鄂北地区水资源配置工程膨胀土临时边坡支护方式研究

胡汛训 姚晓敏 袁葳

摘要：鄂北地区水资源配置工程膨胀土地段地质条件复杂、跨越线路长、边坡开挖深度大。而且，膨胀土对工程施工安全危害大、判别难度大且其致灾具有突发性。基于此，对该工程膨胀土段边坡临时支护方式进行了研究，依据边坡的不同失稳类型提出了针对性的支护方式和处理措施，以使滑坡灾害处于可控状态。边坡处理措施的实施保证了膨胀土边坡开挖施工的高效有序进行，最大程度减少了人员伤亡和财产损失。

关键词：膨胀土边坡;基坑开挖;边坡支护;鄂北地区水资源配置工程

中图法分类号：TV551.4 文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.11.005

Abstract： The expansive soil area of North Hubei Water Transfer Project is complicated in geological condition， long in distance and deep in canal excavation. The identification of expansive soil is difficult and the accidents often occur in a sudden way， threatening construction safety of the project. Therefore， the temporary supporting measures for the expansive soil sideslope of the project were studied， and the tailored support and treatment measures were put forward according to the failure mode of the slopes to control landslide. The adopted measures ensured an efficient and orderly excavation construction of the expansive soil sideslope and minimized the casualties and property damage.

Key words： expansive soil slope; foundation pit excavation; slope supporting; North Hubei Water Transfer Project

1 研究背景

鄂北地区水资源配置工程（以下简称“鄂北工程”）以丹江口水库为水源，利用已建的引丹灌区清泉沟隧洞进水闸为取水口，向鄂北地区供水。工程干线总长269.67 km，引水线路经过膨胀土分布区总长124.16 km，其中，弱膨胀性土分布段长114.55 km，占膨胀土总长的92.25%;中膨胀土分布段长9.61 km，占膨胀土总长的7.75%。膨胀土地段地处襄枣盆地，主要为中、上更新统黏性土。该黏性土具有弱-中等膨胀性，有卸荷膨胀、风化膨胀、遇水软化膨胀和失水干燥收缩等特点。开挖后裸露的土层抗风化能力较差，土体胀缩变形后强度降低，边坡易失稳[1]。

鄂北工程膨胀土地段地质条件复杂、跨越线路长、边坡开挖深度大，对工程施工安全危害大，同时，膨胀土判别难度大且其致灾具有突发性。鄂北工程自開工以来，暗涵段临时边坡出现了不同规模的滑坡约十余起。本文对膨胀土地段暗涵工程边坡临时支护方式进行了研究，重点研究暗涵工程中坡高大于15 m的临时高边坡，以期使滑坡灾害处于可控状态，保证膨胀土边坡开挖施工的高效有序进行，最大程度减少灾害引起的人员伤亡和财产损失。

2 工程区膨胀土特征及边坡地质结构

2.1 膨胀土膨胀潜势等级及分布特征

工程区膨胀土分布区处于南阳盆地南缘襄枣盆地内，地形地貌为岗地、岗波状平原。地层为中更新统阎庄组（Q2ydl）和上更新统琚湾组（Q3jal），属河湖相冲积和坡积成因。根据渠道沿线膨胀土探坑、河库岸坡天然剖面以及钻孔揭示情况，膨胀土在垂直方向颜色具有明显的分带性，主要可分为2层：上部以黄褐色、黑黄色为主，厚度约1.5 m;下部以褐黄色、红褐色为主。钻孔中揭示土中所含结核分布也具有一定规律，上部以铁锰结核为主，底部以钙质结核为主，且钙质结核最大直径达5 cm。开挖揭示情况也证明了局部灰白色或灰绿色黏土呈现出成层性的特点。

依据GB 50112-2013《膨胀土地区建筑技术规范》[2]，结合鄂北工程实际经验，膨胀土的大气影响深度可按3.0 m考虑，急剧变化带深度为1.5 m。由于膨胀土的膨胀性在空间上分布具有不均一性，对该工程膨胀土区土体膨胀潜势等级进行了初步研究。

考虑到工程安全问题，参考南水北调中线工程膨胀土的分类标准，类比引江济汉工程，鄂北工程膨胀土膨胀潜势分类按照样本数的30%划分，即按照由强到弱顺序，当某一渠段某一膨胀潜势等级的样本数超过该渠段总样本数30%时，即将该渠段膨胀土的膨胀潜势等级定为首先满足该等级。根据上述分类原则，划分出工程区膨胀土膨胀潜势分类，见表1。

