引江濟淮工程菜巢線分水嶺段弱膨脹土邊坡柔性綜合防護方案

寧昕揚 曾俊 呂國梁

摘要：膨脹土邊坡穩定問題是工程領域建設中常見的技術難題，若處理不當，可能會引起牽引式、漸進式的滑坡，嚴重威脅工程安全。針對引江濟淮工程菜巢線分水嶺段的地質條件、設計方案以及使用需求，提出了一種適用于弱膨脹土深挖方邊坡的綜合柔性防護方案。結果表明：該方案在充分發揮柔性防護措施優點的同時，有效地保證了邊坡的安全穩定。研究成果可為邊坡治理提供參考。

關鍵詞：邊坡治理; 膨脹土; 柔性綜合防護; 引江濟淮工程

中圖分類號：TU443文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.05.012

文章編號：1006 - 0081（2022）05 - 0067 - 06

0 引 言

膨脹土由多種親水性礦物組成，其主要成分為蒙脫石、伊利石和高嶺石，是一種災害性很強的特殊土，在中國乃至世界上均分布廣泛。膨脹土的濕脹干縮特性會引起地基或邊坡的不均勻沉降、開裂以及反復破壞，造成建筑物、水利工程及公路工程的經濟損失，是工程建設中不可忽視的一類地質問題[1]。在南水北調中線工程建設過程中，深挖方明渠開挖及其沿線復雜的地質條件給膨脹土邊坡治理帶來了更多的技術難點[2]。因此，緊密結合工程實際、探索適宜膨脹土邊坡的綜合治理方案對工程建設有重大意義。

在邊坡防護方面，國內外工程技術人員基于工程實際提出了一系列行之有效的邊坡支護方案，主要可概括為三大類：剛性支護、柔性支護和綜合支護措施[3]。其中，剛性支護以圬工結構（重力式擋墻、抗滑樁和片石護面墻等）為主，是目前邊坡治理最常用的處理方法，其基本原理是利用剛性支護體的錨固作用以及被動抗力來平衡滑坡力[4];柔性支護技術主要包括生物防護、土工織物加筋、土工三維植被網、柔性防護網等措施[5]。各類防護措施的主要優缺點及適用范圍詳見表1[3，6]。在工程設計中，應綜合考慮工程的建設需求、投資、安全、環境等因素，選取適宜的邊坡支護措施。

工程技術人員針對膨脹土處理、排水結構設計、膨脹土邊坡坡比等支護配套措施也提出了諸多可行的設計技術方案。王歡等[7]以南水北調中線工程河南新鄉潞王墳段的膨脹土為研究對象，利用該地區廣泛分布的粉砂土作為改良介質，提出了一種新的膨脹土物理改良方法。陳尚法等[8]基于南水北調中線一期工程南陽膨脹土現場試驗研究成果，系統地提出了采用水泥改性的膨脹土處理方案與處理厚度等技術參數，為過水河渠的膨脹土改良方案提供了實施經驗與良好借鑒。董宏源等[9]系統研究了坡度對膨脹土邊坡滲流特性的影響，得出了膨脹土邊坡坡度的推薦取值范圍。王啟龍等[10]分析了南水北調中線工程南陽段深挖方渠道渠坡變形破壞的原因，結合有關監測數據證明了膨脹土渠坡排水系統的健全有利于膨脹土渠坡的穩定。林書偉[11]基于海南西線高速公路膨脹土區的邊坡實例，分別研究了邊坡防護和排水設計的基本原則。

安徽省膨脹土分布范圍廣泛，省內多個灌區、調水工程在運行期內均出現過多次膨脹土渠坡滑坡問題，嚴重影響工程的正常運行與使用，如淠史杭灌區[12]。隨著引江濟淮工程的建設施工，工程沿線大范圍、大挖深、地質條件復雜的膨脹土邊坡綜合治理成為工程建設的核心技術問題之一。本文在南水北調中線等工程膨脹土邊坡治理經驗的基礎之上，針對引江濟淮工程菜巢線分水嶺段的弱膨脹土分布區，提出了一種綜合性的弱膨脹土邊坡柔性防護方案，實現了在有效保證邊坡穩定的同時，節省工程投資，發揮了良好的生態效益。該方案設計思路與具體措施可供類似工程參考。

