基于“有压快排”的膨胀土边坡柔性综合防护方案研究

宁昕扬 曾俊 曾令华

摘要：膨胀土边坡稳定问题是国内工程建设中常见且灾害性强的技术问题，一旦边坡失稳将严重影响工程的安全运行并造成巨大的经济损失。提出了一种基于“有压快排”的膨胀土边坡柔性综合防护方案，并在丹江口库区宋岗码头岸坡治理中成功应用。数值计算结果表明：该方法能较好地控制边坡渗流场，并显著提升膨胀土边坡的稳定性。

关键词：膨胀土边坡; 边坡稳定; 柔性防护; 宋岗码头; 丹江口库区

中图法分类号：TU443 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.02.009

文章编号：1006 - 0081（2022）02 - 0052 - 05

0 引 言

膨胀土是一种特殊的高塑性黏性土，其主要成份为蒙脱石、伊利石和高岭石等亲水性矿物，具有胀缩性、崩解性、多裂隙性、超固结性和强度衰减等特性。这些特性会使膨胀土地区的工程建设极易发生边坡坍塌或滑坡等地质危害[1]，有长期潜在性、渐进性等特点[2]。大量工程实践经验与研究成果均表明，干湿循环作用是导致膨胀土反复缩胀变形，引起边坡结构损伤并诱发滑坡的重要因素[3]。水利工程的运行以及区域内周期性大气降水会使得工程区内的膨胀土一直处于较为频繁的干湿循环过程中，极易诱发膨胀土边坡的失稳。因此，紧密结合工程建设实际，研究合适的膨胀土边坡综合治理方案，对工程的建设有重大意义。

现阶段，膨胀土边坡的防护措施主要包括刚性防护、柔性防护和综合防护[4]。相比刚性防护措施，柔性防护措施可以从根本上改善膨胀土的胀缩性，在保证自身结构稳定的同时，更好地适应并抑制土体的变形，减少裂隙的产生，具有良好的经济效益与生态效益，在工程建设中得到了广泛应用。

“防截排固”是膨胀土边坡综合防治的有效思路，而“有壓快排”则是在该思路的基础上，进一步对边坡进行压重（有压）、预留排水通道等措施（快排），提升边坡整体稳定并加快其排水过程的具体实施方案。本文从“防截排固”的膨胀土边坡治理基本思路出发，基于丹江口水库库区宋岗码头膨胀土岸坡治理工程，提出了一种包括膨胀土处置、排水结构等措施的“有压快排”膨胀土边坡柔性综合防护方案，评价了方案的安全性、可靠性以及治理效果。

1 计算理论

1.1 VG土水特征曲线

在非饱和渗流场计算过程中，为求解地下水质量守恒方程及运动方程，还需给出非饱和土体基质吸力ψ、重量含水量w、饱和度S或体积含水量θ等参数之间的关系曲线，即土水特征曲线。目前，使用较多且较为成熟的几类土水特征曲线模型主要包括： Brooks-Corey模型、Gardner模型、Van Genuchten模型和Gardner-Russo模型等。基于徐绍辉、刘平等人的研究成果[5-6]，采用光滑连续的VG模型对膨胀土土体的土水特征曲线拟合效果良好，相关系数较高，基本关系式为

式中：a，b均为拟合参数;θr为残余体积含水量;θs为饱和体积含水量。

1.2 边坡稳定分析理论

分析边坡整体稳定性较为常用的方法有两大类：极限平衡法和数值分析法。极限平衡法因其计算简单，物理意义明确，算法成熟可靠等优点，在工程实践中得到了广泛应用，主要包括瑞典圆弧滑动法、Janbu法、Spencer法以及Bishop法等[7]。

目前，关于非饱和土体边坡稳定性分析的研究成果大多是基于Bishop或Fredlund提出的非饱和土强度理论公式开展的[8]，并取得了良好的拟合效果。故在本文研究中，采用极限平衡法中的Bishop法对膨胀土边坡的稳定性进行分析，非饱和土有效应力抗剪强度公式为

式中：σ为总应力;ua为孔隙气压力;uw为孔隙水压力;χ为吸力参数;c′为有效黏聚力;j′为有效摩擦角。

2 工程实例

2.1 项目背景

宋岗码头位于河南省淅川县香花镇，地处丹江口水库东岸，库岸段西端紧接宋岗码头，东端抵达宋岗泵站进水渠，北侧面临丹江水库，治理段长度400 m，岸坡上建有多栋居民楼房以及海事局办公大楼。2014年10月，丹江口水库蓄水位达到161m时，临近海事局办公楼一带未护岸段发生明显塌岸，库岸快速后退，最近距居民楼50 m，部分已修护坡段的混凝土护坡及挡土墙在库水冲刷下，出现局部破坏，见图1。

