高边坡膨胀土在水利水运工程中处理措施研究

◎ 梁兴

1.合肥工业大学资源与环境工程学院；2.安徽省引江济淮集团有限公司

1.工程背景及研究现状

膨胀土在我国分布超过20多个省、市，总面积超过10万km2，在广西、河南、安徽等地更是普遍存在，而且与人口居住和经济活动密集区高度重合，超过3亿人生活在膨胀土分布地区[1]。近些年来，随着基础设施、交通及水利等工程建设的不断开展，膨胀土的存在对工程边坡稳定性影响突出，严重威胁工程安全和经济社会可持续发展[2]。然而，由于膨胀土的地质成因和类型差异，加之不同环境因素的影响，其边坡灾害类型、模式和发展条件十分复杂，并且具有反复出现、长期潜伏等特点，传统的换填和挡墙、卸载、支护桩等刚性支护措施，无法适应膨胀土的内部相互作用要求，导致处理效果不够理想，耐久性较差甚至短期后即完全无效，造价巨大但效果不理想，成为工程顽疾[3]。刘斯宏等提出采用袋装膨胀土组合技术研究，利用土工袋改变土体水平、竖直方向渗透系数[4]，叶为民等研发了“表-浅-深”膨胀土边坡韧性生态防护技术，并初步形成了综合技术体系[5]，王艳芳等提出了利用聚丙烯纤维等抑制膨胀土内部裂隙发展，改良其物理力学特性[6]，邹维列等研究认为传统的刚性支护经济性、合理性不理想，提出了土工合成材料在膨胀土边坡治理方面应用效果好、经济成本低[7]。

图1 桩号36+000～52+000段泥岩自由膨胀率沿里程变化散点图

2.工程地质条件

巢湖至江淮分水岭北侧段地貌上为垄岗—丘陵，或为浅而宽的沟谷，该段为膨胀土分布区，土的膨胀潜势一般为弱～中等。此类土层原始抗剪强度高，但在水的干湿交替环境作用下，土层抗剪强度会逐渐衰减，在雨淋、水流、浪击等共同作用下，新开挖的河流、渠道、湖岸等边坡易发生崩塌、滑坡现象；土体失水后易产生干裂、收缩现象。

某水利工程输水线路有超过100 km的河段分布有弱、中等膨胀趋势的膨胀岩土及少量崩解岩，岩土体工程特性特别复杂，且上述河渠开挖深度一般在20m以上，最大挖深达46m，因此，膨胀岩土及崩解岩段河道工程建设成为关键控制因素之一。

工程局部需进行深度开挖，根据工程地质报告成果，河渠开挖边坡为土、岩混合边坡，上部为中膨胀重粉质壤土，最厚处约19m；下部为具有崩解和膨胀特性的泥质粉、细砂岩，最厚处约31.2m[8]，高边坡尤其是膨胀土边坡的稳定事关施工期和运行期人员和船只安全，需引起高度重视。

表1 线路崩解、膨胀性软岩分布一览表

已有工程经验表明，膨胀土边坡由于受大气干湿往复作用会产生浅层失稳。对此，针对膨胀土层较深的80+487.8（右岸）断面进行了复核，膨胀土边坡的表面“大气影响带”取影响深度3.4m，膨胀土强度值取残余值，而“非影响带”仍取强度折减值。除施工期外，各种工况抗滑安全系数最小值稍有减小且仍均满足规范要求，但浅层滑动不明显，只有当残余值相对于折减值很小时（试算c=8.0kPa，φ=13°），浅层滑动才局限于“大气影响带”内。虽然只有当膨胀土残余强度值较小时才发生浅层滑动，但由于膨胀土的特殊性，根据以往的工程经验，若不对其表面进行防护，任由其表面暴露于大气中，干湿交替，膨胀土强度会越来越低，若干年后将会使膨胀土的残余强度值小于滑动面的临界强度值，将会出现滑坡，因此，工程设计中对边坡表面膨胀土采取换填水泥土及护坡等隔离措施，以增强边坡稳定性的措施是必要的。

3.处理措施分析

3.1 土工膜与水泥改性土换填防护方案

土工膜覆盖综合造价低于水泥改性土换填方案，根据目前观测资料显示，采用土工膜覆盖的区域三、四级边坡原土体含水量变化和边坡位移量均较小，该方案同样可行。然而，土工膜覆盖方案不适合大范围推广，主要因为：一是土工膜大面积施工容易造成不可避免的人为破坏，质量难保障；二是人工施工效率低，难以完全结合，分层处容易出现软弱滑动面；三是缺少“压重”，难以有效抑制膨胀土涨缩变形[9]。考虑以上因素，推荐采用水泥改性土换填方案。