1 主要地質問題及方案設計思路

1.1 工程概況

引江濟淮工程由長江下游上段引水，向淮河中游地區補水，是一項以城鄉供水、發展江淮航運為主，結合農業灌溉補水，兼顧改善巢湖及淮河水生態環境等綜合利用的大型跨流域調水工程。該工程在安徽省引江濟巢段采用雙線輸水，主要包括西兆河引江線路與菜子湖輸水線路。其中菜子湖輸水線路總長113.18 km，輸水設計流量150 m3/s;而菜巢線分水嶺段（樁號72+240～75+240）為菜子湖線合肥市段（樁號54+000～109+621）中的一段新開輸水河道，長3 km，地面高程24～36 m，開挖深度大于30 m的河道長度約2 km，新開河道位于合肥市廬江縣城西南約6 km處。

1.2 膨脹土工程地質問題

菜巢線分水嶺段新開河道范圍內膨脹土地層巖性主要為⑤層重粉質壤土、粉質黏土（[Qal3]）：含鐵錳質結核，棕黃及棕黃夾灰色，呈一般硬可塑狀，下部硬塑狀，屬中等偏低壓縮性土;主要化學成分以SiO2， Al2O3和Fe2O3為主，三者合計含量89.3%;其中SiO2含量最高，占71.7%。為了準確把握切嶺段河渠膨脹土分布情況，于工程現場共選取104組樣本開展菜巢線分水嶺段土體膨脹等級的綜合評價，具體成果詳見表2。

由表2可知：菜巢線分水嶺段新開渠道中，弱膨脹土分布渠段長1.00 km，中膨脹土渠段長2.00 km，分別占該段線路總長度的33.3%和66.7%;同時，河渠開挖后工程區膨脹土邊坡為典型的上部膨脹土、下部基巖的巖土混合邊坡，具有邊坡高、切深大等不利特點，存在潛在的施工期及工程運行期邊坡穩定問題，因此需要對工程區內膨脹土邊坡的加固措施進行詳細設計，以保證渠坡的安全穩定。

1.3 防護方案設計思路

菜巢線分水嶺段河渠邊坡均為巖土混合邊坡，工程建設過程中所涉及的主要邊坡類型有三類：巖質邊坡、弱膨脹土邊坡、中膨脹土邊坡。由于各邊坡巖土體的物理力學性質差異較大，且承載情況、使用狀態也不盡相同，因此，邊坡治理的設計應根據每一級邊坡的實際地質揭露情況及時調整。

考慮到工程通航、過水等需求，對區域內裂隙巖質邊坡采用錨桿、排水孔以及混凝土面板等措施進行防護;基于南水北調工程膨脹土治理的成功經驗，對于工程區域內脹縮性較強的中膨脹土，應采用抗滑樁等剛性防護措施，以提升邊坡的整體穩定性;對于區域內的弱膨脹土邊坡，柔性綜合防護措施是一種高效且經濟的防護方案。

由于柔性防護措施的相關研究起步較晚，尚未形成完整的理論、實施體系，在工程建設中需要特別關注;同時，考慮到工程區膨脹土邊坡地質條件的復雜性，為保證防護效果，各工程均應針對柔性綜合防護方案進行專門設計。由于邊坡排水、坡面防護、膨脹土治理是影響膨脹土邊坡穩定的三大主要因素，故基于此設計思路，提出了一種適用于引江濟淮工程弱膨脹土邊坡的柔性綜合防護方案。

2 弱膨脹土分布渠段邊坡治理方案

2.1 河道斷面型式設計

菜巢線分水嶺段河渠弱膨脹土分布區的典型斷面如圖1所示。渠坡每高差6 m設一級馬道，并于二級馬道設8 m寬的平臺用以布置后期運行維護道路，其余馬道寬3 m，渠頂設置管護道路。二級馬道以下邊坡為巖質邊坡，以上為膨脹土邊坡，其中一級馬道以下邊坡坡比為1∶1.5，而二級馬道至一級馬道邊坡坡比為1∶2.5;二級以上馬道邊坡坡比均為1∶3.0。