2.2 区域气象、地质条件

（1） 区域气象。对丹江口水库流域1971～1995年各水文站和雨量点的逐日降雨资料进行分析后发现，流域内每场降雨历时都主要集中在4 d内，平均最大4 d降水量占场次平均降水的88%。而主雨峰则集中在第1～2天，主雨峰时段降水量一般占暴雨总量的80%左右，最大24 h降水量为方城站1975年8月6日的488.4 mm[9]。

（2） 地质条件。根据现场地质勘察成果，宋岗码头岸坡基岩为泥岩、泥质粉砂岩等极软岩，上覆土体（厚0.5～4.6 m）均为冲积黏土。岸坡处岩土体介质产状近似水平，基岩与上覆土体均具有弱-中等膨胀性，回填料所采用碎石土同样具有一定的弱膨胀性。

2.3 岸坡治理方案与有限元模型

根据所拟定的“有压快排”基本治理思路，在岸坡治理工程中，采用的具体治理方案如下：

（1） 坡面设置排水盲沟+300 mm厚水泥改性土+格构植被护坡（图2）。格构下方铺设300 mm厚水泥改性土。

（2） 水泥改性土所用素土的自由膨胀率不宜大于65%，水泥改性土水泥掺量为4%，采用振动夯夯实，压实度不小于94%。

（3） 水泥改性土下布置反滤料盲沟网（图3），盲沟宽、深均为30 cm。在盲沟底部（马道处）采用Φ75PE63管接盲沟干沟，引出护坡面，同时坡面设排水沟（截水沟），盲沟出水口接入坡面排水沟（截水沟），将坡内水沿排水沟（截水沟）排出。管道进口（与盲沟干沟联接处）采用土工布封堵。

根据所拟定的膨胀土岸坡治理方案，采用Seep/W与Slope/W软件建立起该治理方案的有限元分析模型，以进一步评价岸坡的非饱和渗流场与边坡稳定情况。岸坡治理前后的有限元模型如图4所示，模型网格尺寸取为0.5m，共包含22 397个节点，22 152个单元。

2.4 计算工况与边界条件

在宋岗码头膨胀土岸坡治理项目的渗流场与边坡稳定的分析中，假定暴雨历时为6 d。当时间t≤0时，为初始工况;当0<t≤6 d时，为降雨工况。同时，在非饱和渗流计算过程中，模型左、右侧均取为定水头边界，左侧为高水位170 m，右侧则取为易产生滑坡的水库内低水位156 m。在降雨工况时，边坡顶部与表面取为降雨边界，基于丹江口库区区域气象条件，在本次分析中充分考虑丹江口库区历年的降雨强度峰值拟定了降雨过程函数（图5）。其余边界条件的取定标准参见表1。

2.5 计算参数取值

（1） 非饱和渗透参数。根据前期地勘资料，工程所在地基岩以及碎石土等材料都具有不同的膨胀性，在渗流分析中对其非饱和渗透参数分别进行考虑。相关材料的土水特征曲线与渗透系数函数详见图6，7。其他岩土材料（如4%的水泥改性土、排水盲沟、抛石、强风化泥岩和中等风化以下泥质粉砂岩）均取为饱和渗透系数参与计算，其值分别为0.00033，4.32，4.32，0.052 m/d和0.0173 m/d。

（2） 岩土体物理力学参数。根据地质建议以及相关文献的取值经验[10-11]，采用4%的水泥处置过弱膨胀土后，其容重、黏聚力與内摩擦角等物理力学性能指标均有明显提升。在本工程边坡稳定分析计算中所涉及的岩土体物理力学参数详见表2。

2.6 非饱和渗流及边坡稳定分析成果

宋岗码头膨胀土岸坡治理前后非饱和渗流场以及边坡稳定分析成果如图8，9所示。由图可知，岸坡经过治理后，在遭遇暴雨时，由水泥改性土与排水盲沟构成的防渗排水体系不仅能够有效阻止大气降水的入渗，同时能够快速排出坡内滞留的地下水，减少坡面积水情况的发生，维持膨胀土边坡的稳定。而且，各工况下边坡的安全系数均有所提高。在初始工况下，治理前后边坡的安全系数从1.840提至1.935;而在降雨工况下，安全系数也从1.341提至1.474，岸坡稳定性显著提高，进一步证明所拟定的膨胀土边坡“有压快排”柔性综合防护方案的安全性与可靠性。

3 结 语

本文从膨胀土边坡失稳的主要诱因出发，基于“防截排固”的膨胀土边坡治理基本思路，提出了一种包括膨胀土处置与排水结构布置等措施在内的“有压快排”膨胀土边坡柔性综合防护方案，并依托于一个简单算例进行验证。在宋岗码头膨胀土岸坡的实际治理中应用了该方案，采用有限元分析软件（Seep/W和Slope/W）系统分析了边坡或岸坡的渗流场分布与稳定性情况。从计算结果中可看出，本文所提出的“有压快排”膨胀土边坡柔性综合防护方案能够有效地控制膨胀土边坡的渗流场，并显著提升边坡的稳定性。该方案在工程实践中具有良好的治理效果与实践意义，可为其他类似边坡工程治理提供参考。

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（编辑：李 慧）