3.2 水泥改性土换填方案

根据水泥掺量对改性土不同龄期的不同工程性能指标影响研究结果，同时考虑实际工程与室内试验碎土级配差异，确定了掺灰土水泥掺量为3%～5%，小于3%达不到改性效果，大于5%改性效果没有显著变化。试验工程在弱膨胀土区水上边坡均采用1.0m 厚的改性土换填。从目前的观测数据来看，相对于裸坡试验，改性土以下边坡土体含水量变化幅度不大，表明换填改性土后能较好地减弱膨胀土边坡与大气间的水气交换，从而保持原边坡土体含水量基本稳定，实现了防渗减蒸发的作用目标。从南水北调中线等工程经验来看，换填1.0m改性土对弱膨胀土边坡就能够起到较好的防护效果，无论从原理上还是效果上来看，加大换填厚度都是没有必要的。同时，考虑到施工碾压机械宽度，对于1:3的设计边坡，1.0m水泥改性土换填厚度较为合适。在中膨胀土区水上边坡均采用1.5m改性土换填，可以显著地减弱了膨胀土边坡与大气间的水气交换，对中膨胀土边坡建议选用比弱膨胀土略大的换填厚度，从而可以通过适当增加压重，来减小其胀缩变形量，同时也更好地减弱其边坡土体含水量受大气影响程度。

3.3 锚固方案

根据检测结果提出工程锚杆长度控制值，弱膨胀土中钢筋、GFRP筋锚杆不宜小于5.0m；软岩中钢筋锚杆不宜小于3.5m，GFRP筋锚杆不宜小于3.0m。对于锚杆间距，应根据设计抗拔力要求及混凝土面板参数进行计算，将抗拔力转化为地基反力作用于混凝土面板上，混凝土面板简化为四边锚杆角点支撑的双向板进行结构计算。同时根据《岩石锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》（GB50086-2015）第8.3.2条的规定，锚杆间距为1.25～3.00m，且不应大于1/2锚杆长度，本工程同时兼顾施工要求，当混凝土面板采用150mm厚时，推荐采用锚杆长度为5m，锚杆间距为2.5m（坡面法向间距），锚杆垂直于坡面，锚点处混凝土厚度适当加大到250mm厚。GFRP筋材料具有天然的耐腐蚀性和良好的抗拉性能。GFRP筋为玻璃纤维增强聚合物，材料本身具有耐腐蚀性，用于水下锚杆材料可以提到加固工程的耐久性，有利于锚杆植入后杆体居中的要求，同时降低杆体植入时的阻力和减小对孔壁岩土的扰动。膨胀土、软岩内成孔的孔壁土（岩）体硬度远小于钢筋锚杆体，杆体植入时自重作用导致杆体刮擦孔壁形成凹槽，构成锚杆体被包裹或含嵌的状态，引起灌浆后杆体偏离粘结体中心。

3.4 水位变动区边坡换填加锚固方案

从膨胀土边坡破坏的特点可知，在未进行防护时二级土坡是边坡滑动的薄弱位置，且二级边坡位于水位变动区，受外界环境影响较大，坡面临空变形特征显示，换填方案的坡面变形与水位升降同步发生，而锚杆加固方案的坡面变形较水位升降滞后或呈交叉状态，同期锚杆承受拉伸荷载。因此建议二级边坡部位开挖揭露后，如遇膨胀土裂隙开展较为明显地带或土岩交界带渗水较多的区域，局部位置增设排水设施并增设锚杆，防止产生较大位移。综上所述，考虑二级边坡面板的稳定状态与河道水位具有相关性的特征，同时鉴于试验工程处河段二级边坡为土岩交界带赋存一定量地下水的条件，应加强施工期的监测，根据实际监测的位移变形情况对二级边坡（水位变动区）局部区域可采用改性土换填+大间距锚杆方案。

3.5 排水方案

根据科研成果，当设置5m排水管相比无排水管时，边坡的稳定安全系数增大约18%，稳定性明显增强。而当排水管超过3m时，增加排水管长度，降雨后的坡体浸润线略有往下整体移动的趋势，边坡安全系数略有提高，但变化不明显，表明排水管长度对排水效果的影响不大。为有效排除膨胀土坡体内可能的来水，降低坡体内浸润线，减小渗透力对边坡稳定的不利影响，根据现场试验结果，并结合驷马山滑坡治理工程等经验，推荐采用如下排水措施。在改性土和边坡土体间设置排水盲沟，在水位变动区，边坡坡体内打设仰斜式排水管，水上边坡中，对节理或裂隙发育的、开挖时有集中渗漏的区域打设仰斜式排水管，排水管长度以3～5m为宜。

4.结论

通过对本工程地质条件分析和试验研究，提出了对膨胀土边坡的几种处理措施。土工膜有一定的隔离、防渗作用，但单独使用缺少压重，难以抑制膨胀土涨缩变形，水泥改性土换填通过合理的水泥掺量、换填厚度，能够控制土体含水量，减小涨缩变形，起到较好的防护作用，水位变动区GFRP筋锚杆与水泥改性土复合，进一步根据现场实际，设置排水通道，多种措施结合，进行了设计和工程应用，根据目前工程建设情况来看，对本工程高边坡膨胀土防护起到了较好效果。