南水北調(diào)中線總干渠焦作礦區(qū)段線路條件復(fù)雜，根據(jù)渠線總體布置需要，渠道在穿越山門河時(shí)采用隧洞。隧洞進(jìn)、出口連接渠道均為深挖方，挖深40m左右，渠坡地質(zhì)條件為粘礫復(fù)合地層結(jié)構(gòu)，土質(zhì)高邊坡易失穩(wěn)。進(jìn)、出口連接渠道鄰近山門河，渠坡受河道側(cè)向滲流影響，可能產(chǎn)生滲透穩(wěn)定破壞。為了確保該段渠道的運(yùn)行安全，有必要開展土質(zhì)高邊坡的穩(wěn)定及排水措施研究。
1工程地質(zhì)概況
工程區(qū)位于太行山東南簏山前坡洪積裙，場(chǎng)區(qū)地勢(shì)西北高，東南低。山門河河谷呈“U”型，自西北向東南流經(jīng)工程場(chǎng)區(qū)。河兩岸地面高程133～136m，河底高程127～128m，河槽寬40～80m。山門河為季節(jié)性河流，主要在汛期排泄洪水[1]。
工程場(chǎng)區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)屬土、巖雙層結(jié)構(gòu)。覆蓋層土體屬黏、礫多層結(jié)構(gòu)，巖性主要為第四系全新統(tǒng)黃土狀中粉質(zhì)壤土、中更新統(tǒng)重粉質(zhì)壤土和卵石，巖性不均，相變頻繁；下伏古生界二疊系巖體屬層狀結(jié)構(gòu)，巖性為泥巖、砂巖。工程區(qū)主要地層情況見圖1。
工程區(qū)位于華北地震構(gòu)造區(qū)華北平原地震帶內(nèi)，根據(jù)中國(guó)地震局分析預(yù)報(bào)中心編制的《南水北調(diào)中線工程沿線設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃報(bào)告》，工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為015g，相當(dāng)于地震基本烈度Ⅶ度。
工程區(qū)地下水為第四系松散層孔隙潛水，主要賦存于卵石層，卵石層局部膠結(jié)，發(fā)育有溶隙溶孔?？碧狡陂g鉆孔中測(cè)得，地下水位高程9644～10300m。地下水主要接受大氣降水入滲和側(cè)向逕流補(bǔ)給；消耗于人工開采及側(cè)向徑流排泄。
2土質(zhì)高邊坡邊坡穩(wěn)定研究
根據(jù)山門河暗渠工程場(chǎng)區(qū)的地形地質(zhì)條件，選擇出口連接段挖深最大區(qū)域作為典型進(jìn)行邊坡穩(wěn)定研究。保持土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定，一般采用兩種方法。第一是放緩開挖邊坡，根據(jù)土質(zhì)條件選擇合理的坡比，使邊坡自然保持穩(wěn)定，同時(shí)進(jìn)行坡面防護(hù)；第二是根據(jù)地形、場(chǎng)地條件選擇一定的開挖坡比，在邊坡不能保持自然穩(wěn)定時(shí)采取一定工程措施進(jìn)行加固，使之保持穩(wěn)定。本文根據(jù)工程場(chǎng)區(qū)土質(zhì)高邊坡的特點(diǎn)，提出放坡和工程加固三種邊坡方案進(jìn)行對(duì)比研究，從中選擇既能保證工程安全，又經(jīng)濟(jì)合理的邊坡坡型。
2.1計(jì)算工況及荷載組合
根據(jù)南水北調(diào)中線總干渠渠道施工和運(yùn)行條件，選取以下三種控制工況進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析[2]。
正常情況：渠道內(nèi)設(shè)計(jì)水深70m，地下水處于穩(wěn)定滲流；非常情況I：施工期，渠內(nèi)無水，地下水處于穩(wěn)定滲流狀態(tài)；非常情況Ⅱ：正常情況+地震。
2.2計(jì)算參數(shù)
選擇暗渠出口段挖深最大區(qū)域作為典型進(jìn)行邊坡穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算邊坡總高度為4033m。計(jì)算采用的各土層物理力學(xué)參數(shù)值見表2。
