泥巖和中等風化以下泥質粉砂巖）均取為飽和滲透系數參與計算，其值分別為0.00033，4.32，4.32，0.052 m/d和0.0173 m/d。

（2） 巖土體物理力學參數。根據地質建議以及相關文獻的取值經驗[10-11]，采用4%的水泥處置過弱膨脹土后，其容重、黏聚力與內摩擦角等物理力學性能指標均有明顯提升。在本工程邊坡穩定分析計算中所涉及的巖土體物理力學參數詳見表2。

2.6 非飽和滲流及邊坡穩定分析成果

宋崗碼頭膨脹土岸坡治理前后非飽和滲流場以及邊坡穩定分析成果如圖8，9所示。由圖可知，岸坡經過治理后，在遭遇暴雨時，由水泥改性土與排水盲溝構成的防滲排水體系不僅能夠有效阻止大氣降水的入滲，同時能夠快速排出坡內滯留的地下水，減少坡面積水情況的發生，維持膨脹土邊坡的穩定。而且，各工況下邊坡的安全系數均有所提高。在初始工況下，治理前后邊坡的安全系數從1.840提至1.935;而在降雨工況下，安全系數也從1.341提至1.474，岸坡穩定性顯著提高，進一步證明所擬定的膨脹土邊坡“有壓快排”柔性綜合防護方案的安全性與可靠性。

3 結 語

本文從膨脹土邊坡失穩的主要誘因出發，基于“防截排固”的膨脹土邊坡治理基本思路，提出了一種包括膨脹土處置與排水結構布置等措施在內的“有壓快排”膨脹土邊坡柔性綜合防護方案，并依托于一個簡單算例進行驗證。在宋崗碼頭膨脹土岸坡的實際治理中應用了該方案，采用有限元分析軟件（Seep/W和Slope/W）系統分析了邊坡或岸坡的滲流場分布與穩定性情況。從計算結果中可看出，本文所提出的“有壓快排”膨脹土邊坡柔性綜合防護方案能夠有效地控制膨脹土邊坡的滲流場，并顯著提升邊坡的穩定性。該方案在工程實踐中具有良好的治理效果與實踐意義，可為其他類似邊坡工程治理提供參考。

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（編輯：李 慧）