1概述
膨脹巖（土）因其具有的特殊工程特性，易造成渠坡失穩(wěn)，因而對工程安全運行影響較大，而且其處理難度、處理工程量和投資也較大，膨脹巖（土）處理是南水北調(diào)中線工程總干渠的關(guān)鍵技術(shù)難點問題之一。
目前，根據(jù)膨脹巖（土）渠坡失穩(wěn)的力學(xué)性質(zhì)，其渠坡失穩(wěn)大體上可分為兩種模式：膨脹力作用下的渠坡失穩(wěn)和裂隙強度控制下的渠坡失穩(wěn)[1]。前者易造成淺層疊瓦式破壞，后者則易造成整體邊坡的失穩(wěn)。
膨脹力作用下的渠坡滑動主要以膨脹變形為驅(qū)動力，多表現(xiàn)為淺層、表層疊瓦式破壞，這種破壞會對渠道淺層渠坡及渠道襯砌造成破壞。目前南水北調(diào)中線膨脹巖（土）的處理措施主要針對這種形式下的破壞，即綜合考慮大氣影響深度及脹縮變形量對渠道襯砌容許變形量的影響等因素下，采用換填的處理措施，在渠底和渠坡設(shè)計坡面下膨脹巖（土）分布范圍內(nèi)，垂直超挖換填一定厚度的非膨脹性土，以隔絕大氣對膨脹巖（土）的影響，同時換填土體起到壓重及吸收部分膨脹變形的作用，[JP3]換填土垂直渠坡厚度可根據(jù)所保護(hù)的膨脹巖（土）膨脹等級、考慮換填壓實施工條件、結(jié)合換填渠坡坡比取1～3m。
裂隙強度控制下的渠坡失穩(wěn)，主要因為裂隙面強度極低，邊坡由于抗滑力不足而產(chǎn)生整體深層滑動失穩(wěn)。本文主要結(jié)合總干渠深挖段開挖后的地質(zhì)情況，針對裂隙強度控制下的膨脹巖（土）渠坡失穩(wěn)，通過對渠坡穩(wěn)定計算分析，提出裂隙強度控制下的渠坡深層失穩(wěn)的處理措施，以確保邊坡安全。
2工程地質(zhì)概況
南水北調(diào)中線干線工程涉及的膨脹巖（土）渠段累計長度約340km，包括第三系膨脹巖和第四系膨脹土，主要分布在陶岔至北汝河段、輝縣至新鄉(xiāng)段、邯鄲至邢臺段。其中膨脹巖主要為上第三系濱湖相、河湖相陸源碎屑沉積的軟巖，巖性主要為棕黃、棕紅雜灰綠色粘土巖和灰白色、灰白雜灰綠色及灰黃色的泥灰?guī)r，多具中強膨脹性。黏土巖多呈堅硬硬塑土狀，成巖差，干裂后網(wǎng)狀裂隙發(fā)育，巖裂面具蠟狀光澤和擦痕，多附黑色鐵錳質(zhì)薄膜和灰綠色薄膜及條紋；泥灰?guī)r為泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，大部分成巖差，為硬可塑堅硬土狀，多為軟巖，巖體均勻性差，節(jié)理裂隙發(fā)育，沿裂隙有鐵錳質(zhì)薄膜，層間有軟弱夾層和結(jié)構(gòu)面，多充填棕紅色黏土，局部見溶隙。膨脹土主要為第四系中更新統(tǒng)沖湖積粉質(zhì)黏土、黏土，多以弱中膨脹性[1]。
3膨脹巖典型渠段處理
3.1典型斷面概況
選取某深挖方強膨脹巖渠段作為典型渠段，該渠段總長715m，為深挖方渠段，最大挖深18m，渠道設(shè)計底寬185m，一級邊坡系數(shù)1∶325，二級邊坡系數(shù)1∶30。
前期地質(zhì)資料顯示，本渠段內(nèi)分布的膨脹巖主要為上第三系洛陽組濱湖的黏土巖和泥灰?guī)r，其具中強膨脹性趨勢，主要分布在渠道一級馬道附近及以下部分。膨脹巖中網(wǎng)狀裂隙較發(fā)育，裂隙面光滑，并見有擦痕，裂隙間充填物質(zhì)含水量大，部分渠段尚存在層間結(jié)構(gòu)面和軟弱夾層等軟弱結(jié)構(gòu)面，抗剪強度低，對渠道邊坡的穩(wěn)定極為不利[2]。典型地質(zhì)橫斷面見圖1。
圖1典型斷面地質(zhì)橫剖面
在施工中本段進(jìn)行了先期探槽開挖，發(fā)現(xiàn)探槽中原生裂隙較多，延伸長度大于3m，存在的部分緩傾角裂隙，裂面光滑，與渠道走向夾角為大于67°，傾角4°、23°，許多網(wǎng)狀微裂隙，產(chǎn)狀不規(guī)律，裂隙結(jié)構(gòu)面強度低，出露高程不均，對邊坡穩(wěn)定極為不利。
3.2邊坡穩(wěn)定復(fù)核