2.3邊坡方案比選
三種邊坡方案總體布置如下。
方案一：放緩邊坡，選擇合理的坡比，既能保持邊坡穩(wěn)定，又盡量減少渠道開口寬度和占地。經(jīng)過多種邊坡坡比的試算，最終確定一級(jí)邊坡高9m，以上各級(jí)邊坡高6m；一級(jí)邊坡坡比取1∶35，二級(jí)邊坡坡比取1∶275，以上各級(jí)邊坡坡比按025遞減；一級(jí)馬道寬度取5m，二級(jí)馬道寬度取10m，以上各級(jí)馬道寬度取2m。
方案二：適當(dāng)?shù)姆哦高吰?，邊坡穩(wěn)定不滿足要求時(shí)，采用抗滑樁和錨桿聯(lián)合加固。經(jīng)計(jì)算分析，確定邊坡坡型為：一級(jí)邊坡高9m，以上各級(jí)邊坡高6m；一級(jí)邊坡坡比取1∶3，以上各級(jí)邊坡坡比按025遞減；一級(jí)馬道寬度取5m，以上各級(jí)馬道寬度取2m。加固措施為：一級(jí)馬道設(shè)1排抗滑樁，樁長(zhǎng)27m，樁間距5m，樁截面尺寸25m×15m；三至五級(jí)馬道共設(shè)7排錨桿，錨桿長(zhǎng)度18m，間距3m×2m，與水平面夾角為20°。
方案三：進(jìn)一步放陡邊坡，為保證邊坡整體和局部穩(wěn)定，采用兩排抗滑樁加固。邊坡坡型為：一級(jí)邊坡高9m，以上各級(jí)邊坡高6m；一級(jí)邊坡坡比取1∶25，以上各級(jí)邊坡坡比按025遞減；一級(jí)馬道寬度取5m，以上各級(jí)馬道寬度取2m。加固措施為：一級(jí)馬道設(shè)1排大型抗滑樁，樁長(zhǎng)32m，樁間距5m，樁截面尺寸35m×25m；三級(jí)坡設(shè)1排小型抗滑樁，樁長(zhǎng)15m，樁間距5m，樁截面尺寸18m×14m。
選取挖深最大區(qū)域內(nèi)100m長(zhǎng)渠道，計(jì)算三種坡型方案的工程及移民占地投資情況。經(jīng)計(jì)算，三種坡型方案的主要投資情況見表3。
三種方案相比較，方案一的工程投資最小，移民占地投資稍大，但總投資最小；后兩種方案雖然減少了一部分移民占地投資，但邊坡加固投資增加較多（邊坡加固投資增長(zhǎng)幅度大于移民占地投資降低幅度），總投資均高于方案一。另外，方案一以土方工程為主，施工方法簡(jiǎn)單，施工進(jìn)度快；后兩種方案需要施工30m左右的深層抗滑樁，施工難度大，且具有一定的風(fēng)險(xiǎn)。綜合以上分析，對(duì)于山門河暗渠進(jìn)、出口段這類土質(zhì)高邊坡，應(yīng)選擇合理的開挖坡比，放坡使邊坡自然保持穩(wěn)定。這樣既能減少工程投資，又能降低施工難度和風(fēng)險(xiǎn)，加快工程進(jìn)度。
3土質(zhì)高邊坡邊坡排水研究
山門河暗渠進(jìn)、出口連接段渠道緊鄰山門河，進(jìn)、出口裹頭距河道中心線最近處約110m。山門河河底高程在12650m左右，暗渠進(jìn)口渠底高程97469m，出口渠底高程97139m，河底高于渠底。暗渠工程場(chǎng)區(qū)為土礫復(fù)合地層結(jié)構(gòu)，其中卵石層滲透系數(shù)為54×10-2～93×10-2，為強(qiáng)透水層。河道來水時(shí)，河水可能沿卵石層向渠道滲流，并在渠坡出溢。山門河暗渠進(jìn)、出口為土質(zhì)高邊坡，受河道側(cè)向滲流影響，可能產(chǎn)生滲透穩(wěn)定破壞，進(jìn)而影響邊坡的整體穩(wěn)定，需要設(shè)置有效的排水措施，降低邊坡內(nèi)的浸潤(rùn)線和孔隙水壓力。
3.1滲流計(jì)算
為了合理確定邊坡排水措施，取進(jìn)口緊鄰河道邊坡作為典型進(jìn)行滲流計(jì)算。
?。?）計(jì)算工況。
河道20年一遇洪水位，渠道內(nèi)設(shè)計(jì)水位。
?。?）計(jì)算方法。
