南水北調中線某段渠道邊坡滑坡成因分析及防治對策

申 粵

（中國南水北調集團中線有限公司河南分公司，河南 鄭州 450046）

0 引言

南水北調中線工程是緩解我國北方水資源嚴重短缺、優化配置水資源配置、改善生態與環境的重大戰略性基礎設施。總干渠全長1 234.5 km，分為挖方段和填方段，挖方段占總長度的92.8%，填方段占7.2%。渠道橫斷面為梯形斷面，在挖方段由于不同挖深形成不同高度的渠道坡面，為了保證工程運行安全，根據地質條件、巖石類型、土壤類型等特點，渠道兩側坡面形成不同坡度的邊坡，坡面采用六棱框格護坡，避免渠道坡面滑坡的發生。2021年7月，河南段沿線大部分地區遭遇入汛以來極端強降雨，由于連續降雨，鄭州段渠道邊坡土壤含水率達到飽和狀態，土壤中的飽和水不能及時排出，造成土壤的抗剪強度減弱，土壤自重增大，部分渠段坡面出現滑坡現象。

不同降雨強度對坡面滑坡的影響不同。主要原因在于降雨初期，土壤含水率較低，雨水通過土壤中的空隙滲入土壤內部，不斷入滲導致土壤含水率增加，坡面土體基質吸力減小和土壤孔隙水壓力增加，降低坡面土體力學強度，進而影響渠坡穩定性［1］。包小華等［2］通過室內邊坡模型試驗，研究發現隨著坡面土壤含水率的不斷增加，監測土壤基質吸力逐漸降低為零，邊坡土壤含水率由非飽和變為飽和狀態后，邊坡出現破壞現象。在試驗中，通過監測邊坡不同位置的土壤體積含水率，發現在土壤含水率達到某值情況下，坡面開始出現破壞，通過室內模型試驗監測結果，可以為降雨產生滲流引發邊坡失穩的預警提供參考依據。殷坤龍等［3］研究在持續降雨條件下坡面穩定性的變化情況，發現在降雨初期，前期土壤含水率對滑坡穩定性影響較大。在降雨過程，前期土壤含水率較高時，土壤含水率由不飽和狀態轉變為飽和狀態時間相對較短，造成土壤空隙水壓力增加，土壤抗剪強度減小，易形成坡面滑坡。孔令偉等［4］在降雨入滲對膨脹土邊坡試驗發現，土壤中水分蒸發作用使得膨脹土水分喪失，進而造成土壤表面開裂，出現裂縫，再發生降雨時，雨水通過裂縫入滲土體，導致土壤含水率迅速增加，加速邊坡變形，最終形成邊坡滑坡或塌落。謝妮等［5］通過現場降雨試驗研究黃土邊坡破壞規律，研究發現降雨對黃土邊坡淺層土體吸力和含水量影響較大，同時在降雨過程中雨滴對土壤表面顆粒的沖擊，使黃土顆粒破碎，降低雨水入滲能力，在黃土坡面形成表面徑流，對黃土坡面沖刷，土壤含水率的增加及坡面沖刷作用共同影響了土體的強度，導致黃土坡面破壞。

綜上所述，國內外研究發現降雨是誘發邊坡滑坡的主要因素之一。為了避免邊坡出現滑坡或塌陷，工程上會采取相應的工程措施和非工程措施。但是，降雨、地震等自然因素仍會對坡面造成危害，對人民生活和安全造成不同的影響。為了保證工程安全，在滑坡發后需要及時采取相應措施，確保工程運行安全。因此，本研究以南水北調中線鄭州段渠道邊坡為研究對象，查閱相關文獻，并結合現場實際情況，通過降雨對坡面滑坡因素的分析，提出渠道淺層滑坡的防治措施，為渠道邊坡維修管理提供技術支持。