南水北調(diào)中線工程總干渠邊坡穩(wěn)定計算一般采用圓弧滑動分析法，選用中國水利水電科學(xué)院編制的“土石壩邊坡穩(wěn)定分析程序”來進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析計算，使用程序中畢肖普法和瑞典圓弧法計算圓弧滑裂面或任意形狀的滑裂面安全系數(shù)，對于膨脹巖（土）渠段采用分帶法進(jìn)行穩(wěn)定計算。
由于探槽開挖揭示的本段膨脹巖裂隙較發(fā)育，裂隙結(jié)構(gòu)面強度低，考慮裂隙可能引起深層邊坡滑動，復(fù)核采用摩根斯頓普賴斯法（折線法）復(fù)核邊坡穩(wěn)定，裂隙面參數(shù)選用摩擦角10°，凝聚力85kPa。計算工況分為：設(shè)計工況，地下水穩(wěn)定滲流；校核工況Ⅰ，渠內(nèi)無水，地下水穩(wěn)定滲流。斷面計算參數(shù)及計算結(jié)果見表1。
從計算結(jié)果看，采用裂隙面強度指標(biāo)進(jìn)行深層邊坡穩(wěn)定計算，校核工況Ⅰ（控制工況）中的邊坡安全系數(shù)小于1，不滿足安全系數(shù)的要求，需對渠道邊坡采用一定的處理措施。目前該段渠道一級邊坡坡比已到1∶3.25，進(jìn)一步放緩邊坡對安全系數(shù)影響較小，且需要增加永久征地，新增永久征地的周期一般較長，會對該段施工工期造成很大的影響，所以設(shè)計考慮采取其它工程措施進(jìn)行邊坡處理，處理方法為增設(shè)抗滑樁。
3.3抗滑樁設(shè)計
由于該段膨脹巖（土）中裂隙較為發(fā)育，在考慮深層裂隙條件下進(jìn)行的邊坡穩(wěn)定計算中不滿足安全系數(shù)要求，需采用工程措施保證邊坡穩(wěn)定，設(shè)計考慮設(shè)置抗滑樁的處理方式。
抗滑樁的計算原理主要如下：①根據(jù)滑裂面處抗剪強度指標(biāo)，計算滑坡推力；②根據(jù)地形、地質(zhì)情況確定抗滑樁設(shè)計位置，初步擬定抗滑樁樁長，樁徑，樁間距等設(shè)計參數(shù)；③根據(jù)樁計算寬度及滑裂面處地層情況選定地基系數(shù)，然后選定抗滑樁內(nèi)力計算方法，判斷按剛性樁或者彈性樁計算；④進(jìn)行抗滑樁內(nèi)力計算，計算各部位剪力、彎矩、位移，根據(jù)內(nèi)力計算進(jìn)行配筋計算。
?。?）滑坡推力計算。
將滑坡范圍內(nèi)滑動方向和滑動速度大體一致的一部分滑體視為一個計算單元，在順滑動主軸方向的地質(zhì)斷面圖上分條塊，由后向前計算各條塊分界面上的剩余下滑力即是該部位的滑坡推力。計算簡圖見圖2。
圖2滑體第i塊上力系
下滑力計算公式如下：
Ei=E1+E2+E3+E4
E1=KWisinαi
E2=Ei-1ψi
E3=-Wicosαitanφi
E4=-cili
ψi=cos（αi-1-αi）-sin（αi-1-αi）tanφi
式中：Ei為第i個條塊滑體的剩余下滑力（kN/m），方向指向下滑方向并平行于第i個條塊滑面；E1為計算滑體產(chǎn)生的下滑力（kN/m）；E2為i-1塊滑體產(chǎn)生的下滑力或上滑力（kN/m）；E3為計算滑體產(chǎn)生的抗滑力（kN/m）；E4為計算滑體滑面長生的凝聚抗滑力（kN/m）；K為抗滑計算的安全系數(shù)，計算取12；Wi為第i條塊滑塊重量（kN/m）；αi為第i條塊滑面傾角（°）；αi-1為第i-1條塊滑面傾角（°）；φi為第i條塊所在滑面上的摩擦角（°）；ci為第i條塊所在滑面上的單位凝聚力（kPa）；li為第i條塊所在滑面的長度（m）；ψi為剩余下滑力傳遞系數(shù)。
（2）裂隙面的選取。
由于裂隙面的復(fù)雜性，本次計算考慮緩傾角與陡傾角的不利裂隙組合，通過計算找出相對危險的滑裂面。典型斷面處概化網(wǎng)格圖見圖3，陡傾角的組合采用4種不同傾角（縱向裂隙與橫向裂隙之間的夾角）的縱向裂隙，縱向裂隙傾角分別如下：1號裂隙縫傾角30°，2號裂隙縫傾角25°，3號裂隙縫傾角22°，4號裂隙縫傾角20°。按四種不同組合，并在平面上改變各組合中縱向裂隙縫的平面位置，搜索得到該組組合中具有最大的下滑推力的縱向裂隙面平面位置，經(jīng)計算，各組合中的最危險滑裂面緩傾角為10°，各組合最大剩余下滑力及下滑力角度見表2。
[FK（W]
圖3裂隙面概化網(wǎng)格示意圖
