库区某膨胀土岸坡稳定性分析及治理措施

程 雪，王彩虹，卢勇鹏

(湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北 武汉 430070)

膨胀岩土是一种常见的非饱和灾害性地质体，主要由亲水性强的高岭石、蒙脱石、伊利石等组成，常表现为吸水膨胀、失水收缩、裂隙性和超固结性[1]。烈日、降雨、水位涨落等干湿条件循环交替，都会对膨胀土的强度特性和裂缝变形产生较大影响，给人类工程建筑带来严重破坏。

丹江口库区内存在大量膨胀土岸坡，以其中一处为例。该岸坡北临丹江口水库，岸坡长约400 m，坡脚高程约150 m，最大坡高10～12 m，在临近海事局段较陡，坡度约55°～90°，主要为岩土质混合岸坡和软岩质岸坡。

2014年10月，丹江口水库蓄水位达到161 m时，临近海事局办公楼一带岸坡发生明显坍塌，岸坡快速后退，最近处距居民楼约50 m，部分已修建的混凝土护坡在库水的冲刷下，出现大面积破损。由于组成岸坡的基岩为极软岩，连同上覆土层，均具有膨胀性，抗冲刷能力较差，若不采取防护措施，将对岸坡上部建筑物的安全造成严重威胁。

1 地质概况

1.1 地形地貌

该膨胀土岸坡走向近东西，高程154 m以下为缓坡地形，坡度约为5°～15°；高程154～170 m段地形较陡，坡度约为35°～55°，海事局段岸坡由于岸坡坍塌局部形成垂直陡坎；高程168～171 m以上地形平坦。

1.2 地层岩性

工程区内出露地层主要由第四系(Q)和新近系(N)组成，分述如表1。

表1 地层岩性

1.3 地质构造

本区在大地构造上位于秦岭褶皱系东南缘，跨北大巴山加里东冒地槽褶皱带及南秦岭印支冒地槽褶皱带，东部紧邻南阳～襄樊坳陷。工程区总体处于相对稳定的地块上。

场地区岩层产状平缓，倾角0°～6°，裂隙以垂直层面的短小裂隙为主。

根据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2015)[2]，工程场地地震动峰值加速度为0.05 g，地震动反应谱特征周期0.35 s，相应地震基本烈度为Ⅵ度。

1.4 水文地质

场地区地表水体主要为丹江水库，库水位也是场区内最低排泄基准面。

场地区地下水类型主要为松散介质孔隙水和基岩裂隙水两类。松散介质孔隙水赋存于第四系松散堆积碎块石土、碎石土中，为上层滞水，主要受大气降水补给，向下补给基岩裂隙或以泉水的形式出露于滑坡前缘或侧缘；基岩裂隙水赋存于岩石风化裂隙中，主要受大气降水或其上松散介质孔隙水补给，在岩体风化裂隙中运移，由于地形切割较深，且地形较陡，风化岩石透水性较强，赋存于裂隙中的水量较贫乏，且随季节性变化明显。

1.5 土、岩体物理力学性质

1.5.1 土、岩体膨胀性

针对岸坡上部中更新统冲积层(Q2al)土体和上第三系(E)基岩，分别在钻孔中取原状土样和柱状岩样进行了室内膨胀性试验。根据试验数据，岸坡上部中更新统冲积粘土自由膨胀率平均56.0%，6组试样中仅有1组自由膨胀率达到72%，总体而言该粘土呈弱膨胀性；岸坡上第三系(E)基岩自由膨胀率平均60.0%，11组试样中自由膨胀率大于等于65%的有3组，占总量的27.3%，总体而言该基岩呈弱-中等膨胀性。

1.5.2 土、岩体物理力学性质

根据土、岩体力学试验成果及工程地质类比[3]，岸坡土、岩体物理力学性质指标、地基承载力标准值建议值分别见表2、表3、表4。

表2 岸坡土体物理性质指标建议值

表3 岸坡土体力学性质指标建议值

表4 岸坡岩体物理力学性质指标建议值

2 岸坡特征

根据岸坡物质组成的差异性及地形特征，自西向东将岸坡分为两段，分述如下：

1)第①段长度约170 m，为岩土混合岸坡。第①段岸坡典型剖面见图1。

图1 第1段岸坡典型剖面

高程154 m以上，岸坡坡度约为35°～55°。坡顶覆盖1～3 m第四系中更新统冲积粘土(Q2al)，具有弱膨胀性；岸坡基岩产状近水平，属新近系(N)，上部基岩为泥岩、泥质粉砂岩，具有弱-中等膨胀性，中下部基岩为厚层疏松砂岩，疏松砂岩极易坍塌。

