河床开挖断面稳定因素的分析

刘朝阳 赵正阳 岳 峰

（1.泗阳县水利局，江苏 宿迁 223700；2.宿迁市水务勘测设计研究有限公司，江苏 宿迁 223800）

1 概述

宿迁市近几年对境内河流治理较为重视，特别是将排涝河道通过综合性治理后，极大地改善了本区域的排涝条件。在具体的实施过程中，从有利于排水通畅的角度出发，新开挖的断面比原来老河道断面底宽加宽、深度加深，但由于大部分河道土质为粉质性粘土，随着深度和宽度的加大，在开挖以及运行过程中，有时会产生不同程度河床坡面滑动，从而造成整个河道断面失稳的问题。较典型的实例有2 个：泗阳县2014年淮泗河治理工程和2013年宿迁市东沙河治理工程局部河段，两处河道均在不同时期出现一系列坡面滑动，从而导致河床大面积滑坡的问题。前者是在施工期间出现问题，而后者是在运行期出现问题。通过对具体失稳问题的研究和剖析，找出了问题的原因所在。

2 滑坡因素及条件

（1）土坡由于其表面倾斜，在自重或外部荷载作用下，潜在着向下移动的趋势。一旦由于设计、施工和管理不当，或者由于受不可预估的外来因素影响，如发生不可抗力自然灾害等，都可能造成土坡中的一部分土体相对于另一部分土体产生向下滑动，这种滑动现象称为滑坡。因而我们认为产生滑坡的根本原因是滑动面上的剪应力超过了该面上的抗剪强度，使稳定平衡遭到破坏。

（2）在运行期间，尤其当坡面受到高承压水头影响形成较大的水位差使土坡体产生渗流时，会造成坡面失稳情况的发生。渗透水流对土体的作用力，即为渗透力。此渗透力的方向与渗流的流向相同，因此，渗流对土坡稳定起着不利影响，必须加以重视，尤其在设计和施工以及运行管理时应加以考虑，以确保采取有力措施予以防范。

3 边坡设计因素引起的稳定

3.1 现状边坡的设计

目前，在河道边坡设计时特别注重边坡的稳定，一般河床边坡为1∶2.5～1∶3.0 之间，但有时由于地质条件的不同，土的重度值γ、内摩擦角φ 和粘聚力值C 不一样，为满足河床过水条件，各河道河床开挖深度也不尽相同，故产生的效果不一样，从而造成了局部段的坡面滑动，导致发生失稳问题。

3.2 对公式的分析和运用

当土体处于极限平衡状态时，河床边坡允许最大高度［h］可参照图1按以下公式计算：

θ—边坡的坡度角，°；

φ—土的内摩擦角，°；

C—土粘聚力，kN/m2。

由上式可知：

（1）当θ=φ 时，h=∞，即边坡极限高度不受限制，土坡处于平衡状态，此时土的粘聚力未被利用。根据目前宿迁地段河床开挖断面土质情况，φ值一般均在20°～18°之间，并根据坡比与θ 换算表（表1）可看出，坡比设计在1∶2.5～1∶3.0 左右较为接近φ值，因此，将河道边坡设计在1∶3.0 左右，在宿迁地区河床较为普遍，也显得较为合理。

（2）当θ﹥φ 时，若C=0，则h=0，此时挖方边坡的任何高度将不稳定。此类情况在宿迁地质河床开挖过程中较少，仅存在C 值大小之分，不存在C=0 的情况，大多数土质为粉质粘

式中：

图1 挖方边坡计算简图

表1 坡比与θ 换算表

γ—土的重度，kN/m3；性土，因土质在一个断面上，层面土也有所不同。宿迁市东沙河典型断面（上下层）土质系数C=7.1～19.3 kPa、φ=19.1°～5.4°，淮泗河断面层（上下层）土质系数粘土层C=5.0～32.0 kPa、φ=4°～13°。此时上层土C 值和φ 值均较小，一般计算此类情况的安全性公式也较多。最简单的办法是，鉴于C值较小，可假设C→0，忽略为无粘性土料，则可核算满足抗剪力与剪应力之比，即计算土坡安全系数，作为对坡面安全系数的核验。为保证土坡的稳定，安全系数必须大于1，一般为K=1.1～1.5。因此，在考虑河床开挖高度时不仅要对［h］进行核算，而且当C 值较小时，也应对土坡稳定K值进行计算，这对于河床安全性是十分必要的。