1 工程概況

鄭州段渠道位于鄭州市西南部，以挖方為主，挖深一般9～17.5 m，渠道邊坡為土質邊坡，渠坡由黃土狀輕粉質壤土、黃土狀中粉質壤土，局部為砂壤土。通過對渠道邊坡土體物理力學指標進行分析，在天然狀態下，渠坡土體具有中等壓縮性，隨著土體黏性顆粒含量增加，內摩擦角降低，黏聚力增大。在降雨時，地表水沿黃土裂隙、空隙垂直下滲，導致邊坡靜水壓力和動水壓力增高，下滑力增強，土體抗摩阻力下降，抗剪強度降低，土體自重增加，誘發黃土邊坡失穩。根據渠道邊坡穩定性分析，渠道邊坡破壞主要的存在淺層滑坡、座滑型滑坡、軟黏土滑坡等破壞類型。因此，地表水入滲是渠道邊坡失穩的重要誘因，渠道斷面如圖1所示。

圖1 渠道斷面圖

2 滑坡原因

2021年7月18日—21日，鄭州市出現罕見持續強降水過程，鄭州市降水量超過有氣象記錄以來極值，2 h降雨量達201.9 mm，超過我國陸地小時降雨量極值。鄭州周邊地區累計降雨量在500 mm以上，部分站點在900 mm以上。持續性強降雨導致坡面雨水長時間入滲，邊坡土體表層含水率逐漸增加，抗剪強度降低，發展到一定程度，坡體表面土體在自重作用下產生滑動，形成淺層緩坡。

南水北調中線鄭州段渠道以挖方為主，渠道邊坡為土質邊坡，邊坡土質以黃土狀輕粉質壤土、黃土狀中粉質壤土為主，局部為砂壤土。在經歷持續強降雨過程，雨水不斷入滲，邊坡土體含水量由不飽和狀態達到飽和狀態，邊坡土體孔隙水壓力增高，抗摩阻力下降，抗剪強度降低，隨著土體自重增加，引起黃土邊坡失穩。目前，關于雨水入滲對渠坡穩定性的影響最普遍的觀點可分為兩點，一是降雨入滲導致渠坡土體內部含水率增加，土體自重增加，土體強度降低，抗滑穩定性減弱，導致滑動力增加，誘發了滑坡的發生；二是對于非飽和黃土滑坡而言，隨著土體內部含水率的增加，導致土體基質吸力減小，這進一步導致渠坡的強度和穩定性減弱，誘發滑坡的發生。除此以外，許多學者和專家從其他理論和觀點出發，比如滲流土體內部的滲流作用、雨水對坡面的沖刷作用等解釋降雨誘發滑坡的機理和原因，但實際情況中，并不是單一因素造成了滑坡，而是多種因素共同作用的結果。對于不同降雨條件下對土體滑坡的穩定性研究，國內外諸多學者都進行了試驗和理論研究。

Lam等［6］較早研究了降雨入滲對土體邊坡穩定性的影響，通過對不同降雨強度對土體邊坡穩定性的試驗。實驗發現降雨強度越高，邊坡土體越容易造成破壞，邊坡土體抗破壞的安全系數下降越明顯。通過分析試驗數據，邊坡土體的基質吸力是影響其穩定性的主要因素，主要由于降雨入滲增加邊坡土體空隙水壓力，使得邊坡土體基質吸力下降，安全系數降低，引起邊坡土體滑坡的發生。Ng等［7］以香港地區的某一斜坡為研究對象，通過分析實驗數據，影響邊坡的安全系數的主要因素是降雨強度、初始地下水位和滲透系數各向異性等，而且先期的降雨歷時也對安全系數有一定的影響。李兆平等［8］在試驗中以土體的體積含水率作為因變量，研究土體不同含水率對土體邊坡的影響，建立了非飽和土邊坡穩定性分析的方法。朱文彬等［9］采用有限元方法對不同降雨條件造成土體滑坡進行了數值分析，通過計算機數值模擬，發現隨著降雨歷時的延續，土體塑性區范圍不斷延伸擴展，最后在土體塑性區形成潛在滑裂面，滑裂面的形成導致邊坡失穩破壞。為了驗證引起邊坡土體破壞時間，以實例數據進行模擬計算，估算出邊坡破壞的時間。游昆駿等［10］應用有限差分軟件對某滑坡斷面進行了極限平衡理論的穩定性分析，計算結果表明，在平衡狀態下，雖然土體滑坡斷面整體處于穩定狀態，但是在強降雨工況下，發現土體滑坡斷面也會發生蠕滑-拉裂破壞。張群等［11］通過對四川南江紅層地區的邊坡滑坡使用Geo-studio軟件進行計算分析，結果表明，降雨時，坡面雨水入滲引起土體黏聚力和摩擦角變化，隨著入滲時間延續，土體黏聚力和摩擦角相應減小，造成邊坡土體破壞，因此黏聚力和摩擦角是影響淺層滑坡穩定性的重要因素。許建聰等［12］通過強降雨對淺層滑坡穩定性影響的研究，建立了強降雨條件下滑坡穩定性系數、滑帶抗剪強度和滑體保水面積三者之間的數理統計關系，在統計分析了相關試驗數據的基礎上，結合有限元的方法，分析強降雨對滑坡穩定性的影響。李寧等［13］利用非飽和土典型V-G模型和Green-Ampt降雨入滲模型對Mein-Larson降雨入滲模型進行了修正，在Mein-Larson降雨入滲模型基礎上建立了假想模型，應用假象模型研究降雨對淺層滑坡的影響，對假象模型參數率定驗證。計算結果表明，這種方法可以較為簡單的對滑坡的穩定性系數進行計算。

