基于高靈敏土的河道整治邊坡穩(wěn)定影響因素探究

涂文強

(江西省南昌縣贛東大堤河道堤防管理站，江西 南昌 330207)

1 高靈敏土與邊坡穩(wěn)定

土的靈敏度是原狀土與其重塑后進行實驗的無側(cè)限抗壓強度的比值，工程學上也常用靈敏度St來衡量黏性土度的影響。一般情況下，土的靈敏度越高，則土質(zhì)的結(jié)構(gòu)性越強，此時受到影響后的強度降低也更加明顯。目前常使用現(xiàn)場原位測試中的十字板剪切試驗為測量土的靈敏度的主要方法，可以快速準確的確定土的靈敏度。

而對于邊坡穩(wěn)定方面的研究，國內(nèi)外相關(guān)的學者和專家進行過細致探討。一般情況下可以將河道整治的邊坡分為兩類，即均質(zhì)土體邊坡與非均質(zhì)土體邊坡。隨著技術(shù)的快速發(fā)展，可以利用巖土力學的相關(guān)知識來進行模擬，并經(jīng)過有限元強度原酸的方式分析邊坡穩(wěn)定的影響因素。

2 河道整治工作中的邊坡穩(wěn)定問題

由于邊坡成坡的過程中，臨空面周圍因應力重分布，周圍發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，無論是在重力場條件還是在水平應力為主的構(gòu)造應力場條件下，總特征表現(xiàn)為越靠近臨空面，最大主應力越接近平行于臨空面。

目前河道整治工作中，涉及到邊坡的主要問題在于護坡和坡面排水問題。由于河道河段形式多變，邊坡處理工作也存在著一定的差異性。從河道現(xiàn)狀來看，很多河流防洪標準達不到應有的要求，且行洪能力不足，河道淤積嚴重，一些河堤出現(xiàn)垮塌，對環(huán)境和水土保持工作都帶來了不利影響。從治理措施來看，也應該基于河道邊坡的影響程度進行判定。而具體的項目設計也需要從邊坡穩(wěn)定的影響因素來入手。

從具體的處理方法看，臨水側(cè)護坡的形式應該結(jié)合風浪大小、近堤水流與潮流情況決定，結(jié)合堤的高度、堤基土質(zhì)，來分辨護坡設計可能產(chǎn)生的影響。對于背水側(cè)護坡的形式也需要結(jié)合區(qū)域內(nèi)的降水情況，結(jié)合土質(zhì)情況來決定。例如水泥土、混凝土護坡與土體之間應該設置砂石、礫石墊層或土工織物，厚度需大于0.1 m，對于河流區(qū)域內(nèi)或是湖堤琥珀墊層還應該增加厚度[1]。河堤鄰水側(cè)可以選擇用斜坡式或復合式結(jié)構(gòu)，根據(jù)技術(shù)參數(shù)的比較來確定具體施工方案，斷面尺寸也應該根據(jù)強度計算的結(jié)果來確定。同理，墻與土體之間也應該設計過渡層，厚度為1.0 m左右，再確定平臺高程。

3 邊坡穩(wěn)定性的分析方法

3.1 過程機制分析

過程機制分析是結(jié)合邊坡的地址條件與變形破壞的基本規(guī)律決定，從邊坡演變的全過程入手，來預測其發(fā)展趨勢。特別是對于高靈敏土，容易受到環(huán)境因素的影響，此時應考慮邊坡穩(wěn)定性變化的趨勢和變形破壞方式，并且對已經(jīng)發(fā)生過滑坡的邊坡進行判斷，判斷其是否能夠產(chǎn)生轉(zhuǎn)化。必要時可以通過類比法，將人工設計的邊坡研究條件與參數(shù)應用到相似的邊坡研究工作中，并利用一定的關(guān)系曲線來證明定量關(guān)系，分析軟弱結(jié)構(gòu)面的組合條件與滑動方向，判斷邊坡的穩(wěn)定性。例如SMR方法就是綜合考慮邊坡工程中不斷連續(xù)面產(chǎn)狀與坡面間的組合關(guān)系，以及邊坡的開挖方式等，如圖1展示出的結(jié)構(gòu)。

