攔河壩滑坡變形及阻滑成因研究

趙青宇 李冬州

一、概述

水工建筑物施工需進(jìn)行圍水筑壩的前期工作，通常做法是就近取土倒入選擇的壩址上，逐步堆積形成攔河壩。由于取土料的性質(zhì)不同，壩基的淤土厚度不同，再加之水情與工況的不同，經(jīng)常遇到的問(wèn)題是隨著填土高度的增加，一旦壩址淤泥土不能承受上部壩體的重量，就會(huì)在交界面形成較大的滑動(dòng)面，導(dǎo)致沉陷和坡面滑動(dòng)。一般河床中，積淤厚度達(dá)到2m左右，由于土料直接倒入淤泥中，其淤泥的含水量達(dá)到40%以上，其可塑性和流動(dòng)性較大，土料入淤后，形成了“淤包土”，隨著壩體的增高，此時(shí)受到了重壓力的作用，形成了液化，導(dǎo)致了填筑土料的流失，使淤泥土量增加。當(dāng)壩體達(dá)到設(shè)計(jì)斷面后，產(chǎn)生了滑動(dòng)面上移的情況，從而形成更大的沉陷和滑動(dòng)。本文對(duì)如何解決筑堤土料和壩基淤泥的隔絕，使土料形成整體的壩體，減小滑動(dòng)面的上移進(jìn)行研究探討，對(duì)保障攔河壩圍堰工程的安全和進(jìn)度具有一定的積極意義。

二、土壩滑坡實(shí)例

徐州新沂和宿遷市幾個(gè)大中型水工建筑物加固工程均處于駱馬湖周邊，在對(duì)原水工建筑物加固施工前需填筑攔河壩。其河底寬度在70～100m，水面寬度在100～200m，圍堰填筑的深度為6.5m（14.5～21m），壩前水位5m，壩址淤泥厚度達(dá)到2m左右。施工主要方法是就地取土，直接倒入選擇的壩址上。壩體形成后，受到壩體重量和壩前后水壓力差的作用，發(fā)生了不同程度的滑動(dòng)。根據(jù)施工實(shí)例發(fā)現(xiàn)，施工壩填筑期間，先后有幾次變形，最大變形發(fā)生在筑壩的初期，壩體出水1～2m以后，導(dǎo)致壩體向背水面位移3～5m，垂直位移達(dá)到了2.5m左右，使其水面以上壩身在受到位移后發(fā)生傾覆。依據(jù)施工前閘身引水段測(cè)量圖，其中某項(xiàng)目原勘測(cè)前清淤量為1.5萬(wàn)m3，而當(dāng)壩體填筑驗(yàn)收抽水后，由于坡面的滑動(dòng)，造成填筑材料流失，閘前淤積量增加到6.5萬(wàn)m3。未筑壩前河床淤積高度為20cm左右，且閘門(mén)啟閉基本自如，河床被淤積后閘門(mén)處淤泥淤至胸墻，使河床抬高了2m，導(dǎo)致閘門(mén)無(wú)法啟動(dòng)。該地區(qū)采用的填筑材料大部分為砂壤土，筑壩過(guò)程中會(huì)形成不同程度的變形。

三、坡面變形及阻滑機(jī)理分析

1.壩體變形機(jī)理

壩址為軟弱淤泥層，土壩施工時(shí)水下部分無(wú)法碾壓，基本處于松散狀態(tài)，一旦壩體填筑至水面，對(duì)水位以上土層分層碾壓。由于受下層飽和土的影響，起初碾壓效果不佳，正常會(huì)出現(xiàn)土層偏厚，碾壓不實(shí)，鋪土接頭處漏壓，碾壓不到位形成的局部滲水，這種現(xiàn)象給坡面滑動(dòng)埋下了伏筆。但其主要原因仍為滑坡體發(fā)生在水位以下，壩身段被水和壩基淤土所浸泡，隨著水位上壩體填筑加快，機(jī)械的碾壓造成荷載不斷加大，導(dǎo)致滑坡體沿著最弱滑動(dòng)層面發(fā)生滑動(dòng)是必然的。一般壩體滑動(dòng)在水位交界面發(fā)生，由于水位交界面上下層土料壓實(shí)度及含水率、飽和度差異較大，形成明顯的交界縫，這部分土層連同壩基淤泥，形成了一個(gè)下滑的連續(xù)體，帶動(dòng)了整個(gè)壩的滑動(dòng)和傾覆。故一般發(fā)生的滑動(dòng)面為連續(xù)分布，長(zhǎng)度、寬度都牽涉到全壩體的位移，滑動(dòng)傾覆極限正常平至水面。通過(guò)對(duì)失事壩體的現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)和分析，首先從基礎(chǔ)開(kāi)始淤包土，又延伸到在水位交界面形成明顯的離析面，即呈伸縮縫狀，從而導(dǎo)致了滑坡體產(chǎn)生。其破壞過(guò)程從淤泥壩底層面開(kāi)始再向兩側(cè)不同程度擴(kuò)散，在背水面水位較大時(shí)向內(nèi)側(cè)偏位較大；淤土層與填筑土料隨著上部荷載增大，下部出現(xiàn)明顯的剪切裂縫，一旦發(fā)育完全，壩體出現(xiàn)了自下而上的拉伸裂縫，直至完全傾覆，這種滑動(dòng)破壞屬于“牽引式”滑坡破壞。因此重點(diǎn)是解決土料填筑與壩基淤泥之間的隔離，采用土工織物作為軟體沉排，使之形成隔離，避免滑動(dòng)時(shí)將填筑土料帶入形成整體傾覆，減少大的滑動(dòng)。

