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(wěn)定問題是國內(nèi)工程建設(shè)中常見且災(zāi)害性強的技術(shù)問題，一旦邊坡失穩(wěn)將嚴重影響工程的安全運行并造成巨大的經(jīng)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(qū)宋崗碼頭岸坡治理中成功應(yīng)用。數(shù)值計算結(jié)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(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：膨脹土邊坡; 邊坡穩(wěn)定; 柔性防護; 宋崗碼頭; 丹江口庫區(qū)

中圖法分類號：TU443 文獻標(biāo)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(jié)性和強度衰減等特性。這些特性會使膨脹土地區(qū)的工程建設(shè)極易發(fā)生邊坡坍塌或滑坡等地質(zhì)危害[1]，有長期潛在性、漸進性等特點[2]。大量工程實踐經(jīng)驗與研究成果均表明，干濕循環(huán)作用是導(dǎo)致膨脹土反復(fù)縮脹變形，引起邊坡結(jié)構(gòu)損傷并誘發(fā)滑坡的重要因素[3]。水利工程的運行以及區(qū)域內(nèi)周期性大氣降水會使得工程區(qū)內(nèi)的膨脹土一直處于較為頻繁的干濕循環(huán)過程中，極易誘發(fā)膨脹土邊坡的失穩(wěn)。因此，緊密結(jié)合工程建設(shè)實際，研究合適的膨脹土邊坡綜合治理方案，對工程的建設(shè)有重大意義。

現(xiàn)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定的同時，更好地適應(yīng)并抑制土體的變形，減少裂隙的產(chǎn)生，具有良好的經(jīng)濟效益與生態(tài)效益，在工程建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)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(chǔ)上，進一步對邊坡進行壓重（有壓）、預(yù)留排水通道等措施（快排），提升邊坡整體穩(wěn)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(fā)，基于丹江口水庫庫區(qū)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(jié)構(gòu)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(zhì)量守恒方程及運動方程，還需給出非飽和土體基質(zhì)吸力ψ、重量含水量w、飽和度S或體積含水量θ等參數(shù)之間的關(guān)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(xù)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(guān)系數(shù)較高，基本關(guān)系式為

式中：a，b均為擬合參數(shù);θr為殘余體積含水量;θs為飽和體積含水量。

1.2 邊坡穩(wěn)定分析理論

分析邊坡整體穩(wěn)定性較為常用的方法有兩大類：極限平衡法和數(shù)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(yōu)點，在工程實踐中得到了廣泛應(yīng)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(guān)于非飽和土體邊坡穩(wěn)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(wěn)定性進行分析，非飽和土有效應(yīng)力抗剪強度公式為

式中：σ為總應(yīng)力;ua為孔隙氣壓力;uw為孔隙水壓力;χ為吸力參數(shù);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(zhèn)，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(cè)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(fā)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(xiàn)局部破壞，見圖1。

2.2 區(qū)域氣象、地質(zhì)條件

（1） 區(qū)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(fā)現(xiàn)，流域內(nèi)每場降雨歷時都主要集中在4 d內(nèi)，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(zhì)條件。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘察成果，宋崗碼頭岸坡基巖為泥巖、泥質(zhì)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(zhì)產(chǎn)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(jù)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(shè)置排水盲溝+300 mm厚水泥改性土+格構(gòu)植被護坡（圖2）。格構(gòu)下方鋪設(shè)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(wǎng)（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(shè)排水溝（截水溝），盲溝出水口接入坡面排水溝（截水溝），將坡內(nèi)水沿排水溝（截水溝）排出。管道進口（與盲溝干溝聯(lián)接處）采用土工布封堵。

根據(jù)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(wěn)定情況。岸坡治理前后的有限元模型如圖4所示，模型網(wǎng)格尺寸取為0.5m，共包含22 397個節(jié)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(wěn)定的分析中，假定暴雨歷時為6 d。當(dāng)時間t≤0時，為初始工況;當(dāng)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(cè)均取為定水頭邊界，左側(cè)為高水位170 m，右側(cè)則取為易產(chǎn)生滑坡的水庫內(nèi)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(qū)區(qū)域氣象條件，在本次分析中充分考慮丹江口庫區(qū)歷年的降雨強度峰值擬定了降雨過程函數(shù)（圖5）。其余邊界條件的取定標(biāo)準參見表1。

2.5 計算參數(shù)取值

（1） 非飽和滲透參數(shù)。根據(jù)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(shù)分別進行考慮。相關(guān)材料的土水特征曲線與滲透系數(shù)函數(shù)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(fēng)化泥巖和中等風(fēng)化以下泥質(zhì)粉砂巖）均取為飽和滲透系數(shù)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(xué)參數(shù)。根據(jù)地質(zhì)建議以及相關(guān)文獻的取值經(jīng)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(nèi)摩擦角等物理力學(xué)性能指標(biāo)均有明顯提升。在本工程邊坡穩(wěn)定分析計算中所涉及的巖土體物理力學(xué)參數(shù)詳見表2。

2.6 非飽和滲流及邊坡穩(wěn)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(wěn)定分析成果如圖8，9所示。由圖可知，岸坡經(jīng)過治理后，在遭遇暴雨時，由水泥改性土與排水盲溝構(gòu)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(nèi)滯留的地下水，減少坡面積水情況的發(fā)生，維持膨脹土邊坡的穩(wěn)定。而且，各工況下邊坡的安全系數(shù)均有所提高。在初始工況下，治理前后邊坡的安全系數(shù)從1.840提至1.935;而在降雨工況下，安全系數(shù)也從1.341提至1.474，岸坡穩(wěn)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(jié) 語

本文從膨脹土邊坡失穩(wěn)的主要誘因出發(fā)，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(jié)構(gòu)布置等措施在內(nèi)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(yīng)用了該方案，采用有限元分析軟件（Seep/W和Slope/W）系統(tǒng)分析了邊坡或岸坡的滲流場分布與穩(wěn)定性情況。從計算結(jié)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(wěn)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）