圖1 邊坡穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)

邊坡的穩(wěn)定性通常由滑動面上的抗滑力(Fs)與滑動力(Fr)的比值決定。由于邊坡可能具有的一切變形方式、下沉方式與地質(zhì)結(jié)構(gòu)、所處環(huán)境之間密切聯(lián)系，尤其是對于一個具有固定外形與結(jié)構(gòu)特征的斜坡，可以采用赤平投影方式來分析坡體中起控制作用的結(jié)構(gòu)面空間組合狀況，可以大致地確定斜坡類型，以及其可能出現(xiàn)的變化方式。例如通過現(xiàn)場勘察的手段，查明邊坡存在的變形趨勢與演變機制，參照各類地質(zhì)依據(jù)標準，建立力學模型與數(shù)學模型，利用數(shù)值進行模擬，將模擬結(jié)果與實際勘察結(jié)果進行比對，就可以進行相對準確的預測。對于邊坡穩(wěn)定性的影響因素來看，普遍具有周期性規(guī)律與區(qū)域性規(guī)律。高靈敏土在發(fā)展過程中會有顯著的周期性變化，所以邊坡的演變也會具有一定的變化規(guī)律。特別是在一些地質(zhì)條件與自然環(huán)境條件相似的地區(qū)，邊坡的變化情況同樣具有相似性。從地質(zhì)構(gòu)造活動來看，表現(xiàn)為邊坡在一段時間內(nèi)的應力方向與變化趨勢相似，活動方式也有可以參考的地方[2]。

3.2 定量分析

定量分析法主要包含各種類型的數(shù)學模型分析，例如確定性極限平衡法與應力應變分析法。此外，人工智能算法、遺傳算法與灰色系統(tǒng)理論分析法也可以成為定量分析的主要方式。定量分析涉及到邊坡穩(wěn)定系數(shù)問題。目前對于邊坡穩(wěn)定影響因素的分析可以通過以下公式實現(xiàn)。

(1)

式中：k為邊坡穩(wěn)定系數(shù)；R為坡體巖土提供的抗滑力；S為坡體巖土自身的滑動力。

4 河道整治邊坡處理方案

在邊坡形成的過程中，應力狀態(tài)的變化在一定條件下會破壞邊坡穩(wěn)定性，根據(jù)邊坡破壞的基本類型來看，包括崩落、傾倒、側(cè)向擴離、流動等。

4.1 結(jié)構(gòu)面加固處理

由于邊坡不穩(wěn)定情況多發(fā)生于雨季，此時地表水滲入，地下水活動頻繁，是影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素。因為水本身會產(chǎn)生凈水壓力，再加上水流動出現(xiàn)的水壓力影響到邊坡結(jié)構(gòu)，甚至出現(xiàn)侵蝕作用，讓結(jié)構(gòu)內(nèi)部的摩擦力下降。此外，地下水富集程度的提升還會影響結(jié)構(gòu)面的抗剪強度，而地下水滲流對巖土體會產(chǎn)生動水力，水位的升高將產(chǎn)生浮托力、地表水對岸坡的侵蝕使其失去側(cè)向或底部支撐等，這些都對邊坡的穩(wěn)定不利。

實際上，當出現(xiàn)邊坡滑坡時，滑體的滑動面與邊緣輪廓是受到結(jié)構(gòu)面控制的，換言之，即結(jié)構(gòu)面的強度決定了邊坡強度。我們從大量的邊坡事故中也可以看出，不穩(wěn)定的巖土體通常是沿著結(jié)構(gòu)面或多個不同結(jié)構(gòu)面的組合邊界出現(xiàn)剪切滑移或錯動變形，導致巖土體的穩(wěn)定性下降。加固處理方案考慮采用拆除變位擋墻后放坡。根據(jù)《堤防工程設計規(guī)范》(GB 50286—2013)的要求，堤防的抗滑穩(wěn)定性分析會采用瑞典圓弧法。平臺以上堤坡坡比1∶2，平臺以下河坡坡比1∶3?？紤]到施工期間內(nèi)的水位下降問題，邊坡的抗滑穩(wěn)定性需要納入考慮范圍之內(nèi)，因此對河道邊坡需要進行加固處理。處理方式受到土源、征地等因素的影響，結(jié)合類似的河道工程設計方案，可以采用木樁或是水泥土攪拌樁。