2.2邊坡綜合防護方案

根據1.3節中所確定的設計理念，詳細制定了本段工程弱膨脹土分布區深挖方邊坡的綜合防護方案。方案中主要幾類防護措施的詳細介紹如下。

2.2.1 坡面及坡內排水設計

為保障排水效率、增強邊坡的穩定性，邊坡內外設計多種不同的排水設施，如排水盲溝、截水溝、排水溝等。這些排水設施作為邊坡柔性支護的重要部分，發揮了不可替代的作用，其中：坡面排水能夠顯著縮短降雨等坡面來水在邊坡表面的滯留時間，減少邊坡表面的積水量;而坡內排水則能夠加速地下水滲出坡面后的排出，避免出滲后的地下水排泄不暢而導致坡內積水。

河渠坡面布置有縱、橫向排水溝（圖2），其中縱向（沿平行河道中心線方向）排水溝布置在各級馬道內側，而橫向排水溝沿河道中心線方向每25 m設置一道，排水溝斷面內尺寸均為40 cm×40 cm。縱、橫向的排水溝形成了一張巨大的排水網絡，能夠將邊坡表面上的積水迅速排至河渠內。

膨脹土邊坡內則設置了排水盲溝，用于排出膨脹土邊坡內地下水積水（圖3）。從橫剖面上看，排水盲溝位于水泥改性土的換填底面以下，平行整個膨脹土開挖坡面布置;從平面上看，排水盲溝干溝為沿河道中心線方向每15 m設置一道，支溝與干溝呈45°角相交，在坡面上形成了“Y”型的排水盲溝網絡。膨脹土坡面積水進支溝后再匯入干溝，經由坡面排水溝或邊坡排至河渠。

2.2.2 坡面防護

該段渠道中，二級馬道及以下主要邊坡以片麻巖和石英正長巖為主，為滿足工程的通航以及過水要求、保證巖質邊坡的穩定，采用C25現澆鋼筋混凝土進行坡面支護，并鉆設排水花管，做好坡面的排水。同時，在一級馬道下邊坡布置梅花型C25 mm錨桿，進一步加固邊坡。

二級至三級馬道邊坡多為巖土分界線于邊坡出露的位置，是潛在的膨脹土滑坡水平滑動面。因此，考慮到坡面防護的經濟性、有效性并兼顧工程的景觀效益，采用12 cm厚預制C25混凝土聯鎖生態護坡砌塊進行此處邊坡的坡面防護，心形框格內種植適宜當地氣候的植被，其拼接及剖面結構如圖4所示。采用預制的C25混凝土聯鎖生態護坡砌塊進行該處邊坡支護的優點在于：與純鋼筋混凝土面板護坡相比，其造價相對較低，且為預制混凝土，施工較為便利，對工期有利;雖然其支護效果不如純剛性支護，但對邊坡變形的適應能力更強，能夠為膨脹土邊坡壓重的同時，依靠各聯鎖塊之間的咬合作用適應并抑制土體變形的持續發展。上覆植被也能夠在一定程度上改善復合土體的物理力學性質，進一步加固邊坡。

三級馬道以上均為弱膨脹土邊坡，其物理性質較為均一，無明顯裂隙等結構面，且開挖深度逐漸變淺，邊坡防護的標準相對較低。因此，對三級馬道以上弱膨脹土邊坡防護均采用同一柔性防護措施——柔性生態保護毯護坡+植草，其剖面結構如圖5所示。該方法施工簡便，且更為經濟實惠，能夠在一定程度上改善膨脹土的脹縮性等物理力學性質，并具有一定的生態效益，適用于此類弱膨脹土邊坡的表層防護。

2.2.3 膨脹土治理

除按照上述要求對區域內膨脹土邊坡進行及時防護以外，還需要考慮對一定深度范圍內的膨脹土進行處理，以進一步增強其自身穩定性。主要考慮盡量減少邊坡內土體的干濕循環交替作用，通過物理、化學或生物添加劑改善土體膨脹性等不利的物理力學性質，進而避免開挖邊坡時發生滑動破壞。引江濟淮工程邊坡治理方案吸取南水北調中線工程膨脹土處理的成功經驗，采用水泥改性土或非膨脹土換填的方式對膨脹土邊坡進行處理。

