高邊坡膨脹土在水利水運工程中處理措施研究

◎ 梁興

1.合肥工業大學資源與環境工程學院；2.安徽省引江濟淮集團有限公司

1.工程背景及研究現狀

膨脹土在我國分布超過20多個省、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濟活動密集區高度重合，超過3億人生活在膨脹土分布地區[1]。近些年來，隨著基礎設施、交通及水利等工程建設的不斷開展，膨脹土的存在對工程邊坡穩定性影響突出，嚴重威脅工程安全和經濟社會可持續發展[2]。然而，由于膨脹土的地質成因和類型差異，加之不同環境因素的影響，其邊坡災害類型、模式和發展條件十分復雜，并且具有反復出現、長期潛伏等特點，傳統的換填和擋墻、卸載、支護樁等剛性支護措施，無法適應膨脹土的內部相互作用要求，導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研究，利用土工袋改變土體水平、豎直方向滲透系數[4]，葉為民等研發了“表-淺-深”膨脹土邊坡韌性生態防護技術，并初步形成了綜合技術體系[5]，王艷芳等提出了利用聚丙烯纖維等抑制膨脹土內部裂隙發展，改良其物理力學特性[6]，鄒維列等研究認為傳統的剛性支護經濟性、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用效果好、經濟成本低[7]。

圖1 樁號36+000～52+000段泥巖自由膨脹率沿里程變化散點圖

2.工程地質條件

巢湖至江淮分水嶺北側段地貌上為壟崗—丘陵，或為淺而寬的溝谷，該段為膨脹土分布區，土的膨脹潛勢一般為弱～中等。此類土層原始抗剪強度高，但在水的干濕交替環境作用下，土層抗剪強度會逐漸衰減，在雨淋、水流、浪擊等共同作用下，新開挖的河流、渠道、湖岸等邊坡易發生崩塌、滑坡現象；土體失水后易產生干裂、收縮現象。

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

工程局部需進行深度開挖，根據工程地質報告成果，河渠開挖邊坡為土、巖混合邊坡，上部為中膨脹重粉質壤土，最厚處約19m；下部為具有崩解和膨脹特性的泥質粉、細砂巖，最厚處約31.2m[8]，高邊坡尤其是膨脹土邊坡的穩定事關施工期和運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

已有工程經驗表明，膨脹土邊坡由于受大氣干濕往復作用會產生淺層失穩。對此，針對膨脹土層較深的80+487.8（右岸）斷面進行了復核，膨脹土邊坡的表面“大氣影響帶”取影響深度3.4m，膨脹土強度值取殘余值，而“非影響帶”仍取強度折減值。除施工期外，各種工況抗滑安全系數最小值稍有減小且仍均滿足規范要求，但淺層滑動不明顯，只有當殘余值相對于折減值很小時（試算c=8.0kPa，φ=13°），淺層滑動才局限于“大氣影響帶”內。雖然只有當膨脹土殘余強度值較小時才發生淺層滑動，但由于膨脹土的特殊性，根據以往的工程經驗，若不對其表面進行防護，任由其表面暴露于大氣中，干濕交替，膨脹土強度會越來越低，若干年后將會使膨脹土的殘余強度值小于滑動面的臨界強度值，將會出現滑坡，因此，工程設計中對邊坡表面膨脹土采取換填水泥土及護坡等隔離措施，以增強邊坡穩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方案

土工膜覆蓋綜合造價低于水泥改性土換填方案，根據目前觀測資料顯示，采用土工膜覆蓋的區域三、四級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，主要因為：一是土工膜大面積施工容易造成不可避免的人為破壞，質量難保障；二是人工施工效率低，難以完全結合，分層處容易出現軟弱滑動面；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

根據水泥摻量對改性土不同齡期的不同工程性能指標影響研究結果，同時考慮實際工程與室內試驗碎土級配差異，確定了摻灰土水泥摻量為3%～5%，小于3%達不到改性效果，大于5%改性效果沒有顯著變化。試驗工程在弱膨脹土區水上邊坡均采用1.0m 厚的改性土換填。從目前的觀測數據來看，相對于裸坡試驗，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定，實現了防滲減蒸發的作用目標。從南水北調中線等工程經驗來看，換填1.0m改性土對弱膨脹土邊坡就能夠起到較好的防護效果，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，考慮到施工碾壓機械寬度，對于1:3的設計邊坡，1.0m水泥改性土換填厚度較為合適。在中膨脹土區水上邊坡均采用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，從而可以通過適當增加壓重，來減小其脹縮變形量，同時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

根據檢測結果提出工程錨桿長度控制值，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。對于錨桿間距，應根據設計抗拔力要求及混凝土面板參數進行計算，將抗拔力轉化為地基反力作用于混凝土面板上，混凝土面板簡化為四邊錨桿角點支撐的雙向板進行結構計算。同時根據《巖石錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》（GB50086-2015）第8.3.2條的規定，錨桿間距為1.25～3.00m，且不應大于1/2錨桿長度，本工程同時兼顧施工要求，當混凝土面板采用150mm厚時，推薦采用錨桿長度為5m，錨桿間距為2.5m（坡面法向間距），錨桿垂直于坡面，錨點處混凝土厚度適當加大到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，同時降低桿體植入時的阻力和減小對孔壁巖土的擾動。膨脹土、軟巖內成孔的孔壁土（巖）體硬度遠小于鋼筋錨桿體，桿體植入時自重作用導致桿體刮擦孔壁形成凹槽，構成錨桿體被包裹或含嵌的狀態，引起灌漿后桿體偏離粘結體中心。

3.4 水位變動區邊坡換填加錨固方案

從膨脹土邊坡破壞的特點可知，在未進行防護時二級土坡是邊坡滑動的薄弱位置，且二級邊坡位于水位變動區，受外界環境影響較大，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，同期錨桿承受拉伸荷載。因此建議二級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域，局部位置增設排水設施并增設錨桿，防止產生較大位移。綜上所述，考慮二級邊坡面板的穩定狀態與河道水位具有相關性的特征，同時鑒于試驗工程處河段二級邊坡為土巖交界帶賦存一定量地下水的條件，應加強施工期的監測，根據實際監測的位移變形情況對二級邊坡（水位變動區）局部區域可采用改性土換填+大間距錨桿方案。

3.5 排水方案

根據科研成果，當設置5m排水管相比無排水管時，邊坡的穩定安全系數增大約18%，穩定性明顯增強。而當排水管超過3m時，增加排水管長度，降雨后的坡體浸潤線略有往下整體移動的趨勢，邊坡安全系數略有提高，但變化不明顯，表明排水管長度對排水效果的影響不大。為有效排除膨脹土坡體內可能的來水，降低坡體內浸潤線，減小滲透力對邊坡穩定的不利影響，根據現場試驗結果，并結合駟馬山滑坡治理工程等經驗，推薦采用如下排水措施。在改性土和邊坡土體間設置排水盲溝，在水位變動區，邊坡坡體內打設仰斜式排水管，水上邊坡中，對節理或裂隙發育的、開挖時有集中滲漏的區域打設仰斜式排水管，排水管長度以3～5m為宜。

4.結論

通過對本工程地質條件分析和試驗研究，提出了對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，起到較好的防護作用，水位變動區GFRP筋錨桿與水泥改性土復合，進一步根據現場實際，設置排水通道，多種措施結合，進行了設計和工程應用，根據目前工程建設情況來看，對本工程高邊坡膨脹土防護起到了較好效果。