基于以上分析，降雨入滲是導致土體邊坡滑坡的重要因素，鄭州段部分渠道邊坡滑塌的主要原因是渠道邊坡隨著雨水不斷入滲，渠坡土壤含水量由不飽和狀態達到飽和狀態，并隨著土體含水率的增加，土體強度減小，土體基質吸引力減小，導致抗滑穩定性減弱，土體自重增加，進一步導致渠坡的強度和穩定性減弱，誘發滑坡的發生。

圖2 坡面滑坡

3 采取措施

鄭州段渠道邊坡開挖高度最高23 m，最低5 m，一般10～19 m，均為土質邊坡。由于開挖邊坡較高和受坡體地層結構、抗剪強度、降雨入滲等因素的影響，存在邊坡穩定問題。雖然在設計和施工階段采取防止邊坡失穩的措施，如采取多級邊坡，增加坡體的穩定性；坡面、坡頂設置排水、截水和防滲等措施，防止地表水沖蝕造成渠道邊坡失穩。

鄭州“7·20”特大暴雨持續強降雨造成渠道邊坡遭受破壞，部分渠道坡面出現滑坡和滑塌現象。為了保證工程運行安全，避免渠道邊坡再次出現滑坡，根據現場實際情況，采取相應工程措施和非工程措施，對于邊坡滑坡后滑動帶內的土體已被剪切破壞，其抗剪強度指標降低，透水性增大，極易引發更大范圍的滑坡，必須采取有效措施進行除險加固，并根據渠道邊坡破壞位置、類型等采取相應的處理方法。

3.1 渠道坡腳處理方法

對于渠道坡腳破壞部位，為了提高渠道坡腳土體的頂托力，徹底消除渠道邊坡滑坡或滑塌的隱患。對于受破壞程度一般的渠道坡面，將渠道坡腳基坑上部軟弱土層挖除，坡腳滑落的土方清除干凈。應按每層回填量高度不超過30 cm，分層夯實的順序回填滑塌面，回填使用土料宜與原筑渠道坡面的土料相同，回填土的顆粒成分、含水率等應滿足相關規范、標準和規程的規定。對于遭受比較嚴重和不穩定的坡面，應在設計單位對坡面進行復核計算后，根據設計院的設計方案，在不穩定坡面前緣坡腳外側設置混凝土擋土墻，采用C20混凝土現澆［14］，澆筑混凝土擋土墻時，如果擋土墻長度較大，應每段不超過5 m分段跳槽開挖、分段澆筑。在澆筑擋土墻時，擋土墻應設置排水孔，排水孔材料采用直徑為70.0 mm的PVC管，排水坡度不小于5%，外端伸出墻面至少10 cm，內端伸至碎石反濾層段長度不小于0.1 m。設置排水孔的排距、孔距均為2.0 m，排水孔高出地面0.5 m。