（3）当θ﹥φ 时，为陡坡，此时C值越大，允许的边坡高度h可越高。

（4）当θ﹤φ 时，为缓坡，此时θ越小，允许坡高越大。一般出现此类情况坡比在1∶4 以下，坡缓则占用土地较多，不够经济，故目前运用不多。

3.3 边坡稳定安全高度的计算

断面计算成果见表2。

表2 断面计算成果表

从表2可知，在河床开挖高度方面，虽然坡面上层面大部分C 值和φ值较小，其开挖深度h 值也大于允许开挖深度［h］值，但泗阳县淮泗河土层C 值和φ 值偏小，计算成果反映出工程之间断面［h］数值相差太大。同时，也充分反映在C 值和φ 值的差值偏小的情况下，尤其淮泗河施工过程中一遇到干燥天气，土质易脱水，土坡表层呈松软状态，且风吹时尘土飞扬，故假设C=0，进行坡面安全系数计算，=1.1～1.5，显然坡面是不安全的，则选择第3 层以下土作为改良土料，进行粘性土护坡，其施工工艺和方法可改善土坡安全性问题，则=1.15﹥1.1。

3.4 施工过程产生的滑动

通过以上淮泗河坡面稳定安全性K 系数计算可知，若在原上层土坡面不进行人工改良，则会发生坡面失稳问题。由于受上层粉质粘土的影响，坡面干燥时显得松散，在实际高度4 m（▽12.0～8.0 m）、桩号9+350至12+450 共3.1 km 的整个范围内，先后数次出现施工期间河床不稳定现象，塌陷坡面滑动时有发生，需不断修补。为彻底解决这一问题，采取了工程措施，即利用▽8.0 m 以下土层土料进行粘土护坡，使C 值和φ 值得到提高，有效改变坡面稳定问题。通过2014年7 月份排涝运行，整个河床稳定，未发生失稳现象。

4 其它因素诱发河床失稳

4.1 诱发失稳实例

大部分河床稳定是通过在理论上对C 值和φ 值进行设计计算，以满足开挖深度的要求，但这并不意味着一定不会出现河床失稳问题。实践证明，局部出现河床失稳问题都是由其它因素而引起的，较多的是因坡面松软和压实度不够，加之外侧受承压水头引起的渗透压力影响而造成了坡面滑动。如：宿迁市东沙河治理工程河床开挖深度虽满足安全稳定的要求，但是在桩号4+000 至4+587 之间的南侧河道，施工期间正逢外侧干渠送水，渗水造成大面积范围内滑坡现象，经过处理后，又在干渠进入最后送水阶段时，因东沙河为枯水期，水位差达到6.5 m，导致出现严重的圆弧滑动边坡失稳问题，其失稳产生坡面滑动基本情况见图2。

4.2 产生滑坡原因分析

（1）堆堤防渗长度不足

在河道纵向位置，桩号4+00 至4+587 为河道圆弧连接段，河床走向为东北至西南，而桩号4+587 处于圆弧末端，其断面最小，从东沙河至船行干渠河口线水平距离最小宽度为30 m。施工时为了尽可能减少此段（开发区）北侧的土地占用，依据要求尽可能顺延至南侧，以利用东沙河与干渠之间的堆堤，从而导致该段在抵御南侧高水位形成的渗透压力作用时，显得长度不够，再加之该处在桥东侧的混凝土送水渠道损坏严重，使得北侧渗漏较严重，也是造成滑坡的重要原因。

根据查勘，对该段滑动面处断面尺寸进行整理，依据图纸浸润走向分析，较安全稳定的曲线长度应为：

式中：K—理想的安全系数，K=10；

H0—上下水位差，H0=21-14.5=6.5 m。

而实际L’=45 m，故认为该段防渗长度不足以抵抗渗透压力，同时也证明下游出逸点位置抬高。依据圆弧滑动图，分析出逸点抬至▽17.0 m 左右，高出河床2.5 m。以上这些都是导致产生滑动的因素。