2.2 膨胀土边坡的破坏特征

膨胀土边坡与其他土质边坡相比，失稳形式规律具有特殊性。根据对国内外膨胀土开挖边坡滑动现象的分析，可将最基本的特征和共同规律归纳如下[3]。

（1）季节性。滑动往往在持续降雨的情况下发生，降雨是主要的外部诱发因素。

（2）浅层性。多数属浅层滑动，发育深度同裂隙发育深度及大气风化影响深度基本一致，一般为2～3 m，通常小于6 m。

（3）逐级牵引性。滑坡一般是渐进式或牵引式，先在坡脚局部破坏，然后向上牵引发展，形成多层次滑动面。

（4）缓坡滑动。在相当平缓的边坡上也会发生滑坡，边坡的稳定坡角比一般土质的边坡缓。

（5）变形的滞后效应。边坡开挖后有较长的稳定时间，很多膨胀土边坡在稳定数年后才失稳。

除了与当地气象和地形条件等因素有关外，膨胀土滑坡的这些特征，主要由膨胀土本身特性决定。

2.3 施工阶段膨胀土边坡失稳现象

自鄂北工程开工以来，先后出现了不同程度的滑坡，其中，以2标段桩号10+350～10+440及9标段桩号109+596～109+678边坡失稳较为严重。根据现有边坡已发生的失稳象来看，滑坡有两种典型失稳型式：①受裂隙面控制;②受大气影响带内膨胀土性质控制。

（1）滑坡。滑坡具有弧形外貌，且有明显的滑床，滑床后壁陡直，前缘平缓，主要受裂隙控制。滑坡多呈牵引式出现，具叠瓦状，成群发生[4]。一般滑体厚1～3 m。滑坡与大气影响带深度、土的膨胀性潜势、土体结构及发育程度较密切，与边坡高度无明显关系。

2标段桩号10+350～10+440段袁冲边坡和9标段桩号109+596～109+678段边坡即为典型弧形滑坡形式，在开挖至一级马道时，土体呈现灰白或灰绿色，膨胀性增强，裂隙发育。两者也有区别，2标边坡裂隙面发育，缝面较宽，走向明显，滑床清晰可见。采用1∶2坡比削坡减载后，能在一定程度上抑止滑坡，但作用不明显，原有滑坡仍进一步滑动，且同时又出现新的滑坡。现场地质勘探和室内试验分析表明，袁冲暗涵段临时开挖边坡二级马道以下存在2组长大裂隙发育的地层，裂隙面强度低，长大裂隙的存在导致了左右岸均出现失稳。因此，袁冲暗涵段膨胀土边坡失稳初步判定为裂隙强度控制下的边坡失稳。

9标边坡裂隙面呈网纹状分析，缝面较短，没有一致走向。采用1∶2坡比削坡减载后，滑坡得到抑止，目前處于稳定状态。

（2）溜塌。边坡表层、强风化层内的土体吸水过饱，在重力与渗透压力的作用下，沿坡面向下产生流塑状溜塌。溜塌多发生在雨期。在各标段边坡溜塌均有局部发生，目前边坡失稳以此类为主。

2.4 边坡地质结构类型

根据施工期地质素描成果，工程区膨胀土存在明显的垂直分带特征，综合前期勘察成果及施工开挖情况，工程区膨胀土边坡地质结构主要有3种类型（见图1）。

（1）A类边坡地质结构。上部为弱膨胀土，长大裂隙不发育;下部坡脚与基底为中等膨胀土，长大裂隙发育，长大裂隙面（软弱结构面）和坡面易组合成滑坡体，从已开挖边坡看，下部中等膨胀土体厚度一般为0～6 m，如2标袁冲暗涵，见图2，3。

（2）B类边坡地质结构。中等膨胀土以团块或透镜体形式赋存于弱膨胀土之中，网纹状裂隙发育，裂隙具有随机性特点，如10标，见图4。

（3）C类边坡地质结构。弱膨胀土和中等膨胀土成层分布，也有中等膨胀土以透镜体形式赋存于弱膨胀土之中，网纹状裂隙发育，裂隙具有随机性特点，但是按照厚度1/3法则，边坡应属为中等膨胀土。

在绝大多数坡高超过15.0 m的坡段，边坡膨胀土在垂向上分带明显，坡脚及基坑底部均分布中膨胀土，且裂隙面发育，大多充填有灰白或灰绿色黏土薄膜、条带状或斑块，其矿物成分主要为蒙脱石，亲水性强，具有软化土体强度的显著特性，见图5。