[FK）]
表2不同組合最大剩余下滑力
[BHDFG3，WK8，WK5，WKW]
[HT6][HJ*4]緩傾角角度（橫向裂隙角度）（°）[]縱向裂隙傾角（°）[HT][]
[ZB（][BHDG1*2，WKW][HT6]坡腳剩余下滑力及角度[HT]
[BHDG1*2，WK8，WKW][HT6]剩余下滑力/kN[]角度（°）[HT][ZB）]
[BHDG1*2，WK8，WK5，WK8，WKW]
[HT6]0[]22[]571.78[]0
[BHDW]5[]20[]585.19[]4.972
[BH]10[]20[]764.6[]-20.864
[BH]15[]15[]603.84[]-20.864[HT][HJ*5/6][BG）F][HJ]
從計算結(jié)果看出，緩傾角10°與陡傾角20°組合下滑力最大，選其為典型斷面最不利滑裂面進(jìn)行計算。
根據(jù)滑裂面處土體強度指標(biāo)，凝聚力85kPa，摩擦角10°。計算各滑塊剩余下滑力，經(jīng)計算：在安全系數(shù)為12的情況下，渠坡整體剩余下滑力7646kN，針對該裂隙面滑坡推力計算簡圖見圖4。
?。?）抗滑樁計算。
根據(jù)剩余下滑力，初步擬定抗滑樁為C25鋼筋混凝土方樁，樁徑2m×3m，樁長20m，樁間距6m，錨固段113m?？够瑯对O(shè)置在渠道一級馬道處，即第六條塊處，該條塊剩余下滑力13142kN，一級馬道以下條塊能提供5496kN抗滑力，荷載按矩形分布。
抗滑樁計算方法按懸臂樁法計算，考慮滑裂面下膨脹土地基系數(shù)為常數(shù)，因此按K法計算樁所受內(nèi)力，彈性抗力系數(shù)K需要根據(jù)現(xiàn)場試驗而定，計算查《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》附表經(jīng)驗值，彈性抗力系數(shù)K值取4×104kN/m3，計算寬度BP=3m，則抗滑樁變性系數(shù)
β=（KHBp/4EI）1/4
計算出β=0124m1，βh2=14>1，所以按彈性樁進(jìn)行驗算，計算時考慮樁下端鉸接。計算使用理正巖土計算軟件。計算結(jié)果如下：
背側(cè)最大彎矩=259827（kN·m），距離樁頂115m；最大剪力=45876kN，距離樁頂87m；最大位移=41mm。
根據(jù)內(nèi)力計算結(jié)果，抗滑樁背側(cè)按受彎構(gòu)件、面?zhèn)劝词軌簶?gòu)件進(jìn)行設(shè)計，背側(cè)布置32根Φ36的II級鋼筋，面?zhèn)炔贾?4根Φ28的I級鋼筋，兩側(cè)各布置22根Φ28的II級鋼筋，箍筋采用Ф18間距200mm的I級鋼筋。
?。?）抗滑樁方案設(shè)計。
為防止因裂隙滑動產(chǎn)生的邊坡失穩(wěn)問題，在典型斷面處設(shè)置C25鋼筋混凝土方樁，樁徑2m×3m，樁長20m，樁間距6m。處理典型斷面見圖5。
[FK（W]
圖5抗滑樁方案典型斷面
[FK）]
4結(jié)語
南水北調(diào)中線總干渠強膨脹巖（土）邊坡存在大量原生裂隙，裂隙面分布不規(guī)律且裂隙面強度極低，邊坡容易發(fā)生由于抗滑力不足而產(chǎn)生整體深層滑動失穩(wěn)，針對此種情況，本文采用摩根斯頓普賴斯法（折線法）復(fù)核邊坡穩(wěn)定，采用傳遞系數(shù)法計算下滑力，通過抗滑樁計算設(shè)置抗滑樁，解決了邊坡深層滑動問題，為類似涉及膨脹巖（土）深層裂隙邊坡穩(wěn)定問題的工程提供了一種參考處理方法。隨著南水北調(diào)中線一期工程的順利通水，目前該渠段工程運行狀況良好，為輸水任務(wù)作出了貢獻(xiàn)。
參考文獻(xiàn)：
[1]長江水利委員會長江科學(xué)院.膨脹土地段渠道破壞機理及處理技術(shù)研究總報告[R].2011，12：67，2325.
[2]河南省水利勘測有限公司.南水北調(diào)中線一期工程總干渠沙河南至黃河南段工程禹州和長葛段工程地質(zhì)專題報告[R].2010，4：111116.
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