排水措施在膨脹土邊坡處理中的應(yīng)用

□何向東 □馬慧敏

（1 河南省水利科學(xué)研究院；2 河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司）

0 引言

膨脹土（巖）是具有脹縮性、裂隙性和超固結(jié)性的粘性土，其工程性質(zhì)非常特殊。膨脹土工程危害具有多次反復(fù)性和長期潛伏性，在世界各地頻繁發(fā)生，是當(dāng)今巖土工程界的全球性技術(shù)難題之一。南水北調(diào)中線工程涉及膨脹土（巖）的渠段累計約340km，膨脹土（巖）渠道處理是南水北調(diào)中線工程的主要技術(shù)難題之一。為此，國家“十一五”科技支撐課題2006BAB04A10“膨脹土地段渠道破壞機(jī)理及處理技術(shù)研究”對此工程難題進(jìn)行了深入研究，提出“在進(jìn)行膨脹巖土渠道的設(shè)計和處理時，根據(jù)破壞模式的不同分別采取相應(yīng)的處理措施”。膨脹土渠坡的破壞模式及處理方法分為兩類：一是裂隙強(qiáng)度控制下渠坡滑動的處理方法：應(yīng)進(jìn)行裂隙強(qiáng)度控制下的膨脹巖土渠坡的整體穩(wěn)定性復(fù)核，特別是具有順坡向裂隙面（帶）的中、強(qiáng)膨脹土渠坡挖方段，應(yīng)保證渠道邊坡沿裂隙面的抗滑穩(wěn)定；如不滿足設(shè)計要求，應(yīng)適當(dāng)放緩坡比并采取合適的支擋措施加固，如土釘、土錨、抗滑樁等。二是膨脹作用下渠坡變形及滑動的處理方法：在渠道邊坡整體穩(wěn)定的前提下，應(yīng)采用考慮膨脹變形的有限元分析方法進(jìn)行穩(wěn)定復(fù)核，若不滿足穩(wěn)定要求，可考慮以下方案：對有土可換的渠段，首選換土方案；對無土可換的渠段可采用換填水泥改性土、土工格柵加筋、土工袋等方案，并根據(jù)工程要求和實際情況，對選取的處理方案進(jìn)行合理設(shè)計；處理層厚度應(yīng)滿足膨脹作用下渠坡的抗滑穩(wěn)定要求。

采用換填法處理的膨脹土（巖）渠道邊坡，當(dāng)處理層與渠道原坡面滲透性存在較大差異時，當(dāng)農(nóng)作物灌溉期以及主汛期強(qiáng)降水時，會由于內(nèi)外水頭壓差而出現(xiàn)換填層的滑塌現(xiàn)象。筆者在實際工程中發(fā)現(xiàn)有由于換填層后背后來水發(fā)生的膨脹土邊坡失穩(wěn)事件，因此在膨脹土邊坡設(shè)計中不僅要考慮坡面防排水，還要解決好坡體內(nèi)換填層后地下來水。

1 排水方案的分析計算

分兩種情況進(jìn)行排水敏感性分析。第一種為在換填層面只設(shè)集水暗管排地下水，根據(jù)集水暗管在換填層面處布設(shè)位置的不同，以及有無排水井和換填層間有無排水墊層的不同，分4 種方案進(jìn)行計算分析。第二種情況為在膨脹巖與換填面之間鋪設(shè)排水網(wǎng)墊，在換填層面布設(shè)集水暗管（由情況一的分析結(jié)果確定集水暗管的布設(shè)位置），根據(jù)渠坡的排水系統(tǒng)是否與渠底的排水系統(tǒng)相連分2 種方案進(jìn)行分析計算。

1.1 滲流計算原理及所用軟件

滲流計算采用有限元數(shù)值分析方法計算，采用河海大學(xué)軟件《水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)》程序?；灸Ｐ蜑椋?/p>

式中H 為滲流場的水頭函數(shù)，P 為水壓力，γ 為水容重，Kx和Ky分別為x 和y 方向土的滲透系數(shù)。

1.2 第一種情況的分析計算

進(jìn)行4 種排水條件下的滲流計算，并分析對比粗砂墊層分別在換填層上部和下部、有無排水井和橫向排水墊層時的排水效果情況。

計算模型1：粗砂墊層位于換填層下部，通過橫向布置的波紋管連通逆止閥將坡后地下來水排至渠內(nèi)；計算模型2：粗砂墊層位于換填層上部，通過逆止閥將坡后地下來水排至渠內(nèi)；計算模型3：粗砂墊層位于換填層上部，通過逆止閥將坡后地下來水排至渠內(nèi)；同時設(shè)排水井將坡后來水向外抽排；計算模型4：粗砂墊層位于換填層上部，通過逆止閥將坡后地下來水排至渠內(nèi)，并在換填層中間設(shè)橫向排水墊層加快換填處理層后地下水外排。計算模型示意圖見圖1。