3 工程区膨胀土边坡支护方式

3.1基坑开挖要求事项

（1）膨胀土是一种富含亲水性黏土的矿物，是随含水量增减体积发生显著胀缩变形的高塑性黏土。因此，膨胀土边坡的截水、排水、防水是保障边坡稳定的首要条件[5]。

（2）从2标段桩号10+350～10+440段边坡和9标段桩号109+596～109+678段边坡失稳现象来看，原施工采用一挖到底方式，直接由地表面开挖至建基面，边坡高度直接达到最大值，往往来不及施加加固措施，边坡就已经产生滑动。基于此，暗涵基坑高度大于10 m的不再采用一挖到底开挖方式。

（3）边坡在开挖过程中，如遇灰白或灰绿色黏土层，或坡顶水平位移观测点观测数据达到警报值时，都应停止下挖。在此情形下，可开挖探槽，根据探槽揭示地质条件对边坡稳定性进行超前判断。边坡在开挖至一级马道时，必须由专业地质人员现场察看，确定土体性状无明显变化后，方可继续下挖。

（4）边坡监测是科学管理边坡和正确处理边坡潜在问题的依据[6]。在本文工程范围内暗涵临时边坡大于10 m段布置水平及垂直位移测点。对于坡高大于15 m的边坡段还应布置测斜管。

3.2 边坡支护方式

根据上述膨胀土区开挖边坡的地质结构分类，结合施工期间产生的膨胀土边坡失稳情况，针对不同坡高及边坡土体性状，分别采取地质预判、预处理等方式进行边坡防护[7-8]。

从2标段桩号10+350～10+440段边坡和9标段桩号109+596～109+678段发生失稳现象来看，A类边坡是治理重点。B、C类边坡可按原设计图纸施工，并做好边坡截水、排水、防水。

（1）高度10 m以下边坡。根据现有边坡失稳现象，此高度范围内边坡失稳绝大部分以溜塌形式发生。从现场开挖来看，此高度区间的边坡尚未发现中膨胀土体，裂缝不发育。若发生此类边坡失稳，建议以清理为主，加强坡面防护，并在完成暗涵浇筑后尽早回填。

（2）高度10～20 m边坡。在边坡开挖过程中，如遇灰白或灰绿色黏土层，应停止下挖，且由专业地质人员现场察看，若土层符合A类结构，则采用伞形锚杆或锚筋桩加固后继续下挖。

（4）高度20 m以上边坡。应在边坡坡顶、坡脚及每级马道埋设水平及垂直位移综合测点桩，监测点水平间距不宜大于20 m，同时在坡顶或马道埋设测斜管。在边坡开挖至一，二级马道时，必须由专业地质人员现场察看，确定土体性状无明显变化后，方可继续下挖。边坡在开挖过程中，如遇灰白或灰绿色黏土层，应停止下挖，且由地质人员现场察看，若土层符合A类结构，则采用伞形锚杆或锚筋桩加固后继续下挖。

边坡位移监测警报值和膨胀土边坡开挖分类措施见表2，3。

4结 语

目前，鄂北工程膨胀土段暗涵工程已施工完毕，且回填完成，对于膨胀土边坡，尤其是临时坡，施工应遵循“快速施工、及早封闭、注重防水”的原则。本文针对鄂北工程膨胀土边坡的高度、失稳类型、膨胀潜势等级及分布进行了组合、归纳，并在此基础上研究分析，有针对性地提出了处理措施。这些措施在实际工程中取得了良好效果，有力保障了工程的顺利推进。

参考文献：

[1] 刘红卫，邓敏，赵志奇. 膨胀土地区高边坡复合支护体系设计[J]. 工程建设与设计，2016（5）：59-63.

[2] GB50112-2013膨胀土地区建筑技术规范[S].

[3] 殷宗泽，韦杰，袁俊平，等. 膨胀土边坡的失稳机理及其加固[J]. 水利学报，2010，41（1）：1-6.

[4] 张锐，郑健龙，颜天佑，等. 南水北调中线工程浅层滑坡综合防治研究[J]. 水利水电技术，2014，45（10）：70-74.

[5] 王先忠，刘蓓，宋五朋. 膨胀土边坡的防护与支护措施[J]. 河南水利与南水北调，2014（12）：19-20.

[6] 蔡耀军，？赵旻，阳云华，等. 南水北调中线膨胀土结构特性及其工程意义[C]//第三届全国岩土与工程学术大会论文集. 成都：四川科学技术出版社，2009：20-22.

[7] 刘特洪. 工程建设中的膨胀土问题[M].  北京：中国建筑工业出版社，1997.

[8] 陈善雄. 强膨胀土渠坡破坏机理及处理技术[M]. 北京：科学出版社，2015.

（编辑：李 慧）