季節(jié)變化導致的強降雨、降雪、冰凍等會引起邊坡不穩(wěn)定，而地震或設備產(chǎn)生的振動力同樣會導致周圍的土體松動，孔隙水壓力增加，讓處于臨界狀態(tài)的邊坡有瞬間崩塌的風險。另外，風化作用也需要考慮在內(nèi)，風化作用影響邊坡的形狀與坡度，增加土體的透水性，也會改變地下水的動態(tài)。特別是當邊坡沿著裂隙風化時，巖土體脫落、堆積的情況時有產(chǎn)生[3]。

4.2 水泥樁攪拌

通常情況下，土體的孔隙越大，則強度越低。在河流整治工作中，很多滑坡都是因為剪切破壞導致。而一些礦物穩(wěn)定、抗風化性能好的巖土所構(gòu)成的邊坡，穩(wěn)定性較為出色。因而水泥樁攪拌的作用更加重要?？梢栽诤悠聟^(qū)域設置3排水泥攪拌樁，在迎水面青坎以上設置1排，青坎以下布置2排，排距控制在2 m左右。而水泥攪拌樁沿著堤防方向間距為1 m，呈相互交錯梅花布置。在水泥材料的選用上，選擇強度等級較高的硅酸鹽水泥，保障攪拌樁樁身的抗壓強度。抗剪強度指標根據(jù)土工原理和相關(guān)的規(guī)范計算，需滿足GB 50286—2013的要求，抗剪指標采用原土層強度指標。

4.3 工程案例分析

某區(qū)域地處丘陵中部，總地勢東北低、西南高，剝蝕丘陵與谷地、洼地。一般海拔高程在1000～1100 m之間，相對高差100 m，最高峰海拔1700 m左右。中部明顯層狀地貌、多級臺地及溶丘洼地地貌。區(qū)域內(nèi)地貌總體為山地與丘陵地區(qū)為主的丘原盆地地貌。區(qū)域內(nèi)地質(zhì)條件單一，形成簡單的地貌特征，沿河低端由河漫灘發(fā)育形成沖洪積地形。

當?shù)氐貐^(qū)屬于亞熱帶季風濕潤氣候。工程主要建設內(nèi)容為區(qū)域內(nèi)河段的智力工程。根據(jù)國家《防洪標準》與《城市防洪工程設計規(guī)范》的要求，結(jié)合現(xiàn)場實地勘察的結(jié)果，河道整治采用護坡形式進行河床清淤，并考慮使用漿砌石護坡與草皮護坡相結(jié)合形式。

可以看到實例中的邊坡防護考慮到了對可能出現(xiàn)的影響因素進行針對性處理。首先針對當?shù)氐牡匦芜M行了分析，以此為基礎(chǔ)進行綜合治理，此外，采用預防為主、防治結(jié)合的方式，對于一些主要的隱患和風險因素，如軟弱基地或是有害的地下水源進行優(yōu)先處理。對于某些附屬措施，如坡面防護或路基用地范圍以外的防護與加固措施，按其輕重緩急，分期實施，逐步完善。在實際的管理工作中應該根據(jù)當?shù)氐臍夂?、水文等情況來選擇工程防護與植物防護模式相結(jié)合的措施，并且在地下水較為發(fā)育路段應注意路基邊坡防護與地下排水措施的綜合設計。

5 結(jié) 語

影響邊坡穩(wěn)定性的因素眾多，影響方式也有所差異，這也要求相關(guān)的技術(shù)部門需要根據(jù)邊坡的不同特征采取不同的應對方案。在穩(wěn)定性分析方法上，本文所提出的兩種方式具有不同的適用范圍與優(yōu)勢，未來的工作中也需要根據(jù)地質(zhì)條件選取合理的分析方法。本文著重研究高靈敏土區(qū)域內(nèi)河流整治工作的開展模式，減少對邊坡的不良影響，讓水利工程建設項目和管理工作的質(zhì)量穩(wěn)定提升。