图2 圆弧滑动断面图

（2）青坎狭窄，边载过大

由于河道纵向中心线顺延至南侧，比原设计偏16～20 m，导致河床青坎以上断面偏窄，原有设计堆土高度为▽23.0 m，而由于积土无处堆放，青坎以上占地面积又偏小，故将堆堤加高至▽25.5 m，高出设计2.5 m，其重量G=（5+10）×2.5/2×1.6=30 t/m2，且又因接近河口，加之渗透作用，使堤身下面土层处于饱和状态，抗压、抗剪能力偏低，于是便在超载的作用下加速了滑动的产生。

（3）原有堆堤自身质量偏差

在该处，一方面，南侧混凝土渠破坏严重；另一方面，该段堤身断面压实度不够，也是导致问题的诱发因素。

（4）其它原因

由于渗透压力增加，堆堤防渗长度不够，造成出逸点上抬，不仅意味着河床下部抗滑能力降低，也使得原先在混凝土护坡中▽15.5 m 位置放置的冒水孔不能将渗水排出，直至抬高了护坡后侧面的水位，导致该处土层φ 值和C 值降低，久而久之，一旦达到极限，打破稳定平衡，瞬间便形成滑坡。根据分析，导致出现以上存在问题的因素是多方面的。

4.3 修复方案

（1）针对以上出现的问题，要采取一系列补救措施，其关键点为提高压实度，减少渗流产生，同时要遵循下泄通畅的原则与方法进行施工。

（2）具体做法：①堆堤坡的河床修复，将该处原有的滑动面清除干净，并将原滑动形成的淤泥碎渣全部清理出场；将▽23.0 m 至▽25.5 m 堆堤土作为干土对滑动面进行回填，以起到对断面减载的作用；使堆堤标高仍确定在▽23.0 m；修复该处堆堤河床时一定要将淤泥完全清除，采用干土层层套压，其压实度值不小于0.93，并进行实地监督，用环刀取样做实验，以此控制断面河床的质量。②建议将▽14.5 m 至▽20.0 m 统一做成混凝土护体，▽20.0 m 以上结构仍按原结构进行实施。③排水孔布置，建议在▽15.0 m 以下按梅花形布置。④在▽16.0 m 至17.0 m 混凝土护坡处做纵向反滤层，同时沿▽18.0 m 至▽15.5 m 线斜坡面开挖做成盲沟，断面为60 cm×80 cm，每5 m 做一道透水盲沟与纵向滤层连接。主要修补形式见图3。

图3 修补恢复断面示意图

5 结论

根据发生在施工期间和运行期间河床坡面滑动的实例分析，通过计算认为导致河床失稳的因素是多方面的。因此，要根据河道的实际土质情况、边界和水流情况进行综合分析，对设计和施工过程加以重视，并通过系统运算，才能最终排除失稳现象。实例证明，防止产生滑坡的条件必须满足：

（1）依据坡面层土料φ 值和C 值进行选择，最佳利用粘性土φ﹥20°；

（2）河床断面设计的合理性需从安全性上加以考虑；

（3）边坡外部条件影响不可小觑，应在设计和施工中加以注重，尤其是针对承压水头，要有一定的防渗宽度，并在实施过程中考虑对与侧向水头形成的接触面要进行坡面范围内的压实处理，尤其在浸润线以下100 cm 位置上，要进行一定的压实处理，压实度不小于0.93；

（4）在渗流出逸处设计适宜的纵横滤层，尤其在混凝土护坡的坡面要确保渗水有足够排出的空间；

（5）在C 值较小且φ 值相对较大的坡面土层上施工，要注意对渗积水的抽排，尽可能降低施工期间地下水位，确保坡面干爽，促进坡面层固结，从而避免坡面产生滑动。只要通过设计、施工和管理三方共同努力，严格把关，从思想上加以重视，行动上加以强化，一定能够减少河床失稳事件的发生，确保工程的整体安全性。