3.2 渠道坡面填筑處理方法

對于渠道坡面遭受滑坡和滑塌的部位，一般的滑坡或滑塌部位，在渠道坡面恢復之前，由上而下把渠道邊坡滑落的草根莖、磚塊、不穩定土體和坡面松軟浮土等清除完畢，滑落渠道坡腳處的土方清除干凈。在挖除滑動體時，應從破壞的坡面上邊緣開始逐級開挖，每級高度不超過0.3 m，一級一級地沿滑動坡面挖成鋸齒形，每一級在開挖深度上應一次挖到位，開挖寬度應向外擴展至未滑動坡面，挖至未滑動土面0.5～1.0 m。回填量應按每層高度不超過30 cm，從下向上分層夯實的順序回填滑塌面，回填使用土料宜與原筑渠道坡面的土料相同，回填土的顆粒成分、含水率等應滿足相關規范、標準和規程的規定。對于滑坡或滑塌部位較大的部位，應委托設計單位現場查勘和復核計算坡面穩定性，根據設計單位的設計方案對渠道坡面進行恢復。

3.3 渠道坡面防護處理方法

在強降雨時，為了避免修復后渠道坡面再次遭受破壞，對處理后的坡面采取護砌措施，坡面采用六棱框格鋪設，并補植草皮護坡。為提高滑動面結合處土體和未挖除擾動土層的抗剪強度，回填土應滿足相關規范、標準和規程填筑。對于橋梁兩側坡面，降雨強度較大時，橋面雨水從橋頭連接處沖刷坡面，造成坡面淺層滑移，為了減少地面徑流對坡面的沖刷破壞，在橋梁兩側設置擋水坎，避免外部雨水對渠坡的沖刷，同時在橋梁兩側渠道坡面采用素混凝土護坡處理，其他坡面采用空心六棱塊鋪設，并在修復的坡面補植同樣的草皮，減少表面土體滑移風險。

3.4 渠道坡面排水處理方法

斜坡失穩時間一般都發生在極端持續降雨時，要及時排出坡面雨水，減少雨水入滲和沖刷對坡面造成的破壞，提升渠道坡面的穩定性，就要在坡面設置完善的排水、截水和防滲措施。排水目的主要為了減少坡面雨水入滲和降低坡體地下水位，降低因降雨造成坡面土體含水量增加發生滑坡或滑塌的風險，減少降雨對渠道邊坡的影響。在渠道坡腳外緣設置截留溝，快速地將坡面徑流排出坡腳外，減少雨水下滲對渠道坡腳穩定性影響，提高坡腳的穩定性。坡面設置混凝土封頂，減小滲透壓力，從而避免因坡面滲流影響坡面穩定性。同時為了減少坡面淺層滑移，在坡面鋪設空心六棱框格，并種植草皮保護坡面，進一步提高坡面穩定性。

4 結論及建議

①渠道坡面發生滑動破壞后，不能盲目處理，應盡早完成現場的保護和測繪工作，并委托專業單位及專家進行現場查勘，研究處理方案。嚴格按照設計方案或處理方案進行除險加固處理，避免由于采取的處理措施難以達到預期效果而貽誤工程安全運行。

②渠道坡面滑坡或滑塌的形成是多種因素共同作用的結果，研究渠道坡面失穩機制是制定滑坡或滑塌治理方案的前提。研究和分析坡面滑坡或滑塌原因時應充分考慮主要因素和相關因素，現場查清坡面滑動帶范圍、查明滑坡原因，并進行復核計算。查明渠道邊坡滑坡原因才能制定合理的處理方案。工程實踐證明，結合現場實際情況，全面細致制定處理方案才能經濟而有效進行滑坡治理。

③對于不同的滑坡類型，應采取不同的處理措施，一般的淺層和原因明確的坡面滑坡，可以根據現場實際情況簡化地質勘探和設計程序，按照相應規定進行恢復。對于地質條件復雜或未進行地質勘察的深層滑坡，應進行地質勘探，并委托專業單位現場查勘，采用相關計算軟件復核計算，在查清滑動帶范圍和分析滑動原因的基礎上，制定技術可行、經濟合理的治理方案。

④渠道坡面失穩的原因不同，需要采取不同的處置方案。對于渠道坡面或坡腳失穩造成的滑坡開裂，采取單一處理措施并不能達到預期效果，要采取多種處理措施才可以保證渠道邊坡安全。如對于渠道坡腳失穩，除重點提高坡腳支撐土層的強度、置換渠道坡面擾動土層等措施外，還需要采取排水、樁基、截滲、坡面護砌等輔助措施。