2.隔離法機(jī)理

依靠有紡?fù)凉げ伎椢锞哂懈呖估?、抗頂穿及撕裂?qiáng)度高的特性，確保壩體的安全。土工織料要整體連續(xù)，具備良好的柔韌性、耐堿性及耐生物侵蝕性等，在受力變形、環(huán)境變化時(shí)不被破壞。土工織物作為受力結(jié)構(gòu)體，不僅在筑壩時(shí)能起到隔離作用，也能起到阻滑的作用。其寬度為河床寬度，長(zhǎng)度根據(jù)壩體長(zhǎng)度需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證足夠的防滲及安全穩(wěn)定。計(jì)算公式為：L=CH（式中：C為土料滲透系數(shù)，依據(jù)安全性、建筑物等級(jí)一般取8～12；H為施工期間上下游水位差）。

四、土工布隔離法的應(yīng)用

在確定壩址后，盡可能將壩基淤土層進(jìn)行一次清理，減小淤泥的厚度，并采用有紡?fù)凉げ牧献鳛榕朋w，對(duì)排體進(jìn)行局部段加筋，并設(shè)一定的拉扣套置在岸邊的樁位上。由于壩填筑時(shí)河床水深達(dá)到5m以上，為便于施工，將裝好的織袋土放置在壩體的囊中，囊口深度在1.5～2m之間。當(dāng)壩體形成一定的重量后，逐步放置兩側(cè)的拉繩直至沉入水中。在軟體沉排與淤泥交界面形成滑動(dòng)時(shí)，囊口可以起到一定的阻滑作用，從而使滑動(dòng)面在產(chǎn)生垂直向下的作用力與側(cè)向力時(shí)能形成一個(gè)較高的摩阻系數(shù)，有效地避免較大滑動(dòng)面的產(chǎn)生，也可使土料得到充分使用。

五、效果分析

1.綜合效益及技術(shù)可行性、實(shí)用性

軟基沉排在二十世紀(jì)五六十年代攔河壩圍堰的施工中曾經(jīng)運(yùn)用過(guò)，過(guò)去運(yùn)用的形式是采用竹排加載整體下沉的方法使壩基減少滑動(dòng)，從而加強(qiáng)壩體的穩(wěn)定性。目前采用土工布復(fù)合材料作為排體，并根據(jù)施工的實(shí)際需求，對(duì)壩體進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，增強(qiáng)土料的使用效果，對(duì)節(jié)約土地資源有一定的積極意義；同時(shí)更好地解決了壩體填筑后無(wú)規(guī)則的變形，形成有序可控的變形；也更好地解決了筑堤土料受淤土包裹而造成壩體重量的增加，從而形成滑動(dòng)面上移情況，有力保障了壩體施工過(guò)程和運(yùn)行后的安全穩(wěn)定。

2.資源保護(hù)性

采用土工布隔離法可減少對(duì)臨時(shí)用地的占用，尤其減少了土料流失，增大了恢復(fù)土地原有狀況的可行性，經(jīng)濟(jì)效益顯著；同時(shí)也起到了保護(hù)環(huán)境、減少污染的作用。

六、綜述

筑壩過(guò)程前后發(fā)生的滑動(dòng)是各種因素共同作用的結(jié)果，通過(guò)研究現(xiàn)場(chǎng)筑壩前后壩體滑動(dòng)失穩(wěn)破壞現(xiàn)象，可知其基本原因?yàn)樯喜亢奢d增加而形成了壩基面上薄弱層的滑動(dòng)。因此，為使壩體內(nèi)部阻滑動(dòng)力增強(qiáng)，需從施工方法、施工速度上加以控制，更重要的是從壩基上采用阻滑鋪墊、增強(qiáng)排體上方土料的整體性等綜合因素考慮和解決，注重對(duì)壩址的基礎(chǔ)處理，在壩基淤土厚度較厚時(shí)采用土工織物鋪設(shè)，并通過(guò)對(duì)排體工藝改造起到限制筑壩土料的變形阻滑作用，從而達(dá)到增加地基穩(wěn)定性的目的■