圖1 計算模型示意圖

1.3 第一種情況的計算成果各模型的計算結(jié)果見表1。

表1 各種計算模型滲流計算結(jié)果表

1.4 第一情況的計算結(jié)果分析

一是粗砂墊層布置在換填層下，相比在換填層上可以提前降低浸潤線，且在坡腳處降低浸潤線的作用明顯；但這種排水方式可能在處理層結(jié)合面產(chǎn)生薄弱帶；二是地下水位較高時，采用排水井和逆止閥共同作用的降水效果最為理想，能有效的降低浸潤線，但設(shè)置排水井對膨脹巖這種滲透系數(shù)不均的上層滯水，理論計算與實際排水效果的差別較大，并且投資較高；三是設(shè)置橫向排水墊層，可以及時將換填層后的地下水向坡面排出，避免排水不暢而在換填結(jié)合面形成的軟弱帶。但是橫向排水墊層在施工時相比設(shè)置排水管的施工工藝要復(fù)雜，加大了施工難度。

1.5 第二種情況的計算及結(jié)果分析

1.5.1 計算模型5

粗砂墊層位于換填層上部，膨脹巖與換填土之間布置三維土工排水網(wǎng)墊，連通至縱向集水暗管，通過橫向布置的波紋管連通逆止閥將坡后地下來水排至渠內(nèi)。

1.5.2 計算模型6

粗砂墊層位于換填層上部，膨脹巖與換填土之間布置三維土工排水網(wǎng)墊，連通至縱向集水暗管，通過橫向布置的波紋管連通逆止閥將坡后地下來水排至渠內(nèi)，另與渠底設(shè)置的粗砂墊層連通，并通過渠底所設(shè)置的逆止閥將水排向渠內(nèi)。

1.5.3 計算結(jié)果及其分析

1.5.3.1 計算結(jié)果

具體計算結(jié)果見表2。

1.5.3.2 分析結(jié)果

表2 獨立排水系統(tǒng)滲流計算結(jié)果表

一是第二種情況中計算模型5 同計算模型6 都可以有效的降低渠坡膨脹巖地下水位出逸點高程。兩種方案中計算模型5出逸點的高度較大；二是排水方案計算模型6 優(yōu)于計算模型5，在于計算模型6 不僅有效降低了渠坡內(nèi)側(cè)地下水位逸出點高程，同時也使渠底板之下的地下水位出現(xiàn)呈漏斗狀的降低；三是第二種情況的排水方案，換填處理層后的水位可以降低到1m以下，滿足換填層抗浮穩(wěn)定的要求。

綜合以上分析計算，推薦排水方案為計算模型6。由于膨脹巖裂隙發(fā)育及發(fā)育程度的不均一性，會形成裂隙帶里上層滯水動態(tài)和分布不均勻不規(guī)律的特點，因此，在坡面還構(gòu)造性的設(shè)置橫向集水暗管與縱向集水暗管連通以保證排水效果。

2 工程應(yīng)用

該排水方案在南水北調(diào)中線一期工程膨脹巖渠段的處理中得到了廣泛應(yīng)用。2011年3月，該方案在南水北調(diào)中線一期工程安陽段膨脹巖渠段中進(jìn)行試驗，通過對試驗結(jié)果分析，各項試驗參數(shù)均滿足設(shè)計要求。隨后，施工標(biāo)段采用該方案對膨脹巖渠段進(jìn)行了施工。2013年下半年，安陽段膨脹巖渠段施工基本完工。通過后期觀察，當(dāng)村民對農(nóng)作物灌溉以及主汛期強(qiáng)降水時，外界地下水位迅速升高，受膨脹巖內(nèi)部裂隙影響，外水可在短時間內(nèi)通過內(nèi)排水系統(tǒng)從逆止閥流出，減小面板內(nèi)外壓差。達(dá)到了工程預(yù)期效果。

3 結(jié)語

由上述分析可知，膨脹巖土渠段的渠坡處理不僅要對地表大氣降水進(jìn)行防護(hù)，即設(shè)置換填保護(hù)層，減少大氣降水對膨脹巖土體的影響，而且要做好換填層下部膨脹巖土體內(nèi)地下來水的排泄措施，在渠道地下水位較高或地層透水性較大的地區(qū)，在防止局部膨脹變形破壞的處理層與原渠坡的接觸面上，應(yīng)合理設(shè)置排水盲溝或排水墊層，防止地下水滲流產(chǎn)生的頂托破壞。

[1]包承綱.南水北調(diào)工程膨脹土渠坡穩(wěn)定問題及對策[J].人民長江，2003，34（5）：4-6.

[2]張家發(fā)，劉曉明，焦赳赳.膨脹土渠坡兼有排水功能的雙層結(jié)構(gòu)防護(hù)方案[J].長江科學(xué)院院報,2009,26(11):37-41.

[3]馬慧敏,何向東,張帥.渠道膨脹土邊坡?lián)Q填處理土穩(wěn)定計算分析[J].人民黃河,2013,35(2):98-102.