山門河為季節(jié)性河流，河道每次行洪歷時(shí)時(shí)間較短，行洪過程中實(shí)際滲流場(chǎng)情況也較為復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，偏于安全按二維穩(wěn)定滲流進(jìn)行計(jì)算。
滲流計(jì)算采用有限單元法，計(jì)算軟件采用河海大學(xué)編制的《水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)》程序。
（3）計(jì)算成果。
經(jīng)計(jì)算，鄰河邊坡每沿米滲流量為1693m3/d，邊坡滲流出逸比降最大為0615（大于卵石層允許滲流比降）[4]。
鄰河邊坡需要采取排水措施降低浸潤(rùn)線，同時(shí)在卵石坡面設(shè)置排水反濾措施，見圖2。
3.2排水措施
根據(jù)滲流計(jì)算成果，山門河暗渠鄰河高邊坡排水采用深層排水孔結(jié)合貼坡排水體和坡面排水網(wǎng)的排水體系。排水措施具體布置見圖3。
?。?）邊坡深層排水
在二至六級(jí)邊坡上每級(jí)設(shè)一排深層排水孔，其中二級(jí)邊坡上排水孔深20m，其余各級(jí)邊坡上排水孔深12m，排水孔間距3～5m，孔徑100mm，排水孔向上傾角5°。排水孔中設(shè)排水花管，排水花管采用PVC管，管身開孔直徑10mm，按梅花形均勻布置，開孔率15%～20%，排水花管外包裹土工布作為反濾層。排水孔內(nèi)滲水排入邊坡馬道上的縱向排水溝。
?。?）坡面排水。
針對(duì)有卵石層出露的坡面，為防止?jié)B流將細(xì)顆粒帶出，造成滲透穩(wěn)定破壞，布置貼坡排水措施。貼坡排水采用三層結(jié)構(gòu)，先鋪設(shè)一層土工布，其上鋪20cm厚砂礫料，表層為30cm厚干砌石。貼坡排水主要設(shè)在三、四、五級(jí)坡面。
對(duì)于重粉質(zhì)壤土和黃土狀中粉質(zhì)壤土坡面，需要防止雨水對(duì)坡面的沖刷和浸泡，布置坡面排水網(wǎng)。坡面排水網(wǎng)由菱形布置的矩形預(yù)制混凝土排水溝組成，菱形框格3m×3m，互相聯(lián)通，每隔13個(gè)菱形框格設(shè)一道橫向排水溝，將集水排至馬道上的縱向排水溝。[FL）]
圖3邊坡排水措施布置
[FL（K2]
4結(jié)語
?。?）南水北調(diào)中線山門河暗渠進(jìn)、出口渠道為挖深40m左右的高邊坡，渠坡地質(zhì)條件為黏礫復(fù)合地層結(jié)構(gòu)，土質(zhì)高邊坡易失穩(wěn)，同時(shí)還存在邊坡排水問題。
?。?）經(jīng)過多方案的對(duì)比分析，山門河暗渠高邊坡最終選擇合理的開挖坡比，放坡使邊坡自然保持穩(wěn)定。這樣既能減少工程投資，又能降低施工難度和風(fēng)險(xiǎn)，加快工程進(jìn)度。
?。?）山門河暗渠高邊坡采用深層排水孔結(jié)合貼坡排水體和坡面排水網(wǎng)的排水體系，排水體系經(jīng)歷了三個(gè)汛期的考驗(yàn)，有效地降低了邊坡內(nèi)的浸潤(rùn)線和孔隙水壓力，保護(hù)邊坡不出現(xiàn)滲透穩(wěn)定破壞和坡面沖刷。
[HJ2.1mm]
參考文獻(xiàn)：
[1]趙健倉，張建國(guó).南水北調(diào)中線一期工程總干渠山門河暗渠初步設(shè)計(jì)階段工程地質(zhì)勘察報(bào)告[R].鄭州：河南省水利勘測(cè)有限公司，2006.
[2]翟淵軍，朱太山.南水北調(diào)中線一期工程總干渠黃河北-羑河北段初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].鄭州：河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，2006.
[3]SL274-2001，碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].
[4]SL265-2001，水閘設(shè)計(jì)規(guī)范[S].
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