該段河渠的弱膨脹土分布區膨脹土邊坡的處理方式為：弱膨脹土按河道設計斷面超挖1 m，用4%水泥改性土換填，形成最終河道設計斷面。水泥改性土換填層能夠有效隔絕大氣與地表來水，切斷膨脹土與大氣或地表的水汽交換通道，進而控制膨脹土干濕循環過程，達到抑制膨脹土裂隙產生的效果。工程水泥改性土的生產用土料主要來自開挖產生的弱膨脹土料，不足部分再利用臨近工程段開挖的有用土料。

2.3 小 結

該工程弱膨脹土邊坡治理方案中，主要包括邊坡排水、膨脹土治理與坡面防護三類措施。各類治理措施的主要特點如表3所示。

3 邊坡穩定分析

3.1 計算模型與邊界條件

為進一步分析柔性綜合防護方案的治理效果，選取2.1節中的河渠典型斷面開展在正常使用工況以及降雨工況下的膨脹土邊坡綜合防護前后滲流及邊坡穩定分析。該膨脹土邊坡滲流及穩定分析的典型斷面有限元分析模型如圖6所示，模型網格共包含5 766個節點，5 599個單元。

考慮到巖土分界線為主要的控制性滑動面，在分析中取其為厚0.3 m的薄層土體，采用Morgenstern-Price進行邊坡穩定計算。模型的滲流邊界條件在左側取為定水頭23 m，右側取為河渠的最高通航水位15.32 m（該標段最高通航水位均低于膨脹土底高程，不涉及坡外水影響膨脹土的問題），非降雨工況下坡面取為出滲邊界，降雨工況時邊坡及坡頂取為降雨邊界，雨強為50 mm/d，其余均取為隔水邊界。

3.2 計算參數取值

各主要巖土體物理力學計算參數如表4所示。為了簡便，在計算過程中將表層聯鎖生態護坡簡化為加重的水泥改性土材料，其參數取值除容重外均與水泥改性土一致;巖土分界線處的力學參數取膨脹土的殘余強度;排水盲溝僅參與滲流計算，不參與邊坡穩定分析。

3.3 計算結果

該典型斷面的滲流場及邊坡穩定分析成果如圖7所示。

由圖7可知，在各工況下，邊坡經過治理后的安全系數均有所提高;在未經降雨時，邊坡的安全系數從4.047提高至4.653;而在經歷降雨時，邊坡的安全系數從2.089提高至3.497。計算結果說明該研究提出的弱膨脹土邊坡柔性綜合防護方案治理效果良好，有效預防降雨帶來的邊坡失穩，進一步證明了該方案的安全性與可靠性。

4 結 語

該研究系統分析了膨脹土邊坡柔性支護及有關配套措施的適用范圍和主要優點;在南水北調中線工程膨脹土邊坡治理成功經驗的基礎上，從引江濟淮工程菜巢線分水嶺段的地質條件、設計方案以及使用需求出發，基于該段河渠弱膨脹土分布區的邊坡特點，提出了一種施工便利、高效經濟、環境友好的膨脹土邊坡柔性綜合防護方案。經數值計算分析檢驗，該防護方案能夠取得良好的邊坡治理效果，其設計思路和具體實施方案可供類似工程參考。

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（編輯：高小雲）

Flexible comprehensive protection scheme for weak expansive soil slopes in?watershed section of Caizi Lake and Chao Lake of water transfer project from Yangtze River to Huaihe River

NING Xinyang， ZENG Jun， LYU Guoliang

（Changjiang Institute of Survey， Planning， Design and Research Co. Ltd.， Wuhan 430010， China）

Abstract： The stability of expansive soil slope is a common technical problem in engineering construction. If it is not handled properly， it may lead to traction and gradual landslides， which seriously threatens the safety of the project. Focused on the actual geological conditions， design schemes and application requirements of the watershed section of Caizi lake and Chao lake of the water transfer project from Yangtze River to Huaihe River， a flexible protection scheme suitable for deep excavated slopes with weak expansive soil was proposed. The results showed that this scheme could take full advantages of flexible support structure and effectively guarantee the stability and safety of the slope. The research results could be a reference for slope treatment.

Key words： slope treatment; expansive soil; flexible comprehensive protection; water transfer project from Yangtze River to Huaihe River

收稿日期：2021-10-29

基金項目：國家重點研發計劃項目（2017YFC1501204）

作者簡介：寧昕揚，男，工程師，碩士，主要從事水工結構方面研究工作。E-mail：ningxinyang@cjwsjy.com.cn