高程154 m以下，岸坡平缓，坡度约为10°～15°，覆盖0.5～3 m第四系上更新统冲积粘土(Q3al)，岸坡基岩以新近系(N)粉砂质泥岩为主，产状近水平，具有弱-中等膨胀性。

2)第②段长度约230 m，为软质岩质岸坡。第②段岸坡典型剖面见图2。

图2 第2段岸坡典型剖面

高程152 m以上，岸坡坡度约为15°～20°，新近系(N)泥岩、泥质粉砂岩裸露，产状近水平，基岩具有弱-中等膨胀性。坡顶局部有挡墙、后部填筑有人工堆积含碎石粘土，具有弱膨胀性，最大厚度7.9 m。

高程152 m以下，岸坡平缓，坡度约为2°～8°，覆盖0.5～4.6 m第四系上更新统冲积粘土(Q3al)，下部基岩为新近系(N)粉砂质泥岩，产状近水平，基岩具有弱-中等膨胀性。

3 岸坡稳定性分析与评价

3.1 稳定性现状

根据现场调查，各段岸坡稳定性现状如下：

1)第①段由于冲刷淘蚀，普遍见有坍塌现象。水库蓄水至160 m时，该段出现明显坍岸，岸坡坡顶前缘可见明显裂缝，缝宽一般2～7 cm，库水冲刷掏蚀坡脚，坡脚可见崩落的岩土体，并形成空穴。

2)第②段岸坡整体稳定，高程154.5～149.8 m冲刷破坏明显，坡脚前期防护修建的混凝土面板已完全损坏。

3.2 破坏模式分析与预测

依据地质资料，结合现场实测断面数据，岸坡稳定坡角选取为11°，并以此作为库岸再造预测依据[4]。各岸坡段破坏模式分析及预测如下：

1)第①段岩土混合岸坡，基岩产状近水平，岸坡位于库水位频繁波动带内，坡脚为厚层的疏松砂岩，被库水淘蚀，形成凹陷、空洞，导致上部悬空，产生坍塌破坏。预测该段岸坡遭受冲刷、侵蚀作用后，岸线逐渐垮塌后退。由于坡脚厚层的疏松砂岩极易坍塌，依据稳定坡角，预测库岸再造宽度约60 m，危及海事局挡土墙地基稳定，同时海事局挡土墙由于库水冲刷浸泡产生变形破坏。

2)第②段软岩质岸坡，随着时间推移和库水位变化，该段岸坡部的冲刷、侵蚀作用将会加剧，预测坡脚已破损的混凝护面将会进一步发生破裂、悬空等损坏，库岸再造宽度103 m，可能对坡顶建筑物造成破坏。

3.3 稳定性评价

根据岸坡稳定性现状、岸坡破坏模式分析与预测，可以判断：

1)第①段岸坡154～164 m范围岸坡已普遍坍塌，稳定性差。

2)第②段岸坡152 m以下岸坡冲刷、侵蚀破坏明显；目前整体处于基本稳定状态，在库水作用下可能进一步产生坍岸。

4 防护措施

水库蓄水后，水位频繁变化，受岩土体强度降低的影响，膨胀土岸坡稳定性随之降低，导致出现变形，因此治理措施考虑稳固坡脚、坡面按设计坡比削坡并防护的综合方案。同时，根据项目区20年一遇回水位高程，该膨胀土岸坡治理工程防护顶高程为170 m(吴淞高程)。

从安全可靠、经济合理、施工难易程度及库区美化等多方面综合考虑，工程治理方案由坡脚至坡顶见表5，典型治理剖面如图3。

表5 工程治理方案

图3 治理措施典型剖面

坡面按设计坡比修整坡面。坡脚设置混凝土护脚墙；在坡面高程160m、165m(吴淞高程)处各设置2 m宽马道。混凝土护面板的厚度按照《堤防工程设计规范》[5]D.3.3式进行计算，其计算公式为：

式中：t为混凝土护面板厚度，m；η为系数，开缝板取η=0.075；H为计算波高，取H1%；rb为混凝土板的重度，kN/m3；r为水的容重，kN/m3；L为波长，m；B为沿斜坡方向的护面板长度，m。

经计算，护面板厚度取0.25 m。

工程实施后，提高了岸坡的整体稳定性，也美化了库周环境。

5 结 语

1)本文以丹江口库区某膨胀土岸坡治理工程为例，介绍了岸坡基本地质条件、岸坡特征，并进行稳定性分析与评价，从而提出治理措施。

2)选取合适的稳定坡角，是预测膨胀土岸坡的再造范围的重要依据。

3)对于膨胀土岸坡，采用按设计坡比削坡、混凝土护面板、格构绿化等综合措施进行治理，达到了治理效果，节约工期，同时也美化了周边环境，为库区同类型地质灾